CN110309600B - 一种基于物质与能量调控目标的开口型拦砂坝群设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物质与能量调控目标的开口型拦砂坝群设计方法，属于泥石流防治技术领域。包括以下步骤：1)获取流域资料；2)拦砂坝选型；3)拦砂坝选址；4)组成拦砂坝群的拦砂坝数量n的确定，n≥3；5)泥石流基本特征参数获取；6)目标调控量计算；7)拦砂坝开口宽度b的确定；8)拦砂坝开口密度、坝高、坝宽、坝前坝后坡降等参数的确定。采用本发明所方法，可计算得出最优的拦砂坝级数、开口宽度和开口密度，为梯级开口型拦砂坝群的设计提供了科学、准确的设计依据，可广泛应用于梯级开口型拦砂坝群的设计和建设工程中。

Description

一种基于物质与能量调控目标的开口型拦砂坝群设计方法

技术领域

本发明涉及一种拦砂坝群设计方法，具体涉及一种基于物质与能量调控目标的开口型拦砂坝群设计方法，属于泥石流防治技术领域。

背景技术

泥石流产生危害的方式主要表现在对下游建构筑物、农田、水利和交通设施等的淤埋、冲击、堵塞等方式。泥石流减灾工程是减轻泥石流灾害最直接的手段之一。我国从20世纪50年代起开始了泥石流防治工作，发展至今已形成了以“稳、拦、排”为主的泥石流流域综合治理体系。其中，横跨泥石流流域中上游沟道中的拦挡坝是该治理体系的骨干工程，对泥石流防治效果有重要影响。目前，泥石流拦砂坝从结构形式上分可以分为实体重力坝、各种开口型拦砂坝。其中，实体重力坝发挥全拦全挡的作用，依靠坝前库容淤积泥沙水体，当库容於满后就失去了拦挡功能，但减缓了沟道局部比降，起到一定的固床护坡作用。开口型拦砂坝具有拦粗排细、减小峰值流量、延缓泥石流到达时间、减小泥沙排出量等作用，已成为泥石流防治工程中最主要的拦砂坝类型，且实际工程中，往往是由多个开口型拦砂坝组成拦砂坝群对泥石流进行防治。

然而，关于梯级拦砂坝群的设计，目前多根据工程经验来布置梯级拦砂坝系统，且多采用单一的拦砂坝种类，具体细部参数设置几乎一模一样没有变化，关于如何科学布置梯级拦砂坝系统相关的理论研究很少。现有技术中有针对汶川地震灾区泥石流规模大、易堵塞主河形成堰塞湖的特点提出了基于主河输移能力的泥石流防治规划设计原理，即综合考虑布置拦挡工程、排导工程及停淤工程以泥石流洪峰流量作为主要规划设计参数，根据泥石流堵塞主河的条件来确定主河输移的输移能力，据此确定排导槽最终排泄的峰值流量。同时，针对大规模泥石流携带大量巨石的情况，有学者提出了利用不同开口的拦砂坝群分级拦淤泥沙的方法，以实现水石分离，减小泥石流中大块石的冲击力，并同时拦截一定量的泥沙，将拦砂坝的拦排功能发挥到最大。然而，这些方法还均处于理念阶段，并没有给出可行的设计步骤和科学的计算方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是泥石流防治工程设计中梯级开口型拦砂坝群的方案设计理论方法缺失、经验设计不合理等，提出一种基于物质与能量调控为目标的开口型梯级拦砂坝群的设计方法，使得拦砂坝群的设计参数可以有科学合理的依据，通过本方法可以科学有效地确定拦砂坝开口宽度、开口密度，科学合理地布置多个拦砂坝形成开口型拦砂坝群，对泥石流进行阻流减速，更有效地减轻泥石流的危害，使拦砂坝的拦排功能得以优化发挥。

为实现本发明所述目的，本发明提出的一种基于物质与能量调控为目标的开口型拦砂坝群的设计方法，包括以下步骤：

1)获取流域资料

本步骤获取的资料内容包括泥石流沟地形地貌参数如流域面积、流域区段的划分及各区段具体的长度、比降等；泥石流物源量与动储量、固体物质颗粒级配、大块石等效直径；下游需保护的已知建构筑物资料，包括材料、类型、结构形式与极限强度等；拟采取的施工方式、施工材料等泥石流所在区域的常规资料。获取流域资料为本领域常规操作，可参考《泥石流灾害防治勘查规范》(DZ/T 0220-2006)。

泥石流固体物质颗粒级配资料主要包括：界限粒径、大于该界限粒径的固体物质颗粒的累积百分比值f_c，确定方法如下：首先通过现场调查，获得泥石流沟完整的颗粒级配分布资料，界限粒径确定如下：对于粒径d<60mm的粒径，根据《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)筛分实验标准粒径(60、40、20、10、5、2mm等)来确定界限粒径；对于60<d<800mm的粒径，参照《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10093-2017)对土的颗粒分类标准；粒径d>800mm的大块石，可按整数分，如1000、2000、3000mm来确定界限粒径；确定好界限粒径后，根据调查资料与试验数据来计算f_c值，可将结果制成如表1所示的固体物质颗粒累积颗粒级配资料样表，便于设计时使用，其中f_ci是指界限粒径为d_i所对应的f_c。

表1固体物质颗粒累积颗粒级配曲线样表

注：p₁为大于d₁的粒径段的量占总物质量的百分比，p_n+1为小于d_n的物质量占总物质量的百分比

2)拦砂坝选型

在泥石流沟流通区上游布置形式简单、易于修建、开口较宽的拦砂坝，如桩林等；在泥石流沟流通区中游采用拦淤库容较大的主体拦砂坝，如常见的切口坝、缝隙坝、梳子坝、格栅坝等；在泥石流流通区下游采用易于清淤、开口较小的拦砂坝，如柔性格网、水平格栅坝、鱼脊型水石分离结构及类似结构等。本发明的梯级拦砂坝型选择理念为以排为主、以拦为辅、便于施工、便于维护。

3)拦砂坝选址

根据本领域常识选址，通常设在弯道的下游侧面，避开泥石流直冲方向，以充分发挥弯道的消能作用。

4)组成拦砂坝群的拦砂坝数量n的确定

首先，根据初步选定的拦砂坝型以及可以拟建拦砂坝的场址，初步确定所需的拦砂坝数量n，n≥3；然后，通过下述步骤中的物质调控目标验算来对n值进行调整，最终确定最优的拦砂坝数量。

5)泥石流基本特征参数获取

根据《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)，计算不同场址断面处泥石流基本特征参数设计值(初始值)，主要包括不同设计频率下泥石流初始容重γ_c0、泥石流流量Q_c0、泥石流流速v_c0、一次冲出泥石流总量W_c0、一次冲出泥石流固体物质总量W_s0、泥深h等资料。

6)目标调控量计算

①拦砂坝群目标调控泥沙总量W_sd

从物质调控效果而言，通过开口的设置，可将一部分固体颗粒分离出来，其余的固体颗粒和液体通过空隙排泄到下游。在这样的作用下，排泄流体中的固体颗粒平均粒径将变小、固体物质总量也将减少，从而使得排泄的流体与排泄前的流体相比物理力学性质都发生变化，如流体流量、泥沙浓度、容重、含沙量等将降低，最终达到减小流量、使泥石流变性的目的。

因此，本发明选取反应泥石流性质的泥石流容重γ_c作为反映拦砂坝对泥石流物质调控效果的代表性指标。

调控后的目标泥石流容重γ_cd取值范围按含沙水流的容重范围来取值，本发明中根据经验取值为1.45～1.5t/m³。

泥石流容重γ_c与泥石流泥沙体积浓度C_v之间满足关系：γ_c＝γ_w+C_v·(γ_s-γ_w)，其中γ_w、γ_s分别为水的容重与砂石固体颗粒容重，一般可取γ_w＝1.0t/m³，γ_s＝2.65～2.75g/cm³；C_v的定义式为：

其中，V_s、V_c分别为泥石流中砂石固体物质体积与泥石流体体积；又C_v与泥沙拦截率P_t之间满足关系：

其中，下标a和b分别代表结构调控后和调控前相应的量，其余指标同前；P_t为泥沙拦截率，其定义式为

(m、M分别为被拦截的砂石固体物质量与结构调控前泥石流中砂石固体物质总量)。

则调控后的目标泥沙拦截率P_td与泥石流容重间的关系如公式(1)所示，P_td也即设计的泥沙拦截率P_t，目标调控泥沙总量W_sd如公式(2)所示：

W_sd＝P_td·W_s0 (2)

公式(1)中：γ_ca、γ_cb即分别为拦砂坝群调控后与调控前的泥石流容重，t/m³，计算时可取γ_ca＝γ_cd，γ_cb＝γ_c0，γ_cd为调控后的目标泥石流容重，单位：t/m³，为本领域的经验取值，本发明中优选取值范围为：1.45～1.5t/m³，并进一步优选调控后的目标泥石流容重为γ_cd＝1.5t/m³；γ_c0为泥石流初始容重，由第5)步获得；γ_w、γ_s分别为水的容重与砂石固体颗粒容重，一般认为是常数，取γ_w＝1.0t/m³，γ_s＝2.65～2.75t/m³；

公式(2)中：W_s0为一次冲出泥石流固体物质总量，单位：m³。

②单个拦砂坝调控目标W_si

本发明设计要求坝群中的拦砂坝数量至少为3个，因此每个坝的物质调控能力不超过总调控需求的1/3，即W_si满足以下条件：

公式(3)中，W_sd为拦砂坝群目标调控泥沙总量，单位：m³；W_si为每个拦砂坝的目标泥沙调控量，单位：m³。

7)拦砂坝开口宽度b的确定

①分布原则：梯级拦砂坝群中的拦砂坝从上游至下游，其开口宽度逐渐减小，以实现拦粗排细的功能；

②最后一级开口宽度b_n取值：在固体颗粒级配资料中选择满足f_c≥P_td，且与P_td值最接近的f_c值所对应的那一界限粒径值d作为最后一级拦砂坝结构的开口宽度b_n；

③其他结构开口宽度b_i取值：依次选择大于b_n的其他界限粒径作为各级开口宽度b_i初步设计值，在初步设计时，b_i初步设计值可在大于b_n的其他界限粒径d_i中任意选择；

④物质调控验算：根据每级拦砂坝初步设计开口宽度b_i以及固体物质颗粒级配资料，根据公式(4)计算每级拦砂坝在一场泥石流过程中的设计拦截固体物质最小量W_{si min}：

W_{si min}＝(f_ci-f_c(i-1))W_s0 (4)

公式(4)中，f_c(i-1)、f_ci分别为步骤1)中固体物质颗粒级配资料中大于第i-1级结构与第i级结构设计开口宽度值b_(i-1)与b_i所对应的界限粒径的累积百分比，其中从上游到下游结构级数分别为1、2、3…、n；W_s0为一次冲出泥石流固体物质总量，m³。

若W_simin>W_si，则需改变b_i值或通过增加拦砂坝数量n的方式来调整，并继续根据步骤7)所述W_simin的计算方法进行计算，直至满足W_simin<W_si要求，即得到最终满足设计要求的各级拦砂坝开口宽度b_i和拦砂坝数量n。

8)其他参数的确定

其他参数如拦砂坝开口密度、坝高、坝宽、坝前坝后坡降等参数均可参考已有《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)相关方法进行确定；

拦砂坝的稳定性验算包括抗滑移验算、抗倾覆验算等参考已有《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)相关方法进行确定。

进一步地，本发明对拦砂坝开口密度的确定进行了改进，所述改进的拦砂坝开口密度∑b/B的确定方法为：

首先，首先根据经验设定每级拦砂坝结构的开口密度设计初始值(∑b/B)_i，其经验取值范围为：0.2≤∑b/B≤0.6；开口密度中的B为开口设置的范围，对于沿横向设置开口的拦砂坝，可取B等于沟道宽度或溢流口宽度；对于沿纵向设置开口的拦砂坝，可取B等于坝体纵向长度。

然后，计算每级拦砂坝开口间间隙宽度b′_i：将每级拦砂坝开口间隙看作等效的梁或柱体，根据公式(5)计算得出每级结构的开口间间隙宽度b′_i：

公式(5)中，b_i为每级拦砂坝的开口宽度，由步骤7)经过验算后确定；(∑b/B)_i为每级拦砂坝开口密度初始值。

最后，根据上述计算得到的开口间间隙宽度b′，也即等效梁或柱体的宽度，进行等效梁、柱体构件的能量调控验算，若验算符合要求，则开口密度设置合理，否则调整开口密度∑b/B取值直至满足能量调控验算要求。

所述能量调控验算的具体方法为：

(1)能量调控验算指标选取依据

据调查，拦砂坝的破坏中，由于冲击力作用造成的坝体破坏占比最大。因此，在拦砂坝设计过程中需考虑结构本身在泥石流冲击力作用下不被破坏。同时，冲击力也是泥石流能量的主要表现形式，因此，采用冲击力指标可以反映拦砂坝对泥石流的能量调控效果。

开口型拦砂坝因坝身具有大量开口，开口之间间隙多可看成柱体或梁式构件，其在泥石流冲击力作用下是受力薄弱部位。因此，可以通过验算开口之间的等效柱体或梁式构件的抗冲击破坏能力，从而达到能量调控验算的目的，所以能量调控验算也是对构件进行抗冲击破坏验算。

(2)计算泥石流冲击力

泥石流冲击力分为整体冲压力p_d与大块石冲击力F_c，按公式(6)-(8)进行计算：

p_d＝λγ_cv_c ²sinθ (6)

式(7)为简支梁大块石冲击力计算公式，式(8)为悬臂梁大块石冲击力计算公式，式中，θ为流体运动方向与障碍物朝向之间的夹角(°)；λ为建筑物形状系数，圆形λ＝1，矩形λ＝1.33，方形λ＝1.47；v_s为大块石运动速度(m/s)，v_c为泥石流运动速度(m/s)，可取v_s＝v_c；E为结构材料的弹性模量(N/mm²)，J为截面构件的惯性矩(m⁴)，L为柱体的高度或梁的长度(m)，m_g为大块石质量(kg)，γ_c为泥石流容重(t/m³)，g为重力加速度，取9.8m/s²。本发明中，按照公式(6)-(8)进行计算时，式中参数v_s、v_c、γ_c均为泥石流初始特征参数，为前述步骤(5)所获得的初始值v_c0、γ_c0。

为简化计算，假定泥石流整体冲压力沿深度方向均匀分布。m_g为大块石的质量，若将大块石看作等效球体，则大块石质量m可用等效直径d_g表示：

公式(9)中：d_g为大块石等效直径(cm或m)，ρ_s为大块石密度(g/cm³或kg/m³)，一般可取2.65～2.75g/cm³。

(3)计算等效结构体在泥石流冲击荷载作用下的最大弯矩M_max与最大剪力T_max

如前所述，开口型拦砂坝因坝身具有大量开口，开口之间间隙多可看成等效柱体或梁式构件。无论是等效柱体或梁式构件，在受力分析时根据其所受约束可简化为简支梁或悬臂梁构件，对其进行弹性受力分析。

简支梁构件受泥石流冲击后其最大弯矩M_max与最大剪力T_max可分别按公式(10)、(11)计算：

悬臂梁构件受泥石流冲击后其最大弯矩M_max与最大剪力T_max可分别按公式(12)、(13)计算：

T_max＝F_c+p_db'h (13)

式中：h为泥石流泥深(m)。上述公式推导中固体颗粒冲击力的作用点位于流体泥深的1/2处。

(4)判断M_max≤M_u以及T_max≤T_u是否成立，其中：M_u与T_u为构件的极限弯矩与剪力，仅与材料的截面形状与尺寸有关，M_u与T_u的计算方法根据材料不同可参见《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)、《钢结构设计规范》(GB50017-2017)等。若成立，则验算合格；若不成立，则调整开口密度取值，再重复上述验算步骤进行验算直至满足抗冲击破坏验算要求。

关于能量调控验算中最大弯矩M_max与最大剪力T_max的计算方法，除上述方法外，还可采用弹塑性分析和塑性分析方法，具体计算方法可参见《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)、《钢结构设计规范》(GB50017-2017)。

本发明所述方法完善了现有泥石流防治工程设计中开口型拦砂坝关键参数，如开口宽度与开口密度，以及拦砂坝级数。通过本发明所的方法，可计算得出最优的拦砂坝级数、开口宽度和开口密度，为梯级开口型拦砂坝群的设计提供了科学、准确的设计依据，可广泛应用于梯级开口型拦砂坝群的设计和建设工程中。

附图说明

图1梯级开口型拦砂坝群设计流程图。

具体实施方式

实施例一

1、获取流域资料

1)地形地貌参数

本实施例选取小岗剑泥石流流域，流域面积为1.36km²，主沟长度为2.59km，总体平均沟床纵坡比降412‰，沟坡坡度为30～70°，沟道形态呈“V”型，平均宽度3～5m。

2)物源条件

据调查，沟域内共有松散固体物源量334.3×10⁴m³，可能参与泥石流活动的动储量为156.8×10⁴m³，最大块石等效粒径为1.2m。根据实地调查获得的数据和参照相关规范实验方法(《泥石流灾害防治勘查规范》(DZ/T 0220-2006)、《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)、《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10093-2017))得到固体物质颗粒全级配资料如表2所示。

表2泥石流物源固体颗粒全级配资料

3)水源条件

气候温和，降水充沛，尤其是在夏季时暴雨较多，常有洪涝。多年平均降水量为1086.4mm，夏季(6～8月)的雨量占全年总雨量的59.6％，可形成典型的暴雨型泥石流。

4)建构筑物资料

下游为河流，无需要保护的建构筑物。

2、拦砂坝选型、选址和数量n的确定

根据上述基本资料，拟在沟道中修建3座开口型拦砂坝，n＝3。其中，上游1排桩林、中游1座切口坝、下游1座柔性格网。

3、泥石流基本特征参数

根据《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)，结合野外调查综合确定泥石流暴发频率P＝1％时泥石流容重为2.05t/m³，P＝2％时泥石流容重为2.00t/m³，P＝5％时泥石流容重为1.90t/m³。根据《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)，计算得出不同拦砂坝拟建断面处的泥石流基本特征参数如表3所示。

表3拟建3级拦砂坝断面泥石流基本特征参数

4、调控目标

本案例按P＝2％设计，P＝2％校核。根据表3中的初始泥石流容重γ_c0和一次冲出泥石流固体物质总量W_so，调控后的目标泥石流容重取γ_cd＝1.5g/cm³，带入公式(1)-(3)，计算得到拦砂坝群目标泥沙拦截率P_td、拦砂坝群目标调控泥沙总量W_sd与每级拦砂坝目标泥沙调控量W_si，如表4所示。

表4基于物质调控的拦砂坝群调控总目标W_sd与单个结构调控目标W_si

5、拦砂坝开口宽度的确定

根据拦砂坝开口宽度设置原则及表2中获得的固体物质颗粒级配资料，界限粒径10mm对应的f_c＝72.7％为最接近P_td＝71.7％的界限粒径，且满足f_c≥P_td，故以10mm作为最后一级拦砂坝的开口宽度；然后依次往上初步确定各级拦砂坝的设计开口宽度和大于相应界限粒径的累积百分比f_c，并根据公式(4)计算得出每级设计拦截固体物质最小量W_simin，如表5所示。

表5基于物质调控的各级拦砂坝开口宽度的确定

由表5数据可以看出，第3级结构的设计拦截固体物质最小量W_simin与该级拦砂坝的目标泥沙调控量W_si不满足W_simin<W_si，因此需对开口宽度取值或拦砂坝数量进行调整。

调整方案一：保持拦砂坝数量不变，仅通过改变开口宽度取值来调整。最后一级开口宽度保持不变，仅需要调整前两级拦砂坝的开口宽度。由于前述第三级拦砂坝的设计拦截固体物质最小量远远高于调控目标量W_si，表明前两级拦砂坝拦截的固体物质量较少，因此应将前两级拦砂坝的开口宽度调节更小，调整后的开口宽度取值及相应的物质调控量如表6所示。

表6调整方案一：各级拦砂坝开口宽度的确定

由表6可以看出，经验算，第2级结构的W_simin>W_si，依然不满足要求。经验算，仅通过改变开口宽度取值而不改变拦砂坝级数均很难满足设计要求。所以不采用调整方案一，考虑采用增加拦砂坝数量的方案进行调整。

调整方案二：在表5的基础上，增加拦砂坝数量n＝4，在中游原有切口坝下游再增加1座切口坝。则拟建拦砂坝场址断面的泥石流基本特征参数如表7所示，表7中基本特征参数的获得方法与本实施例第3步中的方法一致，调控目标不变。

表7调整方案二：拟建拦砂坝断面泥石流基本特征参数

根据拦砂坝开口宽度设置原则及表2中获得的固体物质颗粒级配资料，分别设置每级拦砂坝的开口宽度并计算出每级实际拦截砂石固体物质最小量W_simin如表8所示。

表8调整方案二的各级拦砂坝开口宽度

由表8数据可以看出，每级结构的物质调控均满足W_simin<W_si，因此，经方案二调整后的拦砂坝级数n＝4和相应的4级开口宽度值取值满足设计要求。

6、拦砂坝开口密度的确定

根据表8中确定的拦砂坝级数、拦砂坝类型和开口宽度取值，根据经验对每级拦砂坝的开口密度预设初值，初值取值范围为0.2≤∑b/B≤0.6；根据公式(5)得到每级结构的开口间等效柱体宽度即开口间间隙宽度b′值见表9。

表9开口密度与开口间间隙的取值

根据上述开口密度及开口间间隙宽度，前3级拦砂坝拟采用钢筋混凝土结构，开口间柱体均简化为方形柱体，采用C30混凝土，在《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)里直接查表得到：其抗压强度标准值f_ck＝20.1N/mm²，抗拉强度标准值f_tk＝2.01N/mm²，受力筋采用Φ14的HRB335的钢筋，抗拉强度标准值为455MPa，箍筋采用直径为8mm的HPB300普通钢筋，抗拉强度标准值为420MPa，箍筋平均间距150mm。4-柔性格网采用标准化产品。本实施例仅对前三级结构进行验算，对于标准化产品不用验算。

根据结构特征，前三级结构的开口间柱体均可看作悬臂梁，悬臂梁构件受冲击作用下最大弯矩M_max和最大剪力T_max根据公式(12)-(13)计算得出，极限弯矩M_u与极限剪力T_u根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)中的方法计算得出，见表10。

表10前三级结构抗冲击验算相关参数表

注：计算所需的其他参数一致，E＝30000MPa，ρ_s＝2.65g/cm³，ρ_c＝2.0g/cm³，L＝3m；表中的d_g为大块石的等效粒径，其中，d_g1取最大块石粒径，由步骤1)中流域调查资料给出；往后各级d_gi＝b_(i-1)，i＝2,3,…，n；v_co、h均来自表7。

根据表10数据可知，上述尺寸及材料参数下，第2级结构与第3级结构等效柱体的最大弯矩均大于结构的极限弯矩，即M_max≥M_u，且第3级结构T_max>T_u，抗冲击验算不符合要求，需调整开口间隙b′的取值。

调整方案：通过改变开口密度取值，从而得到新的开口间间隙宽度b′的取值，调整后的开口密度和开口间间隙宽度取值见表11。

表11调整后的开口密度与开口间间隙的取值

保持结构形式、材料及其他尺寸参数不变，根据公式(12)-(13)计算调整后的开口间等效悬臂柱体在冲击作用下最大弯矩M_max和最大剪力T_max，极限弯矩M_u与极限剪力T_u根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)中的方法计算得出，结果见表12。

表12调整后的前三级结构抗冲击验算相关参数表

注：计算所需的其他参数一致，E＝30000MPa，ρ_s＝2.65g/cm³，ρ_c＝2.0g/cm³，L＝3m；表中的d_g为大块石的等效粒径，其中，d_g1取最大块石粒径，由步骤1)中流域调查资料给出；往后各级d_gi＝b_(i-1)，i＝2,3,…，n；v_co、h均来自表7。

由表12可以看出，调整后的开口间等效柱体抗冲击验算均符合要求，即可认为调整后的开口密度取值满足能量调控验算要求，符合设计要求。

Claims (6)

1.一种基于物质与能量调控目标的开口型拦砂坝群设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取流域资料：包括获得固体物质颗粒级配资料：界限粒径和大于该界限粒径的固体物质颗粒的累积百分比值f_c；

2)拦砂坝选型；

3)拦砂坝选址；

4)组成拦砂坝群的拦砂坝数量n的确定：n≥3；

5)获取泥石流基本特征参数，包括泥石流初始容重γ_c0、一次冲出泥石流固体物质总量W_s0、泥石流流速v_c0、泥深h；

6)目标调控量计算：

根据公式(1)计算需调控的目标泥沙拦截率P_td，根据公式(2)计算需调控的泥沙固体物总量，即拦砂坝群目标调控泥沙总量W_sd：

W_sd＝P_td·W_s0 (2)

公式(1)中：γ_c0为泥石流初始容重，单位：t/m³；γ_w、γ_s分别为水的容重与砂石固体颗粒容重，γ_w＝1.0t/m³，γ_s＝2.65～2.75t/m³；γ_cd为调控后的目标泥石流容重，单位：t/m³，为经验取值；

公式(2)中：W_s0为一次冲出泥石流固体物质总量，单位：m³；

设计每座坝的泥沙调控能力小于等于总调控需求的1/3，即W_si满足以下条件：

公式(3)中：W_si为每级拦砂坝的目标泥沙调控量，单位：m³；

7)各级拦砂坝开口宽度b的确定：

拦砂坝群中的拦砂坝从上游至下游，每级开口宽度逐渐减小；根据步骤1)获得的流域资料中的固体物质颗粒级配资料，选择满足f_c≥P_td时，与P_td值最接近的f_c值所对应的界限粒径值作为最后一级拦砂坝结构的开口宽度b_n；然后依次选择级配资料中大于b_n的界限粒径作为各级开口宽度b_i初步设计值；按公式(4)计算每个拦砂坝在一场泥石流过程中的设计拦截固体物质最小量W_simin：

W_simin＝(f_ci-f_c(i-1))W_s0 (4)

公式(4)中，f_c(i-1)为颗粒级配曲线上固体物质颗粒粒径大于第i-1级结构设计开口宽度值b_(i-1)所对应的界限粒径的固体物质颗粒累积百分比，其中，i＝1、2、3…、n；f_ci为颗粒级配曲线上固体物质颗粒粒径大于第i级结构设计开口宽度值b_i所对应的界限粒径的固体物质颗粒累积百分比，其中，i＝1、2、3…、n；

若W_simin≥W_si，改变b_i值或改变拦砂坝数量n进行调整，直至满足W_simin<W_si；

8)其它参数确定。

2.根据权利要求1所述的一种基于物质与能量调控目标的开口型拦砂坝群设计方法，其特征在于，所述步骤8)包括各级拦砂坝开口密度∑b/B的确定：

通过预设开口密度∑b/B值，根据公式(5)计算开口间间隙宽度b′：

公式(5)中，∑b/B为拦砂坝开口密度，为经验取值；

根据公式(5)计算出开口间间隙宽度b′后，根据拦砂坝类型，将开口间间隙看作等效柱体或梁式构件，进行构件的能量调控验算，若验算符合要求，则开口密度预设值设置合理，否则调整开口密度预设值直至满足构件能量调控验算要求。

3.根据权利要求2所述的一种基于物质与能量调控目标的开口型拦砂坝群设计方法，其特征在于，所述能量调控验算步骤为：

A.选择冲击力指标作为能量调控验算指标，开口之间间隙可看成等效柱体或梁式构件，将等效柱体或梁式构件简化为简支梁或悬臂梁；

B.计算泥石流冲击力：

按公式(6)-(8)计算泥石流的整体冲压力p_d与大块石冲击力F_c：

p_d＝λγ_cv_c ²sinθ (6)

F_c＝(48EJv_s ²m_g/gL³)^1/2 (7)

F_c＝(3EJv_s ²m_g/gL³)^1/2 (8)

式(7)为简支梁大块石冲击力计算公式；式(8)为悬臂梁大块石冲击力计算公式；上述公式(6)-(9)中，θ为流体运动方向与障碍物朝向之间的夹角；λ为建筑物形状系数，圆形λ＝1，矩形λ＝1.33，方形λ＝1.47；v_s为大块石运动速度(m/s)，v_c为泥石流运动速度(m/s)，取v_s＝v_c；E为结构材料的弹性模量(N/mm²)；J为截面构件的惯性矩(m⁴)；L为柱体的高度或梁的长度(m)；m_g为大块石质量(kg)；γ_c为泥石流容重(t/m³)；g为重力加速度，取9.8m/s²；d_g为大块石等效直径；ρ_s为大块石密度(g/cm³或kg/m³)，取2.65～2.75g/cm³；

C.简支梁构件受泥石流冲击后其最大弯矩M_max与最大剪力T_max分别按公式(10)、(11)计算：

悬臂梁构件受泥石流冲击后其最大弯矩M_max与最大剪力T_max可分别按公式(12)、(13)计算：

T_max＝F_c+p_db'h (13)

式中：h为泥石流泥深，m；上述公式推导中固体颗粒冲击力的作用点位于流体泥深的1/2处；

D.判断M_max≤M_u以及T_max≤T_u是否成立，其中：M_u与T_u为构件的极限弯矩与剪力，仅与材料的截面形状与尺寸有关；若成立，则验算合格；若不成立，则调整开口密度取值，再重复上述验算步骤进行验算直至满足能量调控验算要求。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于物质与能量调控目标的开口型拦砂坝群设计方法，其特征在于，步骤6)中，γ_cd取值范围为：1.45～1.5g/cm³。

5.根据权利要求4所述的一种基于物质与能量调控目标的开口型拦砂坝群设计方法，其特征在于，步骤6)中，γ_cd取值为：1.5g/cm³。

6.根据权利要求2-5任一项所述的一种基于物质与能量调控目标的开口型拦砂坝群设计方法，其特征在于，步骤8)中，拦砂坝开口密度∑b/B取值范围：0.2≤∑b/B≤0.6。

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