CN109183705A - 一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法 - Google Patents

一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法，包括：根据水文调查资料，明确行人可上区域泥石流沟槽的尺寸及水文地质信息；根据水文调查资料确定泥石流柔性防护系统的分段拦截数量；分别确定泥石流的冲击作用Fd、堆积体重力在拦截单元上的分量Fg以及堆积体重力在沟槽法线分量产生的摩阻力Ff，合力即为作用于泥石流柔性防护系统的荷载F；建立有限元模型，将荷载F平均分配到网片节点上，计算得到系统中各部件的内力、变形及位移；提取网片、支撑绳等各部件的峰值内力，进行强度验算；进行型钢与上下支撑绳连接、钢丝绳与锚杆之间连接等的构造设计。本申请可用于泥石流柔性防护系统的分段拦截。

Description

一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法
技术领域
本发明涉及泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法，属于地质灾害防护工程领域。
背景技术
泥石流是指松散土石体和水的混合体在重力作用下沿坡面流动的现象，广泛分布在西藏东南部、横断山区、滇西及滇东北、四川山区。根据固体物质成分的不同可分为泥流、泥石流、水石流，常用的防治措施主要包括重力坝、格栅坝、格宾石笼坝及泥石流柔性防护系统，其中泥石流柔性防护系统由于具有滤水沉渣、高效经济、施工便捷、维护性好等特点，近年来被广泛应用于偏石流或泥石流的防治。泥石流柔性防护系统通常由网片、上下支撑绳、中辅绳、侧支撑绳、耗能器、锚杆、加强绳、型钢等组成，当泥石流通过柔性防护系统时，水从泥石流中引出，石块等固体部分被拦截下来，达到滤水沉渣的效果，同时当泥石流方量较大时将会从网顶堆积爬高溢出，在下一道柔性防护系统被拦截，从而实现泥石流的分段拦截，为生命和财产安全提供可靠的保障。但目前，国内相关规范仅给出了重力坝与格栅坝的设计参考，未涉及柔性防护系统，从而导致当前关于泥石流柔性防护系统的运用仅凭经验，无相关数据支持与理论指导，从而无法有效保证泥石流防治的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法，以保证泥石流柔性防护系统的设置与配置能够有效保证泥石流防治的可靠性。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现，包括如下步骤：
一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法，包括如下步骤：
步骤一：根据水文调查资料，明确行人可上区域泥石流沟槽的长度L、断面尺寸、石块拦截的目标方量V、石块粒径d、沟槽坡角α及泥石流平均断面压力P；所述截面尺寸包括底宽a、顶宽b、高度h；
步骤二：确定泥石流柔性防护系统的分段拦截数量；
根据步骤一中泥石流沟的断面尺寸，计算泥石流柔性防护系统的拦截面积S：
设定相邻泥石流柔性防护系统之间的间距为l，假定相邻泥石流柔性防护系统之间的沟槽全部填满，则单道拦截单元的最大拦截量V0；
V0＝S×l
考虑安全系数k，则单道拦截单元的有效拦截方量V1：
V1＝V0×k
安全系数k建议取值为0.8；
拦截单元的数量n：
当n×l小于行人可上区域泥石流沟槽的长度L时，执行步骤三；否则，调整l并重新计算步骤二；
步骤三：确定作用于泥石流柔性防护系统的荷载F
F主要由泥石流的冲击作用Fd、堆积体重力在拦截单元上的分量Fg以及堆积体重力在沟槽法线分量产生的摩阻力Ff组成，偏保守考虑，忽略拦截后堆积体的孔隙率；
冲击作用Fd：
Fd＝S×P
堆积体重力在拦截单元上的分量Fg：
Fg＝V0×λ×sinα
式中：
λ：石块重度
摩擦阻力Ff：
Ff＝V0×λ×cosα×μ
式中：
μ：摩擦系数
拦截单元所受到的合力F：
F＝Fd+Fg-Ff
步骤四：建立计算模型并进行受力分析
根据步骤二中泥石流柔性防护系统的尺寸建立每道拦截网的有限元模型，其中网片由网环构成，网环采用梁单元进行模拟，每个网环被均分为若干个单元，单元之间通过节点相连，网环与网环间采用套结方式，保证其相互间的接触、滑移；网环与加强绳、上支撑绳、侧支撑绳、下支撑绳、中辅绳之间采用引导滑移边界进行模拟，保证网环受力时可沿绳滑移，将步骤三中得到的合力F在一定时间内平均分配到网片的节点上，得到结构中各部件的内力、变形及位移的时程变化，并确定其峰值；
步骤五：进行泥石流柔性防护系统的内力验算
提取各部件的峰值内力，进行加强绳、上支撑绳、侧支撑绳、下支撑绳、中辅绳、网片强度验算；当构件强度不能满足承载力要求时，可结合实际调整泥石流柔性防护系统的配置或调整步骤二中相邻泥石流柔性防护系统之间的间距l，必要时可考虑设置效能器；
步骤六：进行泥石流柔性防护系统的构造设计。
进一步地，所述一定时间为1.5s。
进一步地，所述结合实际进行调整泥石流柔性防护系统的配置包括调整泥石流柔性防护系统各部件的尺寸、材质及型号。
进一步地，步骤六中，所述进行泥石流柔性防护系统的构造设计主要包括设计锚杆与加强绳、上支撑绳、侧支撑绳、下支撑绳和中辅绳之间的连接方式。
进一步地，每个拦截网的结构包括：锚杆、加强绳、上支撑绳、侧支撑绳、下支撑绳、中辅绳，网片，耗能器、混凝土墩，混凝土墩设置在泥石流沟两侧，锚杆固定在混凝土墩上，侧支撑绳连接各个锚杆顶部，下支撑绳连接位于底部两侧的两个锚杆，中辅绳对应连接中部的两侧锚杆，加强绳根据需要连接锚杆顶端与连接绳，网片穿挂在加强绳、上支撑绳、侧支撑绳、下支撑绳和中辅绳上，加强绳、上支撑绳、侧支撑绳、下支撑绳和中辅绳上设置耗能器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明首次提出了泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法，明确了泥石流柔性防护系统分段拦截的设计流程，使得该类结构的设计有据可依，是对现有技术的极大补充和完善。
(2)明确了作用于泥石流柔性防护系统荷载的计算方法。
(3)基于有限元计算方法，明确了建立设计计算模型的基本原则，使其更具备可操作性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法所采用的泥石流防护网的正视图；
图2为本申请实施例用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法所采用的典型泥石流防护网的俯视图；
图3为本申请实施例用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法所采用的泥石流沟断面图；
图4为本申请实施例用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法所采用的泥石流防护网在泥石流沟的布置图(俯视)；
图5为本申请实施例用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法所采用的在泥石流沟的布置图(侧视)；
图6为本申请实施例用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法所采用的泥石流防护网有限元模型；
图7为本申请实施例用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法所采用的泥石流防护网有限元模型的变形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1-2和图6-7，本申请的用于泥石流柔性防护系统中单个拦截网的结构包括：锚杆1、加强绳2、上支撑绳4、侧支撑绳5、下支撑绳6、中辅绳7，网片3，耗能器8、混凝土墩10，混凝土墩10设置在泥石流沟9两侧，锚杆1固定在混凝土墩10上，侧支撑绳5连接各个锚杆1顶部，下支撑绳6连接位于底部两侧的两个锚杆1，中辅绳7对应连接中部的两侧锚杆1，加强绳2根据需要连接锚杆1顶端与连接绳，网片3穿挂在加强绳2、上支撑绳4、侧支撑绳5、下支撑绳6和中辅绳7上，加强绳2、上支撑绳4、侧支撑绳5、下支撑绳6和中辅绳7上设置耗能器8。
下面结合某泥石流灾害点，具体说明本发明一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法的具体过程，如下：
(1)根据水文地质调查资料，获得该处泥石流沟的防护目标为拦截V＝5000-6000m3石头；泥石流沟最宽5-6m，最窄2-3m，最深5-6m，最浅2-3m；离沟底0-500m区域为行人可上区域，即L＝500m，泥石流平均断面压力P＝46.5kN/m2，沟槽的坡角α＝23°，摩擦系数μ＝0.3。
(2)基于将泥石流防护网布置在沟宽、沟深、沟缓的原则，参见图3，可确定拦截截面按底宽a＝4m，顶宽b＝6m，高h＝4m进行设计，拦截面积为S：
参见图4和图5，设定泥石流防护网11布置间距l＝25m，则单道拦截单元的最大拦截量V0；
V0＝20×25＝500m3
考虑安全系数k＝0.8，则单道拦截单元的有效拦截方量V1：
V1＝V0×k＝500×0.8＝400m3
取V＝6000m3进行设计，则拦截单元的数量n：
n×l＝15×25＝375m＜L＝500m满足；
(3)冲击作用Fd：
Fd＝S×P＝20×46.5＝930kN
堆积体重力在拦截单元上的分量Fg：
Fg＝V0×λ×sinα＝500×24.5×sin23°＝4786kN
摩擦阻力Ff：
Ff＝V0×λ×cosα×μ＝500×24.5×cos23°×0.3＝3383kN
拦截单元所受到的合力F：
F＝Fd+Fg-Ff＝930+4786.4-3383＝2333kN
(4)受力分析，确定泥石流防护网配置。
在本申请的实施例中，采用Auto CAD建立该泥石流防护网的几何模型，然后采用网格划分软件FEMAP进行单元划分，随后将网格模型导入LS-PrePost进行材料、截面、边界等的设置以及荷载的施加，从而完成该泥石流防护网有限元模型的建立，采用通用有限元软件LS-DYNA对其进行计算分析。其中，网片的网环采用梁单元进行模拟，每个网环被均分为16个单元，网环与网环间采用套结，通过接触算法使得网环间实现力的传递与接触滑移；钢丝绳采用索单元进行模拟；钢丝绳与网环之间采用引导滑移接触方式。将F＝2333kN在1.5s内以平均分配到网片的节点上，记录和分析结构中各部件的内力、变形及位移的时程变化，并确定其峰值。
有限元计算软件的种类不限于以上的具体实施方式，本领域技术人员可根据需要进行选取。
(5)根据计算内力，取合适的安全系数，确定泥石流防护网构件配置。(本实例未配置耗能器)
提取各部件的峰值内力，进行网环、支撑绳、中辅绳、加强绳等的强度验算。
(6)进行泥石流柔性防护系统的构造设计。
进行锚杆的型钢与上下支撑绳连接、钢丝绳与锚杆之间连接等的构造设计。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据水文调查资料，明确行人可上区域泥石流沟槽的长度L、断面尺寸、石块拦截的目标方量V、石块粒径d、沟槽坡角α及泥石流平均断面压力P；所述截面尺寸包括底宽a、顶宽b、高度h；
步骤二：确定泥石流柔性防护系统的分段拦截数量；
根据步骤一中泥石流沟的断面尺寸，计算泥石流柔性防护系统的拦截面积S：
设定相邻泥石流柔性防护系统之间的间距为l，假定相邻泥石流柔性防护系统之间的沟槽全部填满，则单道拦截单元的最大拦截量V0；
V0＝S×l
考虑安全系数k，则单道拦截单元的有效拦截方量V1：
V1＝V0×k
安全系数k建议取值为0.8；
拦截单元的数量n：
当n×l小于行人可上区域泥石流沟槽的长度L时，执行步骤三；否则，调整l并重新执行步骤二；
步骤三：确定作用于泥石流柔性防护系统的荷载F
F主要由泥石流的冲击作用Fd、堆积体重力在拦截单元上的分量Fg以及堆积体重力在沟槽法线分量产生的摩阻力Ff组成，偏保守考虑，忽略拦截后堆积体的孔隙率；
冲击作用Fd：
Fd＝S×P
堆积体重力在拦截单元上的分量Fg：
Fg＝V0×λ×sinα
式中：
λ：石块重度
摩擦阻力Ff：
Ff＝V0×λ×cosα×μ
式中：
μ：摩擦系数
拦截单元所受到的合力F：
F＝Fd+Fg-Ff
步骤四：建立计算模型并进行受力分析
根据步骤二中泥石流柔性防护系统的尺寸建立每道拦截网的有限元模型，其中网片(3)由网环构成，网环采用梁单元进行模拟，每个网环被均分为若干个单元，单元之间通过节点相连，网环与网环间采用套结方式，保证其相互间的接触、滑移；网环与加强绳(2)、上支撑绳(4)、侧支撑绳(5)、下支撑绳(6)、中辅绳(7)之间采用引导滑移边界进行模拟，保证网环受力时可沿绳滑移，将步骤三中得到的合力F在一定时间内平均分配到网片的节点上，得到结构中各部件的内力、变形及位移的时程变化，并确定其峰值；
步骤五：进行泥石流柔性防护系统的内力验算
提取各部件的峰值内力，进行加强绳(2)、上支撑绳(4)、侧支撑绳(5)、下支撑绳(6)、中辅绳(7)、网片(3)强度验算；当构件强度不能满足承载力要求时，可结合实际调整泥石流柔性防护系统的配置或调整步骤二中相邻泥石流柔性防护系统之间的间距l，必要时可考虑设置效能器(8)；
步骤六：进行泥石流柔性防护系统的构造设计。
2.根据权利要求1所述的一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法，其特征在于：所述一定时间为1.5s。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法，其特征在于：所述结合实际进行调整泥石流柔性防护系统的配置包括调整泥石流柔性防护系统各部件的尺寸、材质及型号。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法，其特征在于：步骤六中，所述进行泥石流柔性防护系统的构造设计主要包括设计锚杆(1)与加强绳(2)、上支撑绳(4)、侧支撑绳(5)、下支撑绳(6)和中辅绳(7)之间的连接方式。
5.根据权利要求1所述的一种用于泥石流柔性防护系统分段拦截的设计方法，其特征在于：每个拦截网的结构包括：锚杆(1)、加强绳(2)、上支撑绳(4)、侧支撑绳(5)、下支撑绳(6)、中辅绳(7)，网片(3)，耗能器(8)、混凝土墩(10)，混凝土墩(10)设置在泥石流沟(9)两侧，锚杆(1)固定在混凝土墩(10)上，侧支撑绳(5)连接各个锚杆(1)顶部，下支撑绳(6)连接位于底部两侧的两个锚杆(1)，中辅绳(7)对应连接中部的两侧锚杆(1)，加强绳(2)根据需要连接锚杆(1)顶端与连接绳，网片(3)穿挂在加强绳(2)、上支撑绳(4)、侧支撑绳(5)、下支撑绳(6)和中辅绳(7)上，加强绳(2)、上支撑绳(4)、侧支撑绳(5)、下支撑绳(6)和中辅绳(7)上设置耗能器(8)。
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