CN110499719A - 一种泥石流防冲肋槛结构及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泥石流防冲肋槛结构及系统，解决了现有泥石流防冲肋槛的高混泥土标号、低抗剪强度、易磨损和冲击碎裂，导致泥石流防冲肋槛安全性低、后期维护费用高的问题。本发明一种泥石流防冲肋槛结构，包括挡土墙、防冲肋槛，所述挡土墙设置于泥石流沟道的两侧，防冲肋槛设置于泥石流沟道内，所述挡土墙与防冲肋槛连接成为一体；防冲肋槛沿泥石流沟道平面中心线呈“V型”对称分布，“V型”防冲肋槛的顶端位于泥石流沟道中心线位置，且防冲肋槛的顶端位置为泥石流上游；防冲肋槛下部基础埋于泥石流沟床地下，防冲肋槛的横切面为直立式的台阶型。

Description

一种泥石流防冲肋槛结构及系统
技术领域
本发明涉及泥石流防治工程设计应用技术领域，具体涉及一种泥石流防冲肋槛结构及系统。
背景技术
泥石流是我国主要的地质灾害之一，特别是西南山区，泥石流沟流域地形坡度大，流域面积相对较小，泥石流沟道纵比降大，在强降雨汇流条件下暴发的泥石流具有流速快，泥石流冲出量大等特点，严重威胁泥石流沟口的城市建设、交通设施以及沟口居民的生命财产安全。
随着国民经济的不断发展，特别是在“西部大开发”的倡议下，我国西部山区的交通建设、城市建设如火如荼，对泥石流防治工程的要求和挑战日益苛刻，结合西部地区泥石流流域“小、陡”特征，泥石流防冲肋槛工程主要用于稳固泥石流的固体物质，降低泥石流的流速。
目前，泥石流防冲肋槛的平面设计主要为直线式，泥石流在泥石流沟道运动过程中，由于泥石流固体颗粒及其冲击力特征，使得泥石流沟道中心线位置的防冲肋槛中间位置所受的泥石流冲击力最强，且混泥土在外力条件下的破坏角度与受力方向大约呈45°。为了满足降低泥石流流速的设计需要，传统泥石流防冲肋槛的抗剪强度设计值较大，进而增加了泥石流防冲肋槛的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有泥石流防冲肋槛的高混泥土标号、低抗剪强度、易磨损和冲击碎裂，使得传统的泥石流防冲肋槛工程存在安全性低、后期维护费用高的问题，本发明提供了解决上述问题的一种泥石流防冲肋槛结构及系统，这种泥石流防冲肋槛结构大大降低了泥石流的冲击剪应力，降低泥石流防冲肋槛的流速，降低泥石流固体颗粒对泥石流防冲肋槛的冲击碎裂的可能性，降低泥石流防冲肋槛的成本，以及降低了防冲肋槛后期维护费用。
本发明通过下述技术方案实现：
一种泥石流防冲肋槛结构，包括挡土墙、防冲肋槛，所述挡土墙设置于泥石流沟道的两侧，防冲肋槛设置于泥石流沟道内，所述挡土墙与防冲肋槛连接成为一体；防冲肋槛沿泥石流沟道中心线平面呈“V型”对称分布，“V型”防冲肋槛的顶端位于泥石流沟道中心线位置，且防冲肋槛的顶端位置为泥石流上游；防冲肋槛下部基础埋于泥石流沟床，防冲肋槛的横切面为直立式的台阶型。
工作原理是：基于现有泥石流防冲肋槛的高混泥土标号、低抗剪强度、易磨损和冲击碎裂，导致泥石流防冲肋槛存在安全性低、后期维护费用高的问题，本发明采用上述方案防冲肋槛沿泥石流沟道中心线平面呈“V型”对称分布，“V型”防冲肋槛的顶端位于泥石流沟道中心线位置，且顶端位置为泥石流上游，防冲肋槛下部基础埋于泥石流沟床，防冲肋槛的横切面为直立式的台阶型，这样保证泥石流从上游冲击过来时经过一阶一阶台阶的防冲肋槛，逐渐减弱泥石流的流速和泥石流对各阶防冲肋槛的冲击力，避免传统直线式防冲肋槛在泥石流汹涌过来时瞬间冲剪断防冲肋槛；这种“V型”防冲肋槛结构稳定，大大降低了泥石流的冲击剪应力，降低泥石流防冲肋槛的流速，降低泥石流固体颗粒对泥石流防冲肋槛的冲击碎裂的可能性；另外传统直线式防冲肋槛为了满足降低泥石流流速的设计需要，使得传统直线式防冲肋槛的抗剪强度设计值较大，进而增加了泥石流防冲肋槛的成本，而本发明采用“V 型”防冲肋槛结构可以大大减少泥石流防冲肋槛的成本，以及降低了防冲肋槛后期维护费用。
优选地，防冲肋槛的两端与泥石流挡土墙呈一体相连，在垂直泥石流沟道方向，防冲肋槛与泥石流挡土墙的平面呈一定角度α，其中夹角α∈(0°，45°)，当防冲肋槛与挡土墙的夹角为α＝0°时，防冲肋槛为传统的直线式防冲肋槛，当防冲肋槛和挡土墙夹角α＝45°时，防冲肋槛承载的抗剪强度最大。
具体地，防冲肋槛与挡土墙的夹角α是根据泥石流冲击力设计值和市场成本选取，所述防冲肋槛设计步骤如下：
A.通过泥石流现场实测，确定泥石流的容重γ，单位KN/m3；根据泥石流沟道现场调查，确定泥石流沟道宽度2d，单位m；通过泥石流沟道实地测量，确定泥石流沟道坡度β，单位°；通过泥石流沟道堵塞情况，根据泥石流灾害防治工程设计规范(DZ/T0220-2006)，确定泥石流沟道的糙率系数1/n，无量纲；
B.根据泥石流沟道的设计，确定在防冲肋槛设计位置的泥石流设计流深H，单位m；根据泥石流灾害防治工程设计规范(DZ/T0220-2006)，确定泥石流防冲肋槛设计位置的泥石流冲击力F，单位KN；
通过下列公式得到设计流深H时的泥石流对防冲肋槛的冲击力F1，以及泥石流固体颗粒的冲击力F2，单位KN；
(1)式中，F1为泥石流体的冲击力单位KN；F2为泥石流固体颗粒的冲击压力，单位KN；γ为泥石流的重度，单位kN/m3；v为泥石流流速，单位(m/s)；g为重力加速度，单位m/s2；为受力面与泥石流冲压方向的夹角，单位°；λ为建筑物形状系数，圆形建筑物λ＝1.0，矩形建筑物λ＝1.33，方形建筑物λ＝1.47；1/n为泥石流沟道糙率系数；J为泥石流沟道纵比降，单位‰；H为泥石流沟道设计流深，单位m。
C.根据防冲肋槛与挡土墙的平面夹角α，通过下列公式得到防冲肋槛的降低的剪应力Δτ，单位kPa；防冲肋槛增加的压应力ΔFC，单位KN；
(2)式中，各参数变量含义见(1)中。
D.根据防冲肋槛与挡土墙的夹角α，通过下列公式得到防冲肋槛增加的工程量，单位m3；
(3)式中，2d为泥石流沟道宽度，单位m；A为防冲肋槛横断面面积，单位m2；h1为防冲肋槛在沟床面上的高度，单位m；h2为防冲肋槛迎水面埋于地下的埋深，单位m；d1为防冲肋槛顶部的横切面宽度，单位m；d2为防冲肋槛基础横切面宽度，单位m；d3为防冲肋槛台阶步宽的宽度，单位m；h3为防冲肋槛背水面基础埋深，单位m；
E.根据公式(2)和公式(3)，以及不同标号的混泥土市场单价成本，得到泥石流防冲肋槛与沟道两岸挡土墙的设计夹角。
根据本发明的设计分析，泥石流防冲肋槛适用于沟道坡度大于10°的泥石流沟道位置。
本发明在防冲肋槛夹角方面，利用防冲肋槛的不同平面夹角反映了定量地表径流应力条件下防冲肋槛所受的降低的剪应力和增加的压应力；在防冲肋槛方量方面，利用防冲肋槛的平面夹角参数特征定量反映了防冲肋槛相对于直线式防冲肋槛降低的混泥土方量。
优选地，防冲肋槛在迎水面的地下埋深与地表高度的比例为2：5，防冲肋槛在背水面的台阶地下埋深高度与防冲肋槛在迎水面地下埋深高度h2为1:3，防冲肋槛横断面地下的基础宽度与台阶步宽的比例9:1，防冲肋槛在迎水面和背水面的竖向坡度均为90°。
优选地，所述挡土墙为直立式挡土墙。
优选地，所述挡土墙与防冲肋槛均采用混泥土材质，混泥土材质抗冲耐磨。
优选地，泥石流防冲肋槛结构适用于沟道坡度为10°以上的泥石流沟道。
一种泥石流防冲肋槛系统，包括上述的一种泥石流防冲肋槛结构，在泥石流沟道内沿泥石流的流向方向设置有多个上述的一种泥石流防冲肋槛结构，且各段挡土墙之间设置有伸缩缝。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明从泥石流防冲肋槛与挡土墙夹角和混泥土单价成本多方面入手，构建了一种泥石流防冲肋槛结构，首先，在防冲肋槛夹角方面，利用防冲肋槛的不同夹角反映了定量地表径流应力条件下防冲肋槛所受的降低的剪应力和增加的压应力；其次，在防冲肋槛方量方面，利用防冲肋槛的夹角参数特征定量反映了防冲肋槛相对于直式防冲肋槛降低的混泥土方量；
2、本发明在实际的泥石流沟道中需要沿泥石流的流向方向设置多个所述的一种泥石流防冲肋槛结构，且泥石流沟道两侧的挡土墙也是一段段的，并且各段挡土墙之间设置有伸缩缝，这样当一段挡土墙损坏时，只用维护这一段挡土墙，而不至于使整个挡土墙都受到影响，方便后期维护；通过多个所述的一种泥石流防冲肋槛结构来实现逐级降流量、降流速，安全性高、后期维护费用低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的一种泥石流防冲肋槛结构的俯视结构示意图。
图2为本发明的一种泥石流防冲肋槛系统的俯视结构示意图。
图3为本发明的一种泥石流防冲肋槛系统沿泥石流沟道纵坡面的防冲肋槛结构分布示意图。
图4为本发明的一种泥石流防冲肋槛结构的横断面示意图。
图5为本发明的一种泥石流防冲肋槛结构的防冲肋槛在泥石流条件下的受力示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-挡土墙，2-伸缩缝，3-防冲肋槛。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1至图5所示，一种泥石流防冲肋槛结构，包括挡土墙1、防冲肋槛3，所述挡土墙 1设置于泥石流沟道的两侧，防冲肋槛3设置于泥石流沟道内，所述挡土墙1与防冲肋槛3连接成为一体；防冲肋槛3沿泥石流沟道中心线平面呈“V型”对称分布，“V型”防冲肋槛 3的顶端位于泥石流沟道中心线位置，且防冲肋槛3的顶端位置为泥石流上游。防冲肋槛3 下部基础埋于泥石流沟床，防冲肋槛3的横切面为直立式的台阶型，迎水面的地面下防冲肋槛3埋深为h2，地表上的防冲肋槛3高度为h1，迎水面防冲肋槛3地下埋深h2与地表高度 h1为2：5，防冲肋槛3迎水面的坡度为90°；防冲肋槛3横断面地下的基础宽度为d2，台阶步宽为d3，防冲肋槛3基础宽度于台阶步宽为9:1；背水面防冲肋槛3的台阶地下埋深高度为 h3，背水面台阶地下埋深高度h3与迎水面地下埋深高度h2为1:3，防冲肋槛3背水面的坡度为90°。防冲肋槛3两端与挡土墙1的平面均夹角均呈0°～45°。
本实施例中，所述挡土墙1为直立式挡土墙，所述挡土墙1与防冲肋槛3均采用混泥土材质，混泥土材质抗冲耐磨；泥石流防冲肋槛结构适用于沟道坡度为10°以上的泥石流沟道。
本实施例为了验证一种泥石流防冲肋槛结构的正确性和实用性，选取汶川震区福堂沟为研究对象，其中汶川县福堂沟泥石流区域地形总体上属深切割构造侵蚀低山和中山地形，沟域内总体上地形陡峻，地形临空条件发育，福堂沟泥石流沟域形态近似矩形，沟域面积 1.12km2，主沟长度0.78km，沟通区沟道平均纵比降890‰(沟道坡度为42°)，沟道宽度为 10～20m，堆积区的平均纵坡400‰(沟道坡度约为22°)，沟道宽度为50～100m，堆积区泥石流固体颗粒主要为10-20cm，最大颗粒的约为1m。
2013年福堂沟暴发了“7.10”泥石流灾害过程，其中泥石流的流速为：5.78m/s，泥石流容重为：18.5KN/m3，泥石流沟口的流深为：2.40m，泥石流沟床糙率为0.445。
为了满足泥石流流深需要，设计泥石流防冲肋槛沟道宽度设计为：20m，设计流深为： 3m，“V型”防冲肋槛3与挡土墙1的设计夹角为：α，“V型”防冲肋槛3受力面与泥石流冲压方向的夹角根据本发明中的公式(1)可知的泥石流体的冲击应力F1＝83.952KN，F2＝2.73×103KN，则根据公式(2)可知“V型”防冲肋槛3降低的剪应力为：2.73×103*cosα，单位KN，“V型”防冲肋槛3受到的压应力为83.952～104.75*sinα，单位KN。
根据造价通网站关于2017年肇东市混泥土单价，以及(JTG D62-2004)中对混凝土轴心抗拉强度值，不同标号混泥土的单价及强度如下表1所示。
表1不同标号混泥土的单价及强度参数
混泥土标号 C15 C20 C25 C30 C35
市场单价/(元/m<sup>3</sup>) 240 250 260 280 310
抗剪强度标准值/(N/mm<sup>2</sup>) 1.7 2.1 2.5 2.85 3.2
抗压强度标准值/(N/mm<sup>2</sup>) 10 13.4 16.7 20.1 23.4
抗拉强度标准值/(N/mm<sup>2</sup>) 1.27 1.54 1.78 2.01 2.2
根据公式(3)可知，“V型”防冲肋槛增加的工程量为：20(1/cosα-1)A/(m3)。根据不同标号混泥土抗剪强度可知，C30混泥土的抗剪强度(2.85×103KN/m2)满足直线式防冲肋槛设计抗剪强度要求，当夹角为20°时，C20的抗剪强度满足“V型”防冲肋槛的冲击力设计要求，根据公式(3)则由C30混泥土更改为C25混泥土的成本变化为：当防冲肋槛3与挡土墙1夹角为20°时，“V型”防冲肋槛 3成本比传统直线式防冲肋槛的成本降低了3.3dA，单位元。
实施例2
如图1至图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，一种泥石流防冲肋槛系统，包括实施例1中所述的一种泥石流防冲肋槛结构，在泥石流沟道内沿泥石流的流向方向设置有多个实施例1中所述的一种泥石流防冲肋槛结构，且各段挡土墙1之间设置有伸缩缝2。
如图2、3所示，在实际的泥石流沟道中需要沿泥石流的流向方向设置多个所述的一种泥石流防冲肋槛结构，比如泥石流防冲肋槛结构A、B(如图2、3所示)，且泥石流沟道两侧的挡土墙1也是一段段的，并且各段挡土墙1之间设置有伸缩缝2，这样当一段挡土墙1损坏时，只用维护这一段挡土墙1，而不至于使整个挡土墙都受到影响，方便后期维护；通过多个所述的一种泥石流防冲肋槛结构来实现逐级降流量、降流速，安全性高、后期维护费用低。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种泥石流防冲肋槛结构，其特征在于：包括挡土墙(1)、防冲肋槛(3)，所述挡土墙(1)设置于泥石流沟道的两侧，防冲肋槛(3)设置于泥石流沟道内，所述挡土墙(1)与防冲肋槛(3)连接成为一体；防冲肋槛(3)沿泥石流沟道中心线平面呈“V型”对称分布，“V型”防冲肋槛(3)的顶端位于泥石流沟道中心线位置，且防冲肋槛(3)的顶端位置为泥石流上游；防冲肋槛(3)下部基础埋于泥石流沟床，防冲肋槛(3)的横切面为直立式的台阶型。
2.根据权利要求1所述的一种泥石流防冲肋槛结构，其特征在于：防冲肋槛(3)两端与挡土墙(1)的平面夹角均呈0°～45°。
3.根据权利要求1所述的一种泥石流防冲肋槛结构，其特征在于：防冲肋槛(3)在迎水面的地下埋深与地表高度的比例为2:5。
4.根据权利要求1所述的一种泥石流防冲肋槛结构，其特征在于：防冲肋槛(3)背水面的台阶地下埋深高度与防冲肋槛(3)迎水面的台阶地下埋深高度h2为1:3。
5.根据权利要求1所述的一种泥石流防冲肋槛结构，其特征在于：防冲肋槛(3)横断面地下的基础宽度与台阶步宽的比例9:1。
6.根据权利要求1所述的一种泥石流防冲肋槛结构，其特征在于：防冲肋槛(3)在迎水面和背水面的竖向坡度均为90°。
7.根据权利要求1所述的一种泥石流防冲肋槛结构，其特征在于：所述挡土墙(1)为直立式挡土墙。
8.根据权利要求1所述的一种泥石流防冲肋槛结构，其特征在于：所述挡土墙(1)与防冲肋槛(3)均采用混泥土材质。
9.根据权利要求1所述的一种泥石流防冲肋槛结构，其特征在于：泥石流防冲肋槛结构适用于沟道坡度为10°以上的泥石流沟道。
10.一种泥石流防冲肋槛系统，其特征在于：包括权利要求1至9中任意一项所述的一种泥石流防冲肋槛结构，在泥石流沟道内沿泥石流的流向方向设置有多个如权利要求1至9中任意一项所述的一种泥石流防冲肋槛结构，且各段挡土墙(1)之间设置有伸缩缝(2)。
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