CN108797533B - 一种泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法。该方法首先确定泄流孔直径、泄流孔曼宁糙率系数、泄流孔设计坡角的正弦值、泄流孔设计长度范围等相关参数；然后将获得的参数代入泄流孔中泥石流设计流速限制条件，得到泥石流设计流速的范围；接着将不同假定流速值代入泄流孔设计长度计算公式进行试算，得到临界堵塞状态时的不同泄流孔设计长度计算值；最后将泄流孔设计长度计算值与泄流孔设计长度范围进行比较，得到最终泄流孔设计长度。该方法使泄流孔的直径、长度、糙率系数和坡度之间建立起了定量关系，通过合理判断不同设计参数条件下拦砂坝圆形泄流孔在过流条件下是否被堵塞，可为拦砂坝圆形泄流孔的优化设计提供科学依据。

Description

一种泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于能量理论的泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法，属于泥石流防治工程、建筑工程设计领域。

背景技术

山洪泥石流灾害是我国地质灾害的主要类型之一。随着山区经济的发展、西部大开发的不断深化，对山洪泥石流防治工程的需求越来越旺盛。拦砂坝工程在泥石流治理中被大量使用。

圆形泄流孔作为拦砂坝泄流孔中常见的一种结构形式，是拦砂坝的重要组成部分，泄流孔的长度、直径、坡度和糙率是其设计过程中的关键性参数，直接关系到泥石流能否顺畅地流出泄流孔。目前，拦砂坝泄流孔的设计多依据工程实践经验，没有完善的设计理论依据，现行行业规范《泥石流防治工程设计规范》中也仅针对泄流孔的布置位置给出“排泄孔尽可能成排布置在溢流坝段”和“单孔孔径大于等于2～4.5倍过流中最大石块粒径”的一般规定。如果泄流孔被泥石流堵塞，那么拦砂坝坝体和坝基将承受泥石流流体巨大的静土压力和扬压力，不利于坝体结构稳定和长期安全运行，同时也增加了拦砂坝后期的运营维护费用；在泄流孔不被泥石流堵塞的情况下，泥石流能够顺畅的向下游排泄，较少在库内形成淤积，即使在库内形成少量淤积，在后期洪水的作用下，也能够将淤积在库内的泥石流通过泄流孔携带出拦砂坝，这样既可以维护拦砂坝的稳定性，也可以维持较低的后期运营费用。因此，对拦砂坝泄流孔进行优化，使泥石流能够顺畅地排出泄流孔是保证拦砂坝结构稳定和降低后期维护费用的关键。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法，该方法基于能量理论，综合考虑了拦砂坝圆形泄流孔的设计参数，使泄流孔的直径、长度、糙率系数和坡度之间建立起了定量关系，通过合理判断不同设计参数条件下拦砂坝圆形泄流孔在过流条件下是否被堵塞，可为拦砂坝圆形泄流孔的优化设计提供科学依据，且设计方法简便有效，所需参数少。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法，基于泥石流在拦砂坝圆形泄流孔内流动时的微元体受力分析，运用能量平衡理论推导出泄流孔堵塞状态判别式，对泥石流在拦砂坝泄流孔内流动时是否会堵塞泄流孔做出定量判别分析，从而提出指导泄流孔设计的方法。带有圆形泄流孔的拦砂坝如附图1和2所示。具体理论推导证明过程如下：

图3为泥石流体在拦砂坝圆形泄流孔内运动的受力分析图。以泄流孔进口底部为坐标原点O，顺水流方向为x方向，垂直于泄流孔底部为y方向。假定泥石流体在流动过程中充满整个泄流孔断面，现取一微段长度进行分析。取泄流孔中厚度为dx、距离泄流孔进口为x的一小段，p+dp和p分别代表距离泄流孔进口x和x+dx处的压力，管道半径为r，直径为D，γ为泥石流容重，sinθ为泄流孔设计坡角的正弦值，π为圆周率，G为选取微段的重力，m为微段的质量，a为加速度，ρ为密度，dt为时间段，dv为dt时间段内速度变化值，χ为湿周(χ＝πD)，τ₀为切应力，v为泄流孔中的泥石流设计流速。

重力沿x方向的分力：Gsinθ＝πr²dxγsinθ

惯性力F：F＝ma＝πr²dxρdv/dt

轴向压力差值(坝前提供压力值)：πr²dp＝(p+dp)πr²-pπr²

压力差值由泥石流体与泄流孔壁面之间的摩擦阻力、流体的重力和流动不稳定状态所产生的惯性力加以平衡。

总摩擦力：f＝dxχτ₀＝dx·πD·τ₀＝dx·2πr·τ₀

沿x方向受力平衡方程为：

πr²dxγsinθ+πr²dp-dxχτ₀＝πr²dxρdv/dt 式(1)

对式(1)积分，x的积分区间为泄流孔的设计长度[0～L]，整理得：

假定当管径不变，且泥石流体不可压缩时，

式(2)简化为：

直径为D的圆管在被泥石流体充满时水力半径R如下，其中A为过流断面面积：

根据曼宁公式：

(其中C为谢才系数，R为水力半径，n为泄流孔的曼宁糙率系数，λ为沿程阻力系数，g为重力加速度)，可得：

根据达西公式可得沿程水头损失h_f为：

其中，L为泄流孔的设计长度(m)，其他参数同前。

将式(5)带入式(6)可得沿程水头损失为：

水力坡度J为：

J＝h_f/L 式(8)

将式(7)带入式(8)可得水力坡度J：

切应力为：

τ₀＝ρgRJ 式(10)

将式(4)和式(9)带入式(10)可得切应力：

将式(11)带入式(3)可得压力损失：

整理式(12)可得沿程水头损失为：

总水头损失H₁为沿程水头损失(公式13)和局部水头损失之和：

其中，ζ为局部水头损失系数，其他参数同前。

整理后可得：

根据水力学中管道局部水头损失系数表，确定进口位置水头损失系数。重新整理式(15)可得：

以拦砂坝圆形泄流孔出口位置作为能量计算参考断面，那么泥石流运动到圆形泄流孔出口位置时的总能量为：

以拦砂坝圆形泄流孔出口位置作为能量计算参考断面，那么泥石流运动到圆形泄流孔进口位置时的总能量为：

其中，h为泄流孔的最大安全埋深(泄流孔进口处孔中心点距泥石流面的高差)，α₀为流速修正系数，v₀为泥石流运动至泄流孔进口位置流速，其他参数同前。

根据泥石流运动到圆形泄流孔进口和出口位置时具有的能量之比来判断泥石流能否顺利的通过圆形泄流孔。若H₀/H₂＞1则泥石流能够顺利通过圆形泄流孔；若H₀/H₂＝1则泥石流刚好流动到圆形泄流孔出口；H₀/H₂＜1则泄流孔被堵塞。

泥石流能够顺利通过圆形泄流孔的条件证明：

整理式(19)可得：

同时需要满足以下限制条件：

和4^4/3n²v²-2D^4/3sinθ＞0，即：

因此，所述的基于能量理论的圆形泄流孔堵塞判别式是：

式中，h—泄流孔的最大安全埋深(m)；g—重力加速度(m/s²)；α₀—流速修正系数(-)；ζ—局部水头损失系数(-)；D—泄流孔直径(m)；n—泄流孔的曼宁糙率系数(s/m^1/3)；v—泄流孔中的泥石流设计流速(m/s)；v₀—泥石流运动至泄流孔进口位置流速(m/s)；sinθ—泄流孔设计坡角的正弦值(-)；L—泄流孔设计长度的计算值(m)。

具体而言，所述泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法步骤如下：

(一)通过现场调查，根据流域内物源的粒径确定泄流孔直径D、单位m；通过大比例尺地形图测量计算或现场调查，确定泥石流运动至泄流孔进口位置流速v₀、单位m/s；根据泄流孔所用建筑材料，确定泄流孔的曼宁糙率系数n、单位s/m^1/3；根据沟道坡度条件，确定泄流孔设计坡角的正弦值sinθ；根据泄流孔进口型式(进口型式包括方角入口、圆角入口、椭圆形入口)，确定局部水头损失系数ζ和流速修正系数α₀；根据拦砂坝坝体高度，确定泄流孔的最大安全埋深h、单位m；根据沟道特征，确定泄流孔设计长度L_Deg的范围、单位m。泄流孔直径D大于等于沟道内颗粒中值粒径D₅₀的2倍。泄流孔设计坡角的正弦值sinθ范围为0.05-0.20。

(二)通过以下公式计算得到泄流孔中的泥石流设计流速v的范围

式中，v—泄流孔中的泥石流设计流速，单位m/s；

D—泄流孔直径，单位m，由步骤(一)确定；

sinθ—泄流孔设计坡角的正弦值，由步骤(一)确定；

n—泄流孔的曼宁糙率系数，单位s/m^1/3，由步骤(一)确定；

α₀—流速修正系数，由步骤(一)确定；

v₀—泥石流运动至泄流孔进口位置流速，单位m/s，由步骤(一)确定；

h—泄流孔的最大安全埋深，单位m，由步骤(一)确定；

g—重力加速度，取值10m/s²；

ζ—局部水头损失系数，由步骤(一)确定；

(三)根据步骤(二)中得到的泄流孔中的泥石流设计流速v的范围，设定泄流孔中的泥石流设计流速v，然后进行步骤四；

(四)通过以下公式计算得到泄流孔设计长度的计算值L

式中，L—泄流孔设计长度的计算值，单位m；

h—泄流孔的最大安全埋深，单位m，由步骤(一)确定；

g—重力加速度，取值10m/s²；

α₀—流速修正系数，由步骤(一)确定；

v₀—泥石流运动至泄流孔进口位置流速，单位m/s，由步骤(一)确定；

ζ—局部水头损失系数，由步骤(一)确定；

v—泄流孔中的泥石流设计流速，单位m/s，由步骤(三)确定；

D—泄流孔直径，单位m，由步骤(一)确定；

sinθ—泄流孔设计坡角的正弦值，由步骤(一)确定；

n—泄流孔的曼宁糙率系数，单位s/m^1/3，由步骤(一)确定；

(五)将步骤(四)中得到的泄流孔设计长度的计算值L，与步骤(一)中得到的泄流孔设计长度L_Deg的范围进行比较；如果L满足L_Deg的范围，则进行步骤(六)；如果L不满足L_Deg的范围，则进行步骤(三)，调小泄流孔中的泥石流设计流速v；

(六)最终泄流孔设计长度确定为小于步骤(四)中得到的泄流孔设计长度的计算值L，同时大于步骤(一)中得到的泄流孔设计长度L_Deg的范围下限。最终泄流孔设计长度大于等于5倍泄流孔直径D，同时小于等于10倍泄流孔直径D。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于能量理论，综合考虑了拦砂坝圆形泄流孔的设计参数，使泄流孔的直径、长度、糙率系数和坡度之间建立起了定量关系，通过合理判断不同设计参数条件下拦砂坝圆形泄流孔在过流条件下是否被堵塞，可为拦砂坝圆形泄流孔的优化设计提供科学依据，且设计方法简便有效，所需参数少。

附图说明

图1是带有圆形泄流孔的泥石流拦砂坝结构示意图。

图2是图1中A-A’的剖面结构示意图。

图3是圆形泄流孔内微元体受力分析示意图。

图中标号如下：

v₀ 泥石流运动至泄流孔进口位置流速

v 泄流孔中的泥石流设计流速

sinθ 泄流孔设计坡角的正弦值

θ 泄流孔设计坡角

τ₀ 切应力

D 泄流孔直径

p 距离泄流孔进口x+dx处的压力

p+dp 距离泄流孔进口x处的压力

G 选取微段的重力

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1、图2、图3所示。某泥石流沟流域面积约为1.5km²，主沟长度3.0km。该流域陡峻的地形条件为暴雨洪水的汇集提供了良好的水动力条件，加之沟谷纵坡大，为松散固体物质的搬运和泥石流的形成提供了极为有利的基础条件。为了减轻泥石流灾害对公路的影响，拟在泥石流沟内修建拦砂坝工程，其中泄流通道采用圆形泄流孔形式。所述圆形泄流孔的设计采用本发明的泥石流拦砂坝圆形泄流孔设计方法，具体步骤如下：

第一步，通过现场调查发现沟道内颗粒中值粒径D₅₀为0.4m，泄流孔直径D大于等于沟道内颗粒中值粒径D₅₀的2倍，确定泄流孔直径D为1m；由于修建拦砂坝后过流断面变宽，通过大比例尺地形图测量计算，确定泥石流运动至泄流孔进口位置流速v₀为5.0m/s；泄流孔采用混凝土材料制作，根据泄流孔内的抹面情况，确定泄流孔的曼宁糙率系数n为0.05s/m^{1 /3}；根据沟道坡度条件，确定泄流孔设计坡角的正弦值sinθ为0.05；根据泄流孔进口型式为方角入口，确定局部水头损失系数ζ为0.5，流速修正系数α₀为1.0；根据拦砂坝坝体高度为4m，确定泄流孔的最大安全埋深h为2m；根据沟道特征，确定泄流孔设计长度L_Deg的范围为6m-8m，即6m<L_Deg<8m。

第二步，将第一步中得到的参数值代入公式

计算得到泄流孔中的泥石流设计流速v的范围为2.51m/s-6.58m/s，即2.51m/s＜v＜6.58m/s。

第三步，根据第二步中得到的泄流孔中的泥石流设计流速v的范围，设定泄流孔中的泥石流设计流速v为6.0m/s，然后进行第四步。

第四步，通过公式

计算得到泄流孔设计长度的计算值L为1.17m。

第五步，将第四步中得到的泄流孔设计长度的计算值L，与第一步中得到的泄流孔设计长度L_Deg的范围进行比较；L为1.17m不满足L_Deg的范围6m-8m，则重复进行第三步，调小泄流孔中的泥石流设计流速v。

根据第二步中得到的泄流孔中的泥石流设计流速v的范围，设定泄流孔中的泥石流设计流速v为5.0m/s，然后通过公式

计算得到泄流孔设计长度的计算值L为4.63m；L为4.63m仍然不满足L_Deg的范围6m-8m，则重复进行第三步，调小泄流孔中的泥石流设计流速v。

根据第二步中得到的泄流孔中的泥石流设计流速v的范围，设定泄流孔中的泥石流设计流速v为4.5m/s，然后通过公式

计算得到泄流孔设计长度的计算值L为7.82m；L为7.82m满足L_Deg的范围6m-8m，则继续进行第六步。

第六步，最终泄流孔设计长度确定为小于7.82m、同时大于6m，最终的泄流孔中泥石流设计流速v为4.5m/s。

实施例二

如图1、图2、图3所示。某泥石流沟流域面积约为10km²，主沟长度8km。该流域陡峻的地形条件为暴雨洪水的汇集提供了良好的水力条件，加之沟谷纵坡大，沟内松散固体物源丰富，为松散固体物质的搬运和泥石流的形成提供了极为有利的地形条件。为了减轻泥石流对堆积扇上居民安全的影响，拟在泥石流沟内修建拦砂坝体系工程，其中泄流通道采用圆形泄流孔形式。所述圆形泄流孔的设计采用本发明的泥石流拦砂坝圆形泄流孔设计方法，具体步骤如下：

第一步，通过现场调查发现沟道内颗粒中值粒径D₅₀为0.5m，泄流孔直径D大于等于沟道内颗粒中值粒径D₅₀的2倍，确定泄流孔直径D为1.2m；由于修建拦砂坝后过流断面变宽，通过大比例尺地形图测量计算，确定泥石流运动至泄流孔进口位置流速v₀为6.0m/s；泄流孔采用混凝土材料制作，根据泄流孔内的抹面情况，确定泄流孔的曼宁糙率系数n为0.06s/m^1/3；根据沟道坡度条件，确定泄流孔设计坡角的正弦值sinθ为0.20；根据泄流孔进口型式为方角入口，确定局部水头损失系数ζ为0.5，流速修正系数α₀为1.0；根据拦砂坝坝体高度为6m，确定泄流孔的最大安全埋深h为4m；根据沟道特征，确定泄流孔设计长度L_Deg的范围为10m-13m，即10m<L_Deg<13m。

第二步，将第一步中得到的参数值代入公式

计算得到泄流孔中的泥石流设计流速v的范围为4.72m/s-8.79m/s，即4.72m/s＜v＜8.79m/s。

第三步，根据第二步中得到的泄流孔中的泥石流设计流速v的范围，设定泄流孔中的泥石流设计流速v为8.0m/s，然后进行第四步。

第四步，通过公式

计算得到泄流孔设计长度的计算值L为1.34m。

第五步，将第四步中得到的泄流孔设计长度的计算值L，与第一步中得到的泄流孔设计长度L_Deg的范围进行比较；L为1.34m不满足L_Deg的范围10m-13m，则重复进行第三步，调小泄流孔中的泥石流设计流速v。

根据第二步中得到的泄流孔中的泥石流设计流速v的范围，设定泄流孔中的泥石流设计流速v为7.0m/s，然后通过公式

计算得到泄流孔设计长度的计算值L为4.44m；L为4.44m仍然不满足L_Deg的范围10m-13m，则重复进行第三步，调小泄流孔中的泥石流设计流速v。

根据第二步中得到的泄流孔中的泥石流设计流速v的范围，设定泄流孔中的泥石流设计流速v为6.0m/s，然后通过公式

计算得到泄流孔设计长度的计算值L为12.64m；L为12.64m满足L_Deg的范围10m-13m，则继续进行第六步。

第六步，考虑到最终泄流孔设计长度应大于等于5倍泄流孔直径D、同时小于等于10倍泄流孔直径D，因此最终泄流孔设计长度确定为小于等于12.0m、同时大于10m，最终的泄流孔中泥石流设计流速v为6.0m/s。

Claims (4)

1.一种泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法，其特征在于：所述泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法步骤如下：

(一)通过现场调查，根据流域内物源的粒径确定泄流孔直径D、单位m；通过大比例尺地形图测量计算或现场调查，确定泥石流运动至泄流孔进口位置流速v₀、单位m/s；根据泄流孔所用建筑材料，确定泄流孔的曼宁糙率系数n、单位s/m^1/3；根据沟道坡度条件，确定泄流孔设计坡角的正弦值sinθ；根据泄流孔进口型式，确定局部水头损失系数ζ和流速修正系数α₀；根据拦砂坝坝体高度，确定泄流孔的最大安全埋深h、单位m；

根据沟道特征，确定泄流孔设计长度L_Deg的范围、单位m；

(二)通过以下公式计算得到泄流孔中的泥石流设计流速v的范围

式中，v—泄流孔中的泥石流设计流速，单位m/s；

D—泄流孔直径，单位m，由步骤(一)确定；

sinθ—泄流孔设计坡角的正弦值，由步骤(一)确定；

n—泄流孔的曼宁糙率系数，单位s/m^1/3，由步骤(一)确定；

α₀—流速修正系数，由步骤(一)确定；

v₀—泥石流运动至泄流孔进口位置流速，单位m/s，由步骤(一)确定；

h—泄流孔的最大安全埋深，单位m，由步骤(一)确定；

g—重力加速度，取值10m/s²；

ζ—局部水头损失系数，由步骤(一)确定；

(三)根据步骤(二)中得到的泄流孔中的泥石流设计流速v的范围，设定泄流孔中的泥石流设计流速v，然后进行步骤四；

(四)通过以下公式计算得到泄流孔设计长度的计算值L

式中，L—泄流孔设计长度的计算值，单位m；

h—泄流孔的最大安全埋深，单位m，由步骤(一)确定；

g—重力加速度，取值10m/s²；

α₀—流速修正系数，由步骤(一)确定；

v₀—泥石流运动至泄流孔进口位置流速，单位m/s，由步骤(一)确定；

ζ—局部水头损失系数，由步骤(一)确定；

v—泄流孔中的泥石流设计流速，单位m/s，由步骤(三)确定；

D—泄流孔直径，单位m，由步骤(一)确定；

sinθ—泄流孔设计坡角的正弦值，由步骤(一)确定；

n—泄流孔的曼宁糙率系数，单位s/m^1/3，由步骤(一)确定；

(五)将步骤(四)中得到的泄流孔设计长度的计算值L，与步骤(一)中得到的泄流孔设计长度L_Deg的范围进行比较；如果L满足L_Deg的范围，则进行步骤(六)；如果L不满足L_Deg的范围，则进行步骤(三)，调小泄流孔中的泥石流设计流速v；

(六)最终泄流孔设计长度确定为小于步骤(四)中得到的泄流孔设计长度的计算值L，同时大于步骤(一)中得到的泄流孔设计长度L_Deg的范围下限。

2.根据权利要求1所述的泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法，其特征在于：泄流孔直径D大于等于沟道内颗粒中值粒径D₅₀的2倍。

3.根据权利要求1所述的泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法，其特征在于：泄流孔设计坡角的正弦值sinθ范围为0.05-0.20。

4.根据权利要求1所述的泥石流拦砂坝圆形泄流孔的设计方法，其特征在于：最终泄流孔设计长度大于等于5倍泄流孔直径D，同时小于等于10倍泄流孔直径D。

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