CN110334455B - 一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法，属于泥石流拦砂坝尺寸确定技术领域。本发明通过简化泥石流在坝体上运动形式后进行参数修正的方法，简单准确得到坝体长度。本发明通过实验确定参数对于拦砂坝性能的影响情况，并进行定性定量分析。本发明的应用性强、通用性全面，因此可以全面推广。

Description

一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法

技术领域

本发明属于泥石流拦砂坝尺寸确定技术领域，尤其适用于水平式泥石流拦砂坝单坝情况下坝长计算。

背景技术

泥石流是一种典型的固液两相流，一般发生在松散物质较多、降雨较丰富的山区沟谷中。泥石流中含有大量粒径不同的固体物质，小至粘粒大至1米以上的巨石，在重力作用驱使下，由水和固体物质混合而成的流体在沟谷中的运动速度可达到10m/s以上，冲击力极大，对下游的建筑物造成巨大的威胁。汶川地震之后，西南地区的泥石流灾害明显增多，对泥石流的防治工作显得尤为重要。

传统的实体拦砂坝和竖向透过性坝，在拦截泥石流的过程中，坝面与泥石流运动方向大致呈90°，在拦挡泥石流时所受的冲击力较大，对拦砂坝结构的强度要求比较高。水平式拦砂坝是一种新型的水平式水石分离结构，开孔率高，透过性好，具有避免泥石流巨大冲击力的优势，利用泥石流自身重力作用对其进行筛分的功能，通过对泥石流的拦粗排细作用，将粗大颗粒拦蓄在库内，细小颗粒输移至下游，大大减轻了库容压力，有利于提高坝体的库容利用率，可以抵挡多次泥石流灾害，有着优异的拦挡性能。

坝长是拦砂坝结构的一个重要参数，前人对水平式拦砂坝坝体长度的确定尚未进行探讨，坝长的不确定会导致拦砂坝对泥石流的防治能力过剩或者不足的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于水平式泥石流拦砂坝坝体上运动简化的坝体长度计算方法，以泥石流在坝体上的最远运动距离作为拦砂坝坝体长度，并以实测值进行修正，最终得到水平式泥石流拦砂坝坝体长度计算方法。

拦砂坝坝体长度与泥石流在坝体上的运动过程有关，坝体长度可以看做泥石流在坝体上的最远运动距离，而泥石流在坝体上的运动过程主要受到滤水排砂作用和减速导向作用的影响。格栅间距的大小控制着滤水排砂效果，格栅倾角渐变度影响着对泥石流的导向作用，泥石流的入口速度直接影响着泥石流在坝体上运动的最远距离，以上分析可知，格栅长度主要受到格栅间距、格栅倾角渐变度以及泥石流入口速度的影响。这几种因素在拦砂坝坝体长度计算过程中应该起到一定的作用(附图T1为水平式泥石流拦砂坝结构形式及主要尺寸示意图)。

泥石流在坝体上的运动主要分为横向和纵向(坝体长度方向)两部分，其中决定坝体长度的主要是泥石流纵向的运动距离，泥石流在坝体上运动会出现两种极限状况：其一、由于泥石流翻越格栅需要克服外力速度减小，当泥石流速度小于临界速度时不可以继续翻越格栅，而是在重力作用下逐渐运动到拦砂坝两侧的停积场；其二、尽管泥石流速度仍然大于临界速度，但由于格栅导向作用泥石流已经运动至拦砂坝边缘。对于这两种情况，在入口速度相同的情况下，显然第二种情况运动距离更长一些，对应的拦砂坝长度也更长。(附图T2为坝体上泥石流运动模拟示意图)

对水平式泥石流拦砂坝坝体长度的计算，主要内容分为以下几个部分：

①建立纵向运动方程先将泥石流纵向运动简化为匀速运动，运动距离为：

L＝v₀×t (1)

式中：L为坝体纵向长度(m)；v₀为泥石流入口流速(m/s)；t为泥石流在格栅导向作用下运动到格栅两侧边缘的时间(s)，此处t＝nt₀。

②建立横向运动方程泥石流在坝体上的横向运动可以简化为沿格栅方向的初速度为0的匀加速运动，其主要内容为：

第一格：

v₁＝a₁t₀；

第二格：

v₂＝v₁+a₂t₀＝a₁t₀+a₂t₀；

第三格：

v₃＝a₁t₀+a₂t₀+a₃t₀；

……

第n格：

则泥石流在拦砂坝一侧横向上运动的总距离(即对以上n个方程进行求和)为：

式中：S为泥石流在拦砂坝一侧横向上的总运动距离，m；

a_i为在第i格横向上的加速度a_i＝gsin(id_xθ)，m/s²；

t₀为泥石流在每两条格栅之间的运动时间，s；

v_i为泥石流在第i格格栅末端沿横向上的速度分量，m/s；

d_x为格栅间距，m；

θ为格栅倾角渐变度，°/m。

对上式进行整理得到最终的拦砂坝上泥石流一侧横向运动的总距离为：

③拦砂坝坝体长度L的初步确定对于第二种情况，当拦砂坝上泥石流一侧横向运动的距离为B/2时，此时泥石流纵向运动距离最远，对应的长度即可以作为拦砂坝的坝长。

对应方程为：

式中，S为拦砂坝上泥石流一侧横向运动总距离，m；B为拦砂坝宽度，m。

联立可以求出t₀，再根据(1)式即可求出拦砂坝坝体长度的初值。需要注意的是，在上述计算过程中，假定泥石流沿拦砂坝长度方向为匀速运动，但实际过程中泥石流由于翻越格栅需要消耗一部分能量，为减速运动，因此由此计算出的拦砂坝长度较真实情况增加很多，但是二者变化规律相似。在计算过程中对格栅间的运动时间进行修正，并添加系数k，即格栅间运动时间t₀可以表示为：

式中，t₀为泥石流在拦砂坝上格栅间运动的平均时间，s；d_x为格栅间距，m；v₀为泥石流入口速度，m/s

综上，确定拦砂坝坝体长度所需要的公式分别为：

L＝v₀×t

方法涉及参数：

格栅间距d_x(m)、拦砂坝倾角渐变度θ(°/m)、坝体宽度B需要根据泥石流的具体情况、当地条件、对拦砂坝性能要求等方面综合考虑之后进行确定；系数k需要通过实测值与计算值的对比分析进行确定。

参数确定：

首先确定系数k，需要根据实测值与计算值进行对比分析得到，经试验得到当格栅间距为d₆₀、d₈₀、d₉₅时，k值分别取0.24、0.15、0.06的坝体计算长度和实际长度较为符合；

对于格栅倾角渐变度θ，本发明采用θ为35-55(°/m)的水平式拦砂坝研究格栅倾角渐变度对于拦砂坝性能的影响，并得到：格栅倾角渐变度(θ)对于不同格栅间距(d₆₀、d₈₀、d₉₅)水平式拦砂坝拦挡效率(α)的影响(如附图T3格栅间距分别为d₆₀、d₈₀、d₉₅时不同格栅倾角渐变度下的拦挡效率)可以表示为：

α₆₀＝0.63611θ+31.98611(R²＝0.824)

α₈₀＝0.71027θ+14.9705(R²＝0.821)

α₉₅＝0.99994θ-1.92306(R²＝0.950)

其对于不同格栅间距(d₆₀、d₈₀、d₉₅)水平式拦砂坝拦粗排细效率(η)的影响(如附图T4格栅间距为d₆₀、d₈₀、d₉₅时不同格栅倾角渐变度下的拦粗排细效率)可以表示为：

η₆₀＝-0.48611θ+96.50093(R²＝0.893)

η₈₀＝-0.40609θ+81.07833(R²＝0.714)

η₉₅＝-0.34360θ+77.90855(R²＝0.743)

在设计拦砂坝时可以根据现场情况确定防治效果的侧重点，分别对拦挡效率和拦粗排细效率赋予不同的权重m和n，得到拦挡输移性能综合系数F。

F＝mα+nηm：拦挡效率的权重；

n：拦粗排细效率的权重；

当m＝n时表明对两者的重要性相当，由于格栅倾角渐变度对两者的影响效果相反，此时格栅倾角渐变度宜取中间值；当m>n时，表明更加看重拦挡效果；反之，拦粗排细性能更重要。通过以上公式计算各个格栅倾角渐变度下的拦挡输移性能综合系数，可以选取F最大时对应的格栅倾角渐变度作为坝体的参数。

对于格栅间距d_x，采用x范围为60-95的拦砂坝研究格栅间距对于拦砂坝性能的影响，并得到：

格栅间距(d_x)对于不同格栅倾角渐变度(35、45、55°/m)拦砂坝拦挡效率(α)的影响(如附图T5格栅倾角渐变度为35、45、55°/m时不同格栅间距下的拦挡效率)可以定量表示为：

α₃₅＝0.005x²-1.3949x+119.794(R²＝0.976)

α₄₅＝0.01322x²-2.51911x+164.495(R²＝0.944)

α₅₅＝0.01391x²-2.56937x+170.877(R²＝0.787)

格栅间距(d_x)对于不同格栅倾角渐变度(35、45、55°/m)拦砂坝拦粗排细效率(η)的影响(如附图T6格栅倾角渐变度为35、45、55°/m时不同格栅间距下的拦粗排细效率)可以定量表示为：

η₃₅＝0.01893x²-3.31382x+210.453(R²＝0.950)

η₄₅＝0.01066x²-2.01919x156.811(R²＝0.929)

η₅₅＝0.01995x²-3.37596x+200.804(R²＝0.802)

结合上述实验结论得到，在选择参数时应该注意：(1)从拦挡质量和拦挡效率来看，格栅间距起主要控制作用，格栅间距越小，能够被拦截的泥石流越多，拦挡效率整体较高，同时格栅间距越小，所需要的停积场的库容将会越大；(2)从拦粗效率来看，当格栅倾角渐变度为35～45°/m时，格栅间距的增加导致拦粗效率减小，但当格栅倾角渐变度为55°/m时，格栅间距对拦粗效率的影响较小，整体来看格栅倾角渐变度对拦粗效率起控制作用；从排细效率来看，格栅间距对排细效率的影响因格栅倾角渐变度的变化而表现出不同的规律，整体来看，对排细效率起主要作用的是格栅倾角渐变度；从拦粗排细效率来看，随着格栅间距的增加，拦粗排细效率逐渐减小，且减小的幅度越来越缓，表现出二次关系，当格栅间距超过d₈₀后，拦粗排细效率变化很小；(3)从级配变化方面来看，格栅间距直接影响透过坝体的质量和透过的颗粒粒径，格栅间距越大，透过坝体的泥石流级配范围越广，随着格栅间距的增加，透过坝体泥石流的特征粒径逐渐增加，但都小于原泥石流的特征粒径。整体来看，格栅间距对拦挡效率、拦粗排细效率以及坝体下游泥石流堆积的影响较大，当格栅间距大于d₈₀后，拦挡输移性能的变化将减缓而趋于稳定。

除此之外，在设计参数的时候应该考虑到具体的工程实际情况、当地对于拦砂坝功能的要求等多方面内容进行确定。

使用本发明方法进行水平式泥石流拦砂坝坝体长度的计算，有以下益处：本发明提出水平式拦砂坝坝体长度计算方法，简化泥石流运动过程，将其分为横向纵向运动，计算泥石流在坝体上运动的最远距离，然后对求得的参数进行修正，最终确定拦砂坝坝体长度，原理明确；本发明的应用性强、通用性全面，实施方便，因此可以全面推广。

附图说明：

图1为水平式泥石流拦砂坝结构形式示意图及主要尺寸示意图；

图2为水平式泥石流拦砂坝上泥石流运动模拟示意图；

图3为格栅间距分别为d₆₀、d₈₀、d₉₅时不同格栅倾角渐变度下的拦挡效率示意图；

图4为格栅间距为d₆₀、d₈₀、d₉₅时不同格栅倾角渐变度对应的拦粗排细效率；

图5为格栅倾角渐变度为35、45、55°/m时各个格栅间距下的拦挡效率；

图6为格栅倾角渐变度为35、45、55°/m各个格栅间距下的拦粗排细效率；

图7为采用本发明中坝体长度计算方法与实测值；

图8为坝体长度计算值和实测值对比图。

具体实施方式：

如图1-图8所示，

①确定参数

根据泥石流实际情况、对拦砂坝功能要求、经济支撑等多方面因素确定水平式拦砂坝格栅间距d_x和格栅倾角渐变度θ；在此基础上，根据实验结果，确定修正系数k；

②拦砂坝长度计算首先根据已经确定的参数，确定平均时间t₀，用到的公式为：

式中，t₀为泥石流在拦砂坝上格栅间运动的平均时间，s；d_x为格栅间距，m；v₀为泥石流入口速度，m/s

然后，根据已知的格栅间距d_x、格栅倾角渐变度θ、平均时间t₀确定栅格数n，根据公式为：

式中，t₀为泥石流在每两条格栅之间的运动时间，s；d_x为格栅间距，m；θ为格栅倾角渐变度，°/m；S为泥石流在拦砂坝一侧横向上的总运动距离，m；B为确定好的拦砂坝坝体宽度，m。

最后，根据所求参数得到拦砂坝坝体长度，根据公式为：

L＝v₀×t

式中：L为坝体纵向长度(m)；v₀为泥石流入口流速(m/s)；t为泥石流在格栅导向作用下运动到格栅两侧边缘的时间(s)，此处t＝nt₀。

实验中实测值与根据此种方法计算得到的运动距离(坝体长度值)对比分析情况，可以看出，计算值和实测值之间的变化规律较为相符，实测值略小于计算值，可以作为安全储备利用。T10为试验的实测值与计算值的对比图，从图中可以看出计算值和试验值分布在45°线的附近，经计算格栅间距为d₆₀、d₈₀和d₉₅时计算值与实测值的平均误差分别为4.97％、4.40％和3.60％，表明计算值具有较高的准确度。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。需要注意，上述实例和描述只是为了说明本发明采用的原理和方法，针对具体的工程实际，可以进行合理的修正变化与改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法，其特征如下：包括以下部分：

①建立纵向运动方程

先将泥石流纵向运动简化为匀速运动，运动距离为：

L＝v₀×t (1)

式中：L为拦砂坝长度，m；v₀为泥石流入口流速，m/s；t为泥石流在格栅导向作用下运动到格栅两侧边缘的时间，s；此处t＝nt₀，t₀为泥石流在拦砂坝上格栅间运动的平均时间，s；

②建立横向运动方程

泥石流在坝体上的横向运动可以简化为沿格栅方向的初速度为0的匀加速运动，其主要内容为：

第一格：

v₁＝a₁t₀；

第二格：

v₂＝v₁+a₂t₀＝a₁t₀+a₂t₀；

第三格：

v₃＝a₁t₀+a₂t₀+a₃t₀；

……

第n格：

则泥石流在拦砂坝一侧横向上的总运动距离(即对以上n个方程进行求和)为：

式中：S为泥石流在拦砂坝一侧横向上的总运动距离，m；

a_i为在第i格横向上的加速度a_i＝g sin(id_xθ)，m/s²；

t₀为泥石流在拦砂坝上格栅间运动的平均时间，s；

v_i为泥石流在第i格格栅末端沿横向上的速度分量，m/s；

d_x为格栅间距，m；

θ为格栅倾角渐变度，°/m；

对上式进行整理得到最终泥石流在拦砂坝一侧横向上的总运动距离为：

③拦砂坝长度L的初步确定

对于第二种情况，当泥石流在拦砂坝一侧横向上的总运动距离为B/2时，此时泥石流纵向运动距离最远，对应的长度即可以作为拦砂坝的坝长，

对应方程为：

式中，S为泥石流在拦砂坝一侧横向上的总运动距离，m；B为拦砂坝宽度，m，

联立可以求出t₀，再根据(1)式即可求出拦砂坝长度的初值，

需要注意的是，在上述计算过程中，假定泥石流沿拦砂坝长度方向为匀速运动，但实际过程中泥石流由于翻越格栅需要消耗一部分能量，为减速运动，因此由此计算出的拦砂坝长度较真实情况增加很多，但是二者变化规律相似，在计算过程中对格栅间的运动时间进行修正，并添加修正系数k，即泥石流在拦砂坝上格栅间运动的平均时间t₀可以表示为：

式中，t₀为泥石流在拦砂坝上格栅间运动的平均时间，s；d_x为格栅间距，m；v₀为泥石流入口速度，m/s，

参数确定：格栅间距d_x、格栅倾角渐变度θ、拦砂坝宽度B需要根据泥石流的具体情况、当地条件、对拦砂坝性能的要求综合考虑之后进行确定；修正系数k需要通过实测值与计算值的对比分析进行确定。

2.根据权利要求1所述的一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法，其特征如下：修正系数k确定方法如下：

在试验中，一方面通过实际测量得到泥石流在拦砂坝上的运动距离，另一方面用含有修正系数k的公式表示其他参数以及拦砂坝长度，利用二者相等可以得到对应于具体格栅间距的修正系数k的值，可以应用到工程实践中；此处，也可以利用编程语言通过编程迭代得到相应的修正系数k。

3.根据权利要求1所述的一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法，其特征如下：格栅间距d_x、格栅倾角渐变度θ、拦砂坝宽度B在选择时，应该将以下内容作为参考进行确定：

格栅倾角渐变度θ对于格栅间距分别为d₆₀、d₈₀、d₉₅的水平式拦砂坝拦挡效率α的影响可以表示为：

α₆₀＝0.63611θ+31.98611，R²＝0.824

α₈₀＝0.71027θ+14.9705，R²＝0.821

α₉₅＝0.99994θ-1.92306，R²＝0.950

其对于格栅间距分别为d₆₀、d₈₀、d₉₅的水平式拦砂坝拦粗排细效率η的影响可以表示为：

η₆₀＝-0.48611θ+96.50093，R²＝0.893

η₈₀＝-0.40609θ+81.07833，R²＝0.714

η₉₅＝-0.3436θ+77.90855，R²＝0.743

在设计拦砂坝时可以根据现场情况确定防治效果的侧重点，分别对拦挡效率和拦粗排细效率赋予不同的权重m和n，得到拦挡输移性能综合系数F：

F＝mα+nη

m：拦挡效率的权重；

n：拦粗排细效率的权重；

当m＝n时表明对两者的重要性相当，由于格栅倾角渐变度对两者的影响效果相反，此时格栅倾角渐变度宜取中间值；当m>n时，表明更加看重拦挡效果；反之，拦粗排细性能更重要；通过以上公式计算各个格栅倾角渐变度下的拦挡输移性能综合系数，可以选取F最大时对应的格栅倾角渐变度作为坝体的参数；

格栅间距d_x对于格栅倾角渐变度分别为35、45、55°/m的拦砂坝拦挡效率α的影响可以定量表示为：

α₃₅＝0.005x²-1.3949x+119.794，R²＝0.976

α₄₅＝0.01322x²-2.51911x+164.495，R²＝0.944

α₅₅＝0.01391x²-2.56937x+170.877，R²＝0.787

格栅间距d_x对于格栅倾角渐变度分别为35、45、55°/m的拦砂坝拦粗排细效率η的影响可以定量表示为：

η₃₅＝0.01893x²-3.31382x+210.453，R²＝0.950

η₄₅＝0.01066x²-2.01919x+156.811，R²＝0.929

η₅₅＝0.01995x²-3.37596x+200.804，R²＝0.802

结合上述实验结论得到，在选择参数时应该注意：(1)从拦挡质量和拦挡效率来看，格栅间距起主要控制作用，格栅间距越小，能够被拦截的泥石流越多，拦挡效率整体较高，同时格栅间距越小，所需要的停积场的库容将会越大；(2)从拦粗效率来看，当格栅倾角渐变度为35～45°/m时，格栅间距的增加导致拦粗效率减小，但当格栅倾角渐变度为55°/m时，格栅间距对拦粗效率的影响较小，整体来看格栅倾角渐变度对拦粗效率起控制作用；从排细效率来看，格栅间距对排细效率的影响因格栅倾角渐变度的变化而表现出不同的规律，整体来看，对排细效率起主要作用的是格栅倾角渐变度；从拦粗排细效率来看，随着格栅间距的增加，拦粗排细效率逐渐减小，且减小的幅度越来越缓，表现出二次关系，当格栅间距超过d₈₀后，拦粗排细效率变化很小；(3)从级配变化方面来看，格栅间距直接影响透过坝体的质量和透过的颗粒粒径，格栅间距越大，透过坝体的泥石流级配范围越广，随着格栅间距的增加，透过坝体泥石流的特征粒径逐渐增加，但都小于原泥石流的特征粒径，整体来看，格栅间距对拦挡效率、拦粗排细效率以及坝体下游泥石流堆积的影响较大，当格栅间距大于d₈₀后，拦挡输移性能的变化将减缓而趋于稳定；

除此之外，在设计参数的时候应该考虑到具体的工程实际情况、当地对于拦砂坝功能的要求进行确定。

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