CN111639445B - 泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法、应用。本发明泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法引入累积启动量作为评估指标，度量坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除过程中的物料释放规模，判断其对沟道下游产生危害程度。针对性解决了泥石流防治工程中一个新的技术问题，即因拦挡坝上游泥石流回淤而在拦挡坝前经年堆积形成的坝前回淤堆积体作为一种潜在危害，确切地会在拦挡坝拆除中产生多大程度的危险？本发明同时提供该泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法在泥石流拦挡坝拆除工程中的应用。本发明测算方法与应用方法所需参数能够通过野外调查、取样与资料收集来获得，方便简洁，适应实际工程设计需要。

Description

泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法、 应用

技术领域

本发明涉及一种泥石流拦挡坝工程测算方法，特别是涉及一种对泥石流拦挡坝坝前的泥石流回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性的测算方法，属于泥石流灾害防治工程技术领域。

背景技术

拦挡坝是泥石流“稳、拦、排”治理工程中“拦”的重要构筑体，已在泥石流灾害防治中有大量应用。它不仅能拦蓄部分泥石流固相物质，减小泥石流规模，还能稳定沟坡、控制沟道侵蚀，抑制泥石流发育。由于拦挡坝工程在泥石流防治中应用历史久、修建数量多、分布范围广，因而出现的问题也不可避免。目前有为数不少的拦挡坝已进入设计年限的后期，或者超出使用年限，丧失原有设计功能而无法正常运行。这类拦挡坝往往面临整体拆除问题。在正常运行的拦挡坝中，一些设计不够合理、拦挡功能过强的拦挡坝往往引起下游主河含砂率下降、侵蚀河道、破坏河岸建筑物，以及因其生物阻隔作用而在一定程度上破坏泥石流沟道生态等问题。这类拦挡坝也面临整体拆除或局部拆除问题。在泥石流防治技术领域内，拦挡坝的拆除受到了越来越多的关注。

拦挡坝在运行中，上游泥石流会发生泥石流回淤现象，逐渐在拦挡坝坝前形成堆积体，既不停堆积，又改变坝底扬压力，演变成为泥石流潜在物源。拦挡坝拆除工程会破坏原有沟道的冲淤平衡，导致坝前堆积体被侵蚀启动形成泥石流，并在下游形成新的淤积，加剧的泥石流活动势必威胁沟口环境安全。因而，泥石流拦挡坝坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中的危险性必须被充分考虑。但现有技术尚未涉及该领域，更无具体技术方案。

发明内容

为方便描述，本发明首先将拦挡坝上游泥石流在拦挡坝坝前因回淤现象形成的堆积体称为“拦挡坝坝前回淤堆积体”，简称“坝前回淤堆积体”。

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种对坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性加以测算的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法，其特征在于：

采用拦挡坝坝前回淤堆积体的累积启动量V_启动作为满足适用条件的泥石流沟道中拦挡坝拆除危险性的评估指标；

所述适用条件是：泥石流密度ρ＝1300kg/m³～2100kg/m³且泥石流弗劳德数Fr＝2.0～6.0；

对于满足适用条件的泥石流沟道，首先进行泥石流拦挡坝现场踏勘与常规测算，确定泥石流沟道宽度B、拦挡坝高度H、泥石流沟道原始沟床比降S_init、坝前回淤堆积体原始体积V_dep(即拦挡坝拆除时坝前回淤堆积体的体积)、累积泥沙冲出量V_d，根据踏勘调查结果设计拦挡坝拆除高度h；然后依式1计算累积启动率η：

式中，η—坝前回淤堆积体的累积启动率，

h—拦挡坝拆除高度，单位m，

H—拦挡坝高度，单位m，

B—泥石流沟道宽度，单位m，

S_init—泥石流沟道原始沟床比降，

V_d—累积泥沙冲出量，单位m³；

依式2测算坝前回淤堆积体的累积启动量V_启动：

V_启动＝η·V_dep 式2

式中，V_启动—坝前回淤堆积体的累积启动量，单位m³，

V_dep—坝前回淤堆积体原始体积，单位m³。

上述测算方法中，采用拦挡坝坝前回淤堆积体的累积启动率量V_启动作为拦挡坝坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中引发泥石流的危险性评估指标。累积启动量V_启动的含义是指在拦挡坝拆除工程中，随着拦挡坝坝体高度降低而导致的坝前回淤堆积体释放出的堆积物料的体积。确定累积启动量V_启动的关键参数是累积启动率η。累积启动率η是指在不考虑新增淤积的情况下，各阵泥石流侵蚀坝前回淤堆积体的体积之和与拦挡坝拆除时坝前回淤堆积体的体积之比。不考虑新增淤积的原因在于新增淤积的体积相较于坝前回淤堆积体原始体积V_dep要小得多。累积启动率η数学表达式如式3：

式中，η为坝前回淤堆积体累积起动率，V_ero,i为第i阵泥石流侵蚀坝前回淤堆积体的体积(m³)，V_dep含义同前。

上述泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法的原理在于：

泥石流坝前回淤堆积体的累积启动率η主要受拦挡坝拆除高度h、累积泥沙冲出量V_d、泥石流沟道原始沟床比降S_init、拦挡坝高度H、泥石流沟道宽度B的影响。从而有式4：

η＝g(H,h,B,V_d,S_init) 式4

但要将式3作为实际测量技术方案的基础，则需要考虑泥石流密度ρ与弗劳德数Fr。对现有技术公开的泥石流密度ρ与弗劳德数Fr两项指标的统计发现，绝大多数且高发的泥石流体满足泥石流密度ρ＝1300kg/m³～2100kg/m³且弗劳德数Fr＝2.0～6.0条件范围。因而，本发明设定该两项指标为测算方法的适用性判别条件。

在式4基础上选择H、B和S_init为基本物理量，通过量纲分析有式5：

经系统实验建立式6：

联立式5、式6则有式2，可用于测算满足适用条件的泥石流坝前回淤堆积体的累积启动量V_启动。

在对满足适用条件的泥石流沟道中拦挡坝拆除工程中，泥石流坝前回淤堆积体累积启动量V_启动作为危险性评估指标的工程含义是：根据测算结果，可以衡量对于当前拦挡坝若在一定拆除年限Y内拆除高度h后，坝前回淤堆积体(V_dep)会有多少累积启动量V_启动，即原始坝前回淤堆积体V_dep会有多大体积的物料得到释放。进一步可以评估，释放的物料对下游沟道是否足以形成危害，以及释放后剩余的物料(V_dep-V_启动)对拦挡坝与沟道的危害。

在优选条件下，上述方法可以做如下优化：将测算方法的适用条件加以扩展，进一步包括原始沟床比降S_init＝0.1～0.3且拦挡坝拆除前已经处于满库状态。

上述泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法可以应用于拦挡坝拆除工程的设计安排。具体是根据测算结果中拦挡坝拆除高度h、累积启动量V_启动在不同年期的变化，设计合理的拦挡坝拆除高度h等。故，本发明进一步提供上述泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法在泥石流拦挡坝拆除工程中的应用。

上述泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法在泥石流拦挡坝拆除工程中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对性解决了泥石流防治工程中的一个新的技术问题，即因拦挡坝上游的泥石流回淤而在拦挡坝前经年堆积形成的坝前回淤堆积体作为一种潜在危害，确切地会在拦挡坝拆除中产生多大程度的危险？为此，本发明方法引入累积启动量V_启动作为评估指标，度量坝前回淤堆积体释放物料的规模，判断其对沟道下游产生危害程度。本发明设立了测量累积启动量V_启动的关键换算参数累积启动率η，并建立了一套计算方案。本发明测算方法带有明确的适用条件，测算过程更符合科学原理，同时，测算方法所需参数能够通过野外调查、取样、资料收集及业内的现有计算方法来确定，方便简洁，适应实际工程设计需要。本发明同时提供上述泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法在泥石流拦挡坝拆除工程中的应用。该应用方法可在拦挡坝拆除工程中设计合理的拦挡坝拆除高度h与拆除年限Y。

附图说明

图1是泥石流拦挡坝与坝前回淤堆积体关系示意图。

附图中的数字标记分别是：

1拦挡坝 2坝前回淤堆积体 3沟床

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的优选方案作进一步的描述。

实施例一

为了减轻泥石流灾害，某泥石流沟修建了泥石流拦挡坝。该拦挡坝已经淤满，坝前回淤堆积体原始体积V_dep约4.0×10⁴m³(图1是泥石流拦挡坝与坝前回淤堆积体关系示意图)。该拦挡坝阻隔了沟道内生物的交流，现计划将坝体部分拆除，以减小其生物阻隔作用。考虑对下游农田的保护以及主河泥沙输移能力有限，拆除工程设计要求部分拆除后的拦挡坝需控制坝前回淤堆积体在6年内的年启动量均不超过0.8×10⁴m³。

实际观测取样，确定泥石流流体密度ρ＝2100kg/m³，符合测算方法适用条件。计算泥石流弗劳德数Fr＝4.0，同样符合测算方法适用条件。

现场踏勘，确定泥石流沟道宽度B＝40m、拦挡坝高度H＝9m、泥石流沟道原始沟床比降S_init＝0.25、坝前回淤堆积体原始体积V_dep≈4.0×10⁴m³。采用现有技术(蒋忠信，《震后泥石流治理工程设计简明指南》第30～38页，西南交通大学2014年)计算确定沟道年均泥沙冲出量为1.1×10⁴m³，换算得到拆除年限Y为1a、2a、3a、4a、5a、6a时，对应的累积泥沙冲出量V_d分别为1.1×10⁴m³、2.2×10⁴m³、3.3×10⁴m³、4.4×10⁴m³、5.5×10⁴m³、6.6×10⁴m³。依照施工作业条件预设两套方案，设计拦挡坝拆除高度h分别为5m、7m。

将各参数代入式1，计算得到拆除年限Y为1a～6a时坝前回淤堆积体的累积启动率η、(当年)累积启动量V_启动。为计算坝前回淤堆积体每年的物料释放量，引入用当年启动量V_启'_动。当年启动量V_启'_动＝当年的累积启动量V_启动－上一年的累积启动量V_启动。计算得到拆除年限Y为1a～6a时的当年启动量V_启'_动。结果如表1：

表1

从上述计算结果可以看出：当拆除高度为5m时，坝前回淤堆积体最大当年启动量为7640m³，未超过0.8×10⁴m³；当拆除高度为7m时，坝前回淤堆积体最大当年启动量为15320m³，超过0.8×10⁴m³。由此确定，在本次工程中，合理的拦挡坝拆除高度为5m。

实施例二

为了减轻泥石流灾害，某泥石流沟道内修建了泥石流拦挡坝。该拦挡坝已经淤满，所拦蓄的物料主要是泥沙，且是良好的建筑材料。现沟口开展工程建设，欲部分拆除拦挡坝，一为清理泥石流沟道，二为利用拦挡坝拦蓄的泥沙(即坝前回淤堆积体)作为建筑材料。由于运输机械难以靠近拦挡坝，计划将该拦挡坝部分拆除，使坝前回淤堆积体在3年内释放不少于4.0×10⁴m³的泥沙用于工程建设。需应用本发明泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法安排拆除工程。

实际观测取样，确定泥石流流体密度ρ＝1300kg/m³，符合测算方法适用条件。计算泥石流弗劳德数Fr＝5.5，同样符合测算方法适用条件。

根据工程设计条件确定累积启动量V_启动≥4.0×10⁴m³。现场踏勘，确定泥石流沟道宽度B＝100m、拦挡坝高度H＝10m、泥石流沟道原始沟床比降S_init＝0.15、坝前回淤堆积体原始体积V_dep≈20.0×10⁴m³。同实施例一方法确定沟道年均泥沙冲出量为1.1×10⁴m³，换算得到拆除年限Y为1a、2a、3a时，对应的累积泥沙冲出量V_d分别为1.1×10⁴m³、2.2×10⁴m³、3.3×10⁴m³。依照施工作业条件预设两套方案，拦挡坝拆除高度h分别为5m、7m。

将各参数代入式1，计算得到拆除年限Y为1a、2a、3a时坝前回淤堆积体的累积启动率η；再将各参数代入式2，计算得到拆除年限Y为1a、2a、3a时坝前回淤堆积体的累积启动量V_启动，结果如表2：

表2

从上述计算结果可以看出：当拆除高度为5m时，3a内释放坝前回淤堆积体约23000m³，小于所需的4.0×10⁴m³；当拆除高度为7m时，3a内释放坝前回淤堆积体约43200m³，大于所需的4.0×10⁴m³。由此确定，在本次工程中，合理的拦挡坝拆除高度为7m。

Claims (3)

1.泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法，其特征在于：采用拦挡坝前回淤堆积体的累积启动量V_启动作为满足适用条件的泥石流沟道中拦挡坝拆除危险性的评估指标；

所述适用条件是：泥石流密度ρ＝1300kg/m³～2100kg/m³且泥石流弗劳德数Fr＝2.0～6.0；

对于满足适用条件的泥石流沟道，首先进行泥石流拦挡坝现场踏勘与常规测算，确定泥石流沟道宽度B、拦挡坝高度H、泥石流沟道原始沟床比降S_init、坝前回淤堆积体原始体积V_dep、累积泥沙冲出量V_d，根据踏勘调查结果设计拦挡坝拆除高度h；然后依式1计算累积启动率η：

式中，η—坝前回淤堆积体的累积启动率，

h—拦挡坝拆除高度，单位m

H—拦挡坝高度，单位m，

B—泥石流沟道宽度，单位m，

S_init—泥石流沟道原始沟床比降，

V_d—累积泥沙冲出量，单位m³；

依式2测算坝前回淤堆积体的累积启动量V_启动

V_启动＝η·V_dep 式2

式中，V_启动—坝前回淤堆积体的累积启动量，单位m³，

V_dep—坝前回淤堆积体原始体积，单位m³。

2.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于：所述适用条件还包括原始沟床比降S_init＝0.1～0.3且拦挡坝拆除前已经处于满库状态。

3.权利要求1或2所述的泥石流坝前回淤堆积体在拦挡坝拆除中危险性测算方法在泥石流拦挡坝拆除工程中的应用。

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