CN111581698B - 一种泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定方法及装置，其方法包括以下步骤：根据泥石流灾害治理的目标，确定待修建拦砂坝的拦砂坝类型；根据所确定的拦砂坝类型，确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数；根据预先设置的冲击压强分布模型与优化系数之间的对应关系，选取与所述优化系数相对应的冲击压强分布模型；根据所选取的冲击压强分布模型，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载。

Description

一种泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定方法及装置

技术领域

本发明涉及泥石流灾害防治工程技术领域，特别涉及一种泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载确定方法及装置。

背景技术

泥石流是常见的山区地质灾害之一，由于具有流动速度快、冲击力强等特点，当泥石流发生时往往会冲毁公路、铁路的桥墩以及房屋建筑等，造成巨大的生命和财产损失。修建拦砂坝是泥石流防治中最为常用的工程措施，拦砂坝能够对泥石流的固体物质进行拦截，同时能够对泥石流的流量、流速和规模进行调节，从而有效地减轻或消除泥石流对生命和财产的危害。结合实际工程防治的需要，往往会使用不同功能和结构的拦砂坝，如图1和图2所示，常用的有以拦截泥石流固体物质为主的实体拦砂坝(图1)和以调节泥石流动力过程的缝隙拦砂坝(图 2)。明确泥石流的冲击荷载在拦砂坝上的分布形式以及合理计算泥石流作用在拦砂坝上的冲击荷载大小是保证拦砂坝安全、经济、有效运行的关键所在。

目前，国内现行的T/CAGHP021-2018《泥石流防治工程设计规范(试行)》 (中国地质灾害防治工程协会)中关于泥石流作用在拦砂坝上的冲击荷载计算方法是在基于对泥石流的密度(ρ)和速度(v)的合理估算的基础上，采用流体动量守恒定律，再乘以经验修正系数(α)来确定泥石流的最大冲击压强(P_max) 的大小，即P_max＝α·ρ·v²；最后通过假设最大冲击压强P_max均匀分布在拦砂坝的不同高度上来计算最终作用在坝体上的最大冲击荷载(F)，即F＝P_max·H·W(H：拦砂坝高度，W：拦砂坝坝体宽度)。该方法存在的不足之处在于，采用泥石流的最大冲击压强均匀分布在整个坝体高度上的分布方式来计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载，而忽略了泥石流在冲击拦砂坝的过程中泥石流沿拦砂坝迎流面的爬升机制，以及泥石流与拦砂坝相互作用过程中的耗能机制，导致作用在坝体上的最大冲击荷载(F)计算结果过于保守，造成资源浪费。除此之外，该方法在确定泥石流的最大冲击荷载时没有考虑因拦砂坝结构不同而导致作用在坝体上的荷载差异。

针对上述假设泥石流对坝体的最大冲击压强均匀分布在整个坝体高度上的不足，游勇等人(专利申请号：CN201810299584.5)引入了冲击压强纵向分布系数，从而对黏性泥石流的冲击压强大小在坝体不同高度位置的分布进行了修正。此外，刘晓等人(专利申请号：201810527748.5)提供了一种泥石流冲击荷载函数生成方法及装置，在数值计算过程中为模拟泥石流的冲击荷载提供了方法。尽管如此，目前任然缺乏一种简单、经济合理、行之有效的泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定方法；除此之外，在工程实践中缺乏针对泥石流作用在不同结构的拦砂坝(实体拦砂坝和缝隙拦砂坝)上的冲击荷载的确定方法。

发明内容

本发明提供的方案拟解决的技术问题在于，工程实践中针对泥石流作用在不同结构的拦砂坝上的冲击荷载仍然缺乏一个简单、经济合理、行之有效的确定方法。

根据本发明提供的一种泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定方法，包括以下步骤：

(1)根据泥石流灾害治理的目标，确定待修建拦砂坝的拦砂坝类型；

(2)根据所确定的拦砂坝类型，确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数；

(3)根据预先设置的冲击压强分布模型与优化系数之间的对应关系，选取与所述优化系数相对应的冲击压强分布模型；

(4)根据所选取的冲击压强分布模型，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载。

优选地，所述拦砂坝类型包括实体拦砂坝和缝隙拦砂坝；所述优化系数包括第一优化系数和第二优化系数；所述冲击压强分布模型包括第一冲击压强分布模型和第二冲击压强分布模型。

优选地，所述根据所确定的拦砂坝类型，确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数包括：

当所确定的拦砂坝类型为实体拦砂坝时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第一优化系数。

当所确定的拦砂坝类型为缝隙拦砂坝时，计算所述缝隙拦砂坝坝体的缝隙相对开口宽度；

当所述缝隙相对开口宽度小于或等于第一阈值时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第一优化系数；

当所述缝隙相对开口宽度大于第一阈值且小于等于第二阈值时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第二优化系数；

其中，所述第一优化系数大于所述第二优化系数；所述第一阈值小于所述第二阈值。

优选地，所述第一优化系数为0.85；所述第二优化系数为0.75；所述第一阈值为1.8；所述第二阈值为4.5。

优选地，根据本发明提供的一种泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定方法，还包括：

通过安装在实体拦砂坝坝体不同高度位置上的冲击压强传感器，获取第一泥石流冲击压强分布数据；

通过安装在缝隙拦砂坝坝体不同高度位置上的冲击压强传感器，获取第二泥石流冲击压强分布数据和第三泥石流冲击压强分布数据；

利用所述第一泥石流冲击压强分布数据和所述第二泥石流冲击压强分布数据，构建并保存所述第一冲击压强分布模型；

利用所述第三泥石流冲击压强分布数据，构建并保存所述第二冲击压强分布模型。

优选地，所述根据所选取的冲击压强分布模型，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载包括：

当所选取的冲击压强分布模型为第一冲击压强分布模型时，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载的公式为：

F＝0.5×(0.25P_max+0.85P_max)×3.5h·W+0.5×0.25P_max×3.5h·W

其中，所述P_max为最大冲击压强，P_max＝α·ρ·v²。

当所选取的冲击压强分布模型为第二冲击压强分布模型时，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载的公式为：

F＝0.5×(0.2P_max+0.75P_max)×2.5h·W+0.5×0.2P_max×4.5h·W

其中，所述P_max为最大冲击压强，P_max＝α·ρ·v²。

优选地，所述待修建拦砂坝的修建高度应大于等于7倍泥石流深度。

根据本发明实施例提供的一种泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定装置，包括：

确定拦砂坝类型模块，用于根据泥石流灾害治理的目标，确定待修建拦砂坝的拦砂坝类型；

确定优化系数模块，用于根据所确定的拦砂坝类型，确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数；

选取压强分布模块，用于根据预先设置的冲击压强分布模型与优化系数之间的对应关系，选取与所述优化系数相对应的冲击压强分布模型；

计算模块，用于根据所选取的冲击压强分布模型，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载。

优选地，所述拦砂坝类型包括实体拦砂坝和缝隙拦砂坝；所述优化系数包括第一优化系数和第二优化系数；其中，所述第一优化系数大于所述第二优化系数；所述冲击压强分布模型包括第一冲击压强分布模型和第二冲击压强分布模型。

根据本发明实施例提供的方案，在考虑了泥石流与拦砂坝相互作用过程中的爬升机制以及泥石流与拦砂坝相互作用过程中的耗能机制，建立了泥石流冲击压强在拦砂坝不同高度上的分布模型，优化了泥石流作用在坝体上的最大冲击压强，区分了不同结构的拦砂坝对泥石流冲击荷载响应机制的差异，使泥石流冲击荷载的计算方法简单、经济合理、行之有效。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是现有技术提供的实体拦砂坝示意图；

图2是现有技术提供的缝隙拦砂坝示意图；

图3是本发明实施例提供的一种泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的泥石流作用在拦砂坝上的冲击压强分布模型示意图，(a)适用于相对开口宽度b/D_max＝0(b：坝体的开口宽度，D_max：沟道中可能参与到泥石流的最大固体颗粒粒径)的实体拦砂坝以及0＜b/D_max≤1.8的缝隙拦砂坝；(b)适用于开口宽度取值在1.8＜b/D_max≤4.5的缝隙拦砂坝；

图5是本发明实施例提供的泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载作用点及作用方向示意图，(a)适用于相对开口宽度b/D_max＝0的实体拦砂坝以及 b/D_max≤1.8的缝隙拦砂坝；(b)适用于开口宽度取值在1.8＜b/D_max≤4.5的缝隙拦砂坝；

图6是本发明实施例提供的实施案例1中泥石流作用在b/D_max＝0实体拦砂坝上的冲击压强分布以及最大冲击荷载作用点和作用方向示意图；

图7是本发明实施例提供的实施案例2中泥石流作用在b/D_max＝2.33的缝隙拦砂坝上的冲击压强分布，以及最大冲击荷载作用点和作用方向示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图3是本发明实施例提供的一种泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定方法的流程图，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：根据泥石流灾害治理的目标，确定待修建拦砂坝的拦砂坝类型；

步骤2：根据所确定的拦砂坝类型，确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数；

步骤3：根据预先设置的冲击压强分布模型与优化系数之间的对应关系，选取与所述优化系数相对应的冲击压强分布模型；

步骤4：根据所选取的冲击压强分布模型，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载。

其中，所述拦砂坝类型包括实体拦砂坝和缝隙拦砂坝；所述优化系数包括第一优化系数和第二优化系数；所述冲击压强分布模型包括第一冲击压强分布模型和第二冲击压强分布模型。

具体地说，所述根据所确定的拦砂坝类型，确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数包括：当所确定的拦砂坝类型为实体拦砂坝时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第一优化系数。

具体地说，所述根据所确定的拦砂坝类型，确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数包括：当所确定的拦砂坝类型为缝隙拦砂坝时，计算所述缝隙拦砂坝坝体的缝隙相对开口宽度；当所述缝隙相对开口宽度小于或等于第一阈值时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第一优化系数；当所述缝隙相对开口宽度大于第一阈值且小于等于第二阈值时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第二优化系数；其中，所述第一优化系数大于所述第二优化系数；所述第一阈值小于所述第二阈值。

其中，所述第一优化系数为0.85；所述第二优化系数为0.75；所述第一阈值为1.8；所述第二阈值为4.5。

本发明还包括：通过安装在实体拦砂坝坝体不同高度位置上的冲击压强传感器，获取第一泥石流冲击压强分布数据；通过安装在缝隙拦砂坝坝体不同高度位置上的冲击压强传感器，获取第二泥石流冲击压分布强数据和第三泥石流冲击压强分布数据；利用所述第一泥石流冲击压强分布数据和所述第二泥石流冲击压强分布数据，构建并保存所述第一冲击压强分布模型；利用所述第三泥石流冲击压强分布数据，构建并保存所述第二冲击压强分布模型。

其中，所述根据所选取的冲击压强分布模型图4(a)，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载包括：当所选取的冲击压强分布模型为第一冲击压强分布模型时，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载的公式为： F＝0.5×(0.25P_max+0.85P_max)×3.5h·W+0.5×0.25P_max×3.5h·W；其中，所述P_max为最大冲击压强。

其中，所述根据所选取的冲击压强分布模型图4(b)，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载包括：当所选取的冲击压强分布模型为第二冲击压强分布模型时，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载的公式为： F＝0.5×(0.2P_max+0.75P_max)×2.5h·W+0.5×0.2P_max×4.5h·W；其中，所述P_max为最大冲击压强。

其中，所述待修建拦砂坝的修建高度应大于等于7倍泥石流深度。

本发明还提供了一种泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定装置，包括：确定拦砂坝类型模块，用于根据泥石流灾害治理的目标，确定待修建拦砂坝的拦砂坝类型；确定优化系数模块，用于根据所确定的拦砂坝类型，确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数；选取压强分布模块，用于根据预先设置的冲击压强分布模型与优化系数之间的对应关系，选取与所述优化系数相对应的冲击压强分布模型；计算模块，用于根据所选取的冲击压强分布模型，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载。其中，所述拦砂坝类型包括实体拦砂坝和缝隙拦砂坝；所述优化系数包括第一优化系数和第二优化系数；其中，所述第一优化系数大于所述第二优化系数；所述冲击压强分布模型包括第一冲击压强分布模型和第二冲击压强分布模型。

本发明的技术方案具体包括以下步骤：

(1).确定所需泥石流的物理力学参数：根据对现场泥石流沟的野外调查，确定泥石流的密度(ρ)，泥石流固体颗粒物质的容重(γ_s)，沟道中可能参与到泥石流的最大固体颗粒粒径(D_max)，泥石流平均泥深(h)，泥石流沟道的沟床坡度(I)以及沟床糙率系数(n)；结合T/CAGHP021-2018《泥石流防治工程设计规范(试行)》中推荐的泥石流的流速(v)计算公式：

式中：

——泥沙修正系数，在《泥石流灾害防治工程勘查规范》(2016)中查表确定；R——水力半径(m)，一般可用平均泥深(h)代替。

(2).计算规范推荐的未经优化折减之前的最大冲击压强：将步骤(1)中所得到的泥石流密度ρ和泥石流的流速v代入最大冲击压强计算公式P_max＝α·ρ·v²计算规范推荐的未经优化折减之前的最大冲击压强。式中经验修正系数α采取 T/CAGHP021-2018《泥石流防治工程设计规范(试行)》中推荐的取值。

(3).界定坝体的相对开口宽度并计算优化后的作用在拦砂坝上的最大冲击压强：在泥石流防治工程中，根据防治目标不同，通常会选取以拦截泥石流固体物质为主的实体拦砂坝(图1)和以调节泥石流动力过程的缝隙拦砂坝(图2)。根据所需坝体设计的开口宽度(b)与沟道中可能参与到泥石流的最大固体颗粒粒径(D_max)的比值计算坝体的相对开口宽度(b/D_max)。本发明中对于实体拦砂坝 (b＝0)，相对开口宽度取b/D_max＝0。

实验研究发现在泥石流与拦砂坝相互作用过程中，泥石流的最大冲击压强往往出现在泥石流龙头冲击坝体底部的时刻，而此时泥石流作用在整个坝体上的冲击合力并不是最大，也就是说当底部最大冲击压强最大时坝体并不是处于最危险的情况。随着泥石流进一步冲击拦砂坝，泥石流沿拦砂坝表面爬升，泥石流的冲击作用点向上移动，同时泥石流体产生的静压力进一步加大了作用在拦砂坝上的荷载。当作用在拦砂坝上的冲击合力达到最大时，由于拦砂坝底部固体颗粒物质堆积形成静止区，从而减小了泥石流对拦砂坝底部的冲击。研究结果表明，泥石流在对相对开口宽度b/D_max＝0的实体拦砂坝以及b/D_max≤1.8的缝隙拦砂的冲击过程中，一方面固体颗粒物质能够形成更加明显的静止区，但另一方面泥石流体作用在坝体上的静荷载更大；而泥石流对相对开口宽度b/D_max>1.8的缝隙拦砂的冲击过程中形成相对较弱的静止区。通过拦砂坝所受最大冲击合力时底部所受到冲击压强与龙头冲击时底部所受的最大压强的比值，对拦砂坝处于最危险情况下的最大冲击压强进行优化。根据实验所测数据，对于相对开口宽度b/D_max＝0的实体拦砂坝以及b/D_max≤1.8的缝隙拦砂坝，最大冲击压强乘以优化系数0.85，对于相对开口宽度取值在1.8＜b/D_max≤4.5的缝隙拦砂坝，最大冲击压强乘以优化系数0.75。即：

(4).选择冲击压强分布模型：在多组泥石流与拦砂坝相互作用过程中，考虑了泥石流沿拦砂坝迎流面的爬升机制，当泥石流沿拦砂坝迎流面爬升约7倍泥深 (h)高度以后，由于泥石流的运动方向与拦砂坝迎流面在竖直方向完全平行，甚至脱离坝体表面向后回流，从而泥石流作用在坝体上的荷载可以忽略不计，因此简化模型中坝体所受冲击压强的高度为泥石流泥深的7倍。根据物理模型实验中安装在坝体上不同位置的冲击压强传感器的测量结果，对于对于相对开口宽度 b/D_max＝0的实体拦砂坝以及b/D_max≤1.8的缝隙拦砂，由于泥石流爬升机制和耗能的影响，在3.5h处及以上部分所受到的冲击压强明显减小；而对于b/D_max>1.8 的缝隙拦砂，由于开口宽度更大，更多泥石流体穿过缝隙坝，泥石流沿坝体表面的爬升过程减弱，冲击压强明显减小的位置出现在2.5h处。除此之外，在整个实体坝和b/D_max≤1.8的缝隙拦砂坝所受最大冲击合力时刻，3.5h处压强传感器所记录的冲击压强为最大冲击压强的0.25倍；而对于b/D_max>1.8的缝隙拦砂受最大冲击合力时刻，2.5h处压强传感器所记录的冲击压强为最大冲击压强的0.2倍，结合步骤(3)中优化后的最大冲击压强，当作用在拦砂坝上的荷载达到最大时，泥石流作用在相对开口宽度b/D_max＝0的实体拦砂坝以及b/D_max≤1.8的缝隙拦砂的冲击压强分布可以简化为图4(a)所示的压强分布模型；而对于开口宽度取值在1.8＜b/D_max≤4.5的缝隙拦砂坝的冲击压强分布可以简化为图4(b)所示的压强分布模型。

(5).计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载(F)：根据步骤(4)中的冲击压强分布模型，计算作用在拦砂坝上的最大冲击荷载(F)的大小为：

F＝0.5×(0.25P_max+0.85P_max)×3.5h·W+0.5×0.25P_max×3.5h·W

＝2.36P_max·h·W(0≤b/D_max≤1.8)

F＝0.5×(0.2P_max+0.75P_max)×2.5h·W+0.5×0.2P_max×4.5h·W

＝1.64P_max·h·W(1.8＜b/D_max≤4.5)

最大冲击荷载(F)的作用点及作用方向如图5所示。

实施案例1

某泥石流沟位于小江流域左岸，沟长约为3.23km，沟宽约8m，流域面积 2.3km²，相对高差约700m，泥石流沟冲出口较窄，下游排泄条件差，由于区域构造地质作用较强烈，沟道内松散物质丰富，且该地区夏季雨量充沛，具有爆发泥石流灾害的可能，对下游建筑以及当地居民的生命财产安全构成了较大威胁。为了消除泥石流的潜在危害，拟在该沟道内修建一座实体拦砂坝，以便拦截泥石流中的大量固体颗粒物质，削减泥石流发生的规模和流动的距离，从而达到泥石流灾害治理的目标。为了合理地设计该实体拦砂坝，需要计算作用在拦砂坝上的最大冲击荷载。具体实施步骤如下：

(1).进行现场泥石流灾害勘查，测算得到可能发生泥石流的密度大约为 1.93t/m³；泥石流的固体颗粒物质的容重为26.5kN/m³；泥石流泥深h大约为2.1m；泥石流沟平均纵比降I大约为0.22；泥石流沟道底部糙率n约为0.029。根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》的推荐公式，以及查表得到泥沙修正系数取值为 1.735，水力半径R用平均泥深代替，从而计算出泥石流的流速为：

(2).将泥石流密度ρ＝1.93t/m³和泥石流的流速v＝3.87m/s代入最大冲击压强计算公式，经验修正系数α采用国内现行的T/CAGHP021-2018《泥石流防治工程设计规范(试行)》中推荐的1.47，计算未优化折减之前的最大冲击压强为：

P_max＝α·ρ·v²＝1.47×1.93×3.872＝42.49kPa；

(3).由于所需的拦砂坝类型为实体拦砂坝，所以判定拦砂坝的相对开口宽度 b/D_max＝0，因此最大冲击压强乘以优化系数0.85，即：

P’_max＝0.85P_max；

(4).由于所需的拦砂坝类型为实体拦砂坝(b/D_max＝0)，因此选择图4(a)所示的冲击压强分布模型；

(5).由于沟道宽8m，因此实体拦砂坝宽度取8m。根据步骤(4)中的冲击压强分布模型，计算作用在拦砂坝上的最大冲击荷载(F)的大小为：

F＝0.5×(0.25P_max+0.85P_max)×3.5h·W+0.5×0.25P_max×3.5h·W

＝2.36P_max·h·W

＝2.36×42.49×2.1×8

＝1684.6kN

最大冲击荷载(F)的作用点及作用方向如图6所示，合冲击力作用点距离底部4.26m。

实施案例2

某泥石流沟位于岷江流域右岸，沟长约为4.12km，下游沟宽约23m，流域面积3.3km²，相对高差约900m，由于区域地震作用，沟道内松散物质丰富，且该地区夏季雨量充沛，具有爆发泥石流灾害的可能，对下游公路设施以及过往的人员和车辆的生命财产安全构成了较大威胁。该泥石流沟冲出口相对较宽，下游直接与岷江相连，排泄条件较好。为了减小泥石流的潜在危害，拟在该沟道内修建一座缝隙拦砂坝，在沟道下游修建排导槽，以便对泥石流的运动动能、流量进行有效的调控，使调控后的泥石流能够有序地经过排导槽进入岷江流入，从而达到泥石流灾害治理的目标。为了合理地设计该缝隙拦砂坝，需要计算作用在拦砂坝上的最大冲击荷载。具体实施步骤如下：

(1).进行现场泥石流灾害勘查，测算得到可能发生泥石流的密度大约为 1.87t/m³；泥石流的固体颗粒物质的容重为27kN/m³；泥石流泥深h大约为1.5m；泥石流沟平均纵比降I大约为0.25；泥石流沟道底部糙率n约为0.025。根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》的推荐公式，以及查表得到泥沙修正系数取值为 1.373，水力半径R用平均泥深代替，从而计算出泥石流的流速为：

(2).将泥石流密度ρ＝1.87t/m³和泥石流的流速v＝4.25m/s代入最大冲击压强计算公式，经验修正系数α采用国内现行的T/CAGHP021-2018《泥石流防治工程设计规范(试行)》中推荐的1.47，计算未优化折减之前的最大冲击压强为：

P_max＝α·ρ·v²＝1.47×1.87×4.252＝49.65kPa；

(3).经调查沟道中可能参与到泥石流的最大固体颗粒粒径D_max≈1.5m，由于所需的拦砂坝类型为缝隙拦砂坝，研究表明缝隙拦砂坝开口宽度取值为b＝3.5m，坝体有效宽度W为12m；所以判定拦砂坝的相对开口宽度b/D_max＝2.33，因此最大冲击压强乘以优化系数0.75；

(4).由于所需的拦砂坝类型为缝隙拦砂坝且b/D_max＝2.33介于1.8到4.5之间，因此选择图4(b)所示的冲击压强分布模型；

(5).根据步骤(4)中的冲击压强分布模型，计算作用在缝隙上的拦砂坝上的最大冲击荷载(F)的大小为：

F＝0.5×(0.2P_max+0.75P_max)×2.5h·W+0.5×0.2P_max×4.5h·W

＝1.64P_max·h·W

＝1.64×49.65×1.5×12

＝1465.7kN

最大冲击荷载(F)的作用点及作用方向如图7所示，合冲击力作用点距离底部2.74m。

根据本发明实施例提供的方案，在考虑了泥石流与拦砂坝相互作用过程中的爬升机制以及泥石流与拦砂坝相互作用过程中的耗能机制，建立了泥石流冲击压强在拦砂坝不同高度上的分布模型，优化了泥石流作用在坝体上的最大冲击压强，区分了不同结构的拦砂坝对泥石流冲击荷载响应机制的差异，使泥石流冲击荷载的计算方法简单、经济合理、行之有效。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定方法，其特征在于，包括：

根据泥石流灾害治理的目标，确定待修建拦砂坝的拦砂坝类型；

根据所确定的拦砂坝类型，确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数，其包括:

当所确定的拦砂坝类型为实体拦砂坝时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第一优化系数；

当所确定的拦砂坝类型为缝隙拦砂坝时，计算所述缝隙拦砂坝坝体的缝隙相对开口宽度，当所述缝隙相对开口宽度小于或等于第一阈值时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第一优化系数，以及当所述缝隙相对开口宽度大于第一阈值且小于等于第二阈值时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第二优化系数；

其中，所述第一优化系数大于所述第二优化系数；所述第一阈值小于所述第二阈值；

根据预先设置的冲击压强分布模型与优化系数之间的对应关系，选取与所述优化系数相对应的冲击压强分布模型；

根据所选取的冲击压强分布模型，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拦砂坝类型包括实体拦砂坝和缝隙拦砂坝；所述优化系数包括第一优化系数和第二优化系数；所述冲击压强分布模型包括第一冲击压强分布模型和第二冲击压强分布模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一优化系数为0.85；所述第二优化系数为0.75；所述第一阈值为1.8；所述第二阈值为4.5。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

通过安装在实体拦砂坝坝体不同高度位置上的冲击压强传感器，获取第一泥石流冲击压强数据；

通过安装在缝隙拦砂坝坝体不同高度位置上的冲击压强传感器，获取第二泥石流冲击压强数据和第三泥石流冲击压强数据；

利用所述第一泥石流冲击压强数据和所述第二泥石流冲击压强数据，构建并保存所述第一冲击压强分布模型；

利用所述第三泥石流冲击压强数据，构建并保存所述第二冲击压强分布模型。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所选取的冲击压强分布模型，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载包括：

当所选取的冲击压强分布模型为第一冲击压强分布模型时，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载的公式为：

F＝0.5×(0.25P_max+0.85P_max)×3.5h·W+0.5×0.25P_max×3.5h·W

其中，所述P_max为最大冲击压强。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所选取的冲击压强分布模型，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载包括：

当所选取的冲击压强分布模型为第二冲击压强分布模型时，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载的公式为：

F＝0.5×(0.2P_max+0.75P_max)×2.5h·W+0.5×0.2P_max×4.5h·W

其中，所述P_max为最大冲击压强。

7.根据权利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，所述待修建拦砂坝的修建高度应大于等于7倍泥石流深度。

8.一种泥石流拦砂坝最大冲击荷载确定装置，其特征在于，包括：

确定拦砂坝类型模块，用于根据泥石流灾害治理的目标，确定待修建拦砂坝的拦砂坝类型；

确定优化系数模块，用于根据所确定的拦砂坝类型，确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数，其包括:

当所确定的拦砂坝类型为实体拦砂坝时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第一优化系数；

当所确定的拦砂坝类型为缝隙拦砂坝时，计算所述缝隙拦砂坝坝体的缝隙相对开口宽度，当所述缝隙相对开口宽度小于或等于第一阈值时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第一优化系数，以及当所述缝隙相对开口宽度大于第一阈值且小于等于第二阈值时，则确定用于计算所述待修建拦砂坝最大冲击压强的优化系数为第二优化系数；

其中，所述第一优化系数大于所述第二优化系数；所述第一阈值小于所述第二阈值；

选取压强分布模块，用于根据预先设置的冲击压强分布模型与优化系数之间的对应关系，选取与所述优化系数相对应的冲击压强分布模型；

计算模块，用于根据所选取的冲击压强分布模型，计算泥石流作用在拦砂坝上的最大冲击荷载。

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