CN111764352B - 一种桥梁工程防治泥石流的消散结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土木工程，具体涉及一种桥梁工程防治泥石流的消散结构及设计方法，消散结构包括消散系统和设置于桥梁上游的拦挡坝，消散系统设置于沟道侧部的坡体内，消散系统包括泄流洞、消散腔和排导洞；泄流洞一端与拦挡坝上游的沟道连通，另一端与消散腔一端连通，且泄流洞与消散腔连通一端的出口轴线方向与消散腔的轴线方向异面；消散腔另一端与排导洞连通，排导洞与拦挡坝下游的沟道连通，消散腔的上方设有通风孔，通风孔用于连通消散腔与大气；消散腔的内壁设有多个凸起结构。设计方法用于设计该消散结构。本发明能够通过消散泥石流动能保护桥墩，直接从源头上消散泥石流能量，修复维修方便，不影响桥梁本体结构。

Description

一种桥梁工程防治泥石流的消散结构及设计方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，特别是一种桥梁工程防治泥石流的消散结构及设计方法。

背景技术

桥梁工程遭受泥石流等冲积物冲击暴发时，巨大的冲刷作用可能导致桥墩失稳；冲积物淤积会造成桥梁净空丧失，使得道路中断与损毁。尤其在山区地区，地质灾害频发，冲积物能量大，体量大，对桥墩的破坏更强。目前的桥墩防护措施主要以防护装置为主。

例如，授权公告号为CN202347498U的中国实用新型专利公开了一种桥墩防护装置。其结构是在桥墩的迎水面及背水面处分别设有呈角状的导水部及引水部，并在导水部的前端处包覆有防护单元。该防护单元包括结合于导水部上的防护里层和结合于防护里层外的防护外层，且在防护里层与防护外层之间还设有缓冲层。该装置本质是在水泥桥墩迎水面增设了防护缓冲层，其不足之处主要在于：一、虽然防护缓冲层可减轻冲积物对桥墩的冲击，但是含有大量粗颗粒的冲积物流体从桥墩侧面流过时，存在冲积物体对桥墩建筑材料的明显磨蚀问题，不利长期使用。二、防护缓冲层是与桥墩设计为一体，维护更换成本高。

因此，需要提供一种从本质上降低泥石流能量消散结构，能够防止桥墩受到冲刷。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种桥梁工程防治泥石流的消散结构及设计方法，其对泥石流到达桥墩前进行能量消散，实现对桥墩的防护。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种桥梁工程防治泥石流的消散结构，包括消散系统和设置于桥梁上游的拦挡坝，所述消散系统设置于沟道侧部的坡体内，所述消散系统包括泄流洞、消散腔和排导洞；所述泄流洞一端与拦挡坝上游的沟道连通，另一端与消散腔一端连通，且所述泄流洞与所述消散腔连通一端的出口轴线方向与所述消散腔的轴线方向异面；所述消散腔另一端与所述排导洞连通，所述排导洞与所述拦挡坝下游的沟道连通，所述消散腔的上方设有通风孔，所述通风孔用于连通所述消散腔与大气；所述消散腔的内壁设有多个凸起结构。

本发明通过上述设置于桥梁上游的消散结构，在发生泥石流灾害时，拦挡坝上游超出泄流洞水位线以上的泥石流进入坡体内的泄流洞，然后在消散腔内产生旋流、结合消散腔内壁的凸起结构消散泥石流的动能，泥石流在产生旋流的过程中，从通风孔进入消散腔的空气与泥石流混杂，通过空气摩擦阻力进一步降低泥石流的动能。经过消散腔消散动能后的泥石流通过排导洞再次排入拦挡坝下游沟道内，再次进入沟道内的泥石流动能极大减小，继续向下游流动时，对桥墩的冲刷减小，从而保护了桥墩。

在上述的结构中，泄流洞与消散腔连通一端的出口轴线方向与消散腔的轴线方向异面，即：泄流洞与消散腔连通一端的出口轴线方向与消散腔的轴线方向既不相交也不平行，泥石流沿泄流洞与消散腔连通一端的出口轴线方向进入消散腔内时，能够在消散腔内部产生旋流，使消散腔内的泥石流的速度具有沿消散腔壁面切线方向上的分量，而通过消散腔内壁的凸起结构可以增加消散腔腔壁的阻力、起到阻碍泥石流沿消散腔壁面切线方向流动的作用，从而能够减小消散腔内的泥石流沿消散腔壁面切线方向的速度分量，即减小泥石流流速，起到泥石流动能的消散作用。

作为本发明的一种可选的方案，消散结构还包括过渡腔，所述消散腔与所述排导洞通过所述过渡腔连通，所述过渡腔的横截面尺寸小于所述消散腔的横截面尺寸，所述过渡腔的轴线方向与所述消散腔的轴线方向保持一致。通过上述的结构，消散腔的出口端与过渡腔相连，由于过渡腔的横截面尺寸小于消散腔的横截面尺寸，避免泥石流在过渡腔内继续保持旋流状态、使过渡腔起到缓冲作用，通过泥石流在消散腔和过渡腔的速度变化，从而进一步提高动能耗散作用。

作为本发明的一种可选的方案，所述消散腔与所述过渡腔的轴线方向均自上而下地设置。

作为本发明的一种可选的方案，所述消散腔与所述过渡腔之间设有锥形连接段，所述锥形连接靠近所述过渡腔一端的横截面尺寸小于靠近所述消散腔一端的横截面尺寸。通过上述结构，既能够使泥石流迅速从消散腔中进入过渡腔中，又使得泥石流在锥形连接段处与锥形连接段的内壁产生相互作用，保证泥石流动能消散的效果。

作为本发明的一种可选的方案，凸起结构包括嵌设于消散腔内壁的鹅卵石。

作为本发明的一种可选的方案，所述泄流洞的出口方向与所述消散腔的内壁相切。通过上述结构，泄流洞中的泥石流沿消散腔内壁的切线方向进入到消散腔中，泥石流的动能消散效果更好。

一种桥梁工程防治泥石流的消散结构的设计方法，包括以下步骤：

S1.根据现场情况，初步设定消散腔与过渡腔长度之和以及过渡腔半径，并根据消散腔半径计算公式计算得到对应的消散腔半径；

S2.根据泥石流流量以及上一步骤中计算得到的消散腔半径，计算得到消散腔内壁受到的水流压强，消散腔内壁的抗压强度不小于消散腔内壁受到的水流压强。

本发明提供的上述设计方法，综合考虑了现场情况和消散腔内壁受到的水流压强，保证消散腔内壁的抗压强度大于水流压强。

作为本发明的一种可选的方案，所述消散腔半径计算公式为：

式中，a为消散腔的半径；

q为需要排导的泥石流流量；

h为泄流洞以上水头高度，根据泥石流流量和经验确定；

g为重力加速度；

μ为流量系数；

λ为沿程阻力系数；

L为消散腔和过渡腔的长度之和，根据现场地形确定；

b为过渡腔的半径，根据现场地形确定；

a为消散腔的半径。

作为本发明的一种可选的方案，所述消散腔内壁受到的水流压强的计算方法为：

式中，p为消散腔内壁受到的水流压强；

ρ为水的密度；

V为旋转水流速度；

a为消散腔的半径；

h₁为旋转水流在消散腔径向方向上的深度，由实验测得。

作为本发明的一种可选的方案，在所述步骤S1中，根据现场情况，设定消散腔与过渡腔长度之和以及过渡腔半径的取值范围，并在取值范围内确定消散腔与过渡腔长度之和以及过渡腔半径的初步设定值；所述设计方法还包括以下步骤：

S3.若所述步骤S2中计算得到的水流压强超出预设范围，则重新确定消散腔与过渡腔长度之和以及过渡腔半径，重复步骤S1及步骤S2。

具体的，预设范围可以根据工程成本预算确定，例如，消散腔内壁的抗压强度较大时，需要采用抗压能力更强的材料修筑消散腔内壁，将会导致成本较高，若计算得到的水流压强达到一定程度，以至于消散腔的修筑成本高于工程预算，则可以再次进行步骤S1及步骤S2，重新确定过渡腔长度之和以及过渡腔半径的取值，并计算出相应的水流压强，直至水流压强处于预设范围中。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、通过上述设置于桥梁上游的消散结构，在发生泥石流灾害时，泥石流进入两侧坡体内的泄流洞，然后在消散腔内产生旋流、结合消散腔内壁的凸起结构消散泥石流的动能，并通过排导洞再次排入沟道内，再次进入沟道内的泥石流动能极大减小，继续向下游流动时，对桥墩的冲刷减小，从而保护了桥墩。

2、设置了过渡腔，由于过渡腔的横截面尺寸小于消散腔的横截面尺寸，避免泥石流在过渡腔内继续保持旋流状态、使过渡腔起到缓冲作用，通过泥石流在消散腔和过渡腔的速度变化，从而进一步提高动能耗散作用。

3、设置了连通消散腔与大气的通风孔，泥石流在产生旋流的过程中，从通风孔进入消散腔的空气与泥石流混杂，通过空气摩擦阻力进一步降低泥石流的动能。

4、泄流洞的出口方向与所述消散腔的内壁相切，泄流洞中的泥石流沿消散腔内壁的切线方向进入到消散腔中，泥石流的动能消散效果更好。

5、本发明提供的消散结构的设计方法，综合考虑了现场情况和消散腔内壁受到的水流压强，保证消散腔内壁的抗压强度大于水流压强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的消散结构的结构时示意图。

图2是本发明实施例提供的消散结构在另一视角下的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的泄流洞与消散腔连接处的结构示意图。

图4是本发明提供的消散结构的俯视示意图。

图5是本发明提供的消散结构的部分结构参数示意图。

图6是本发明提供的消散结构的部分结构参数示意图。

图7是本发明提供的消散结构的消散腔内壁所受水流压强计算原理的示意图。

图标：1-拦挡坝；2-桥墩；3-坡体；4-泄流洞；5-消散腔；51-锥形连接段；6-过渡腔；7-排导洞；8-通风孔；10-泥石流；11-沟道。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

请参阅图1-图4。本发明实施例提供了一种桥梁工程防治泥石流10的消散结构，包括设置于桥梁上游的拦挡坝1和消散系统，所述消散系统设置于沟道11侧部的坡体3内，具体的，沟道11两侧的坡体3内可对称设置两个消散结构。

消散系统包括泄流洞4、消散腔5、过渡腔6、排导洞7和通风孔8。其中，泄流洞4一端与拦挡坝1上游的沟道11连通，另一端与消散腔5上端连通。消散腔5下端通过锥形连接段51与过渡腔6连通，消散腔5的内径大于过渡腔6的内径，且消散腔5、锥形连接段51与过渡腔6的轴线均自上而下地设置。排导洞7一端与过渡腔6连通，另一端朝向沟道11下游并与拦挡坝1下游的沟道11连通。通风孔8设置于消散腔5上方，用于连通消散腔5和大气。

泄流洞4与消散腔5连通一端的出口轴线方向与消散腔5的轴线方向异面，即，使得泥石流10从泄流洞4进入消散腔5中时，泥石流10的瞬时速度方向与消散腔5的轴线方向既不相交也不平行，使泥石流10能够在消散腔5中形成旋流。进一步的，本实施例中，泄流洞4的出口方向与消散腔5的内壁相切，即，泥石流10从泄流洞4进入消散腔5中时，泥石流10的瞬时速度方向与消散腔5的内壁相切，有助于使泥石流10在消散腔5中停留更长时间，动能消散效果更好。

消散腔5的内壁设有多个凸起结构，具体的，本实施例中，消散腔5的内壁中嵌设多个鹅卵石，通过嵌设的鹅卵石形成凸起结构，使得消散腔5的内壁呈现凹凸不平状。通过凸起结构增加消散腔5内壁与泥石流10之间的摩擦力，提高动能消散效果。

消散腔5、锥形连接段51和过渡腔6可以竖直设置或沿地形自上而下地倾斜设置。锥形连接段51与消散腔5连通的一端大于锥形端与过渡腔6连通的一端。

本发明实施例提供的上述桥梁工程防治泥石流10的消散结构的有益效果在于：

1、通过上述设置于桥梁上游的消散结构，在发生泥石流10灾害时，超过泄流洞4水位线以上的泥石流10涌入泄流洞4，然后在消散腔5内产生旋流、结合消散腔5内壁的凸起结构消散泥石流10的动能，并通过排导洞7再次排入沟道11内，能量消减后泥石流10固体颗粒物堆积在沟道11内，水流继续向前低速流动，从而防止桥墩2被泥石流10冲刷和撞击。

2、设置了过渡腔6，由于过渡腔6的横截面尺寸小于消散腔5的横截面尺寸，避免泥石流10在过渡腔6内继续保持旋流状态、使过渡腔6起到缓冲作用，通过泥石流10在消散腔5和过渡腔6的速度变化，从而进一步提高动能耗散作用。

3、设置了连通消散腔5与大气的通风孔8，泥石流10在产生旋流的过程中，从通风孔8进入消散腔5的空气与泥石流10混杂，通过空气摩擦阻力进一步降低泥石流10的动能。

4、泄流洞4的出口方向与所述消散腔5的内壁相切，泄流洞4中的泥石流10沿消散腔5内壁的切线方向进入到消散腔5中，泥石流10的动能消散效果更好。

5、本发明直接从源头上消散泥石流10能量，与现有技术中的防冲击装置相比，修复维修方便，不影响桥梁本体结构。

请参阅图5-图7，本发明实施例还提供了一种桥梁工程防治泥石流10的消散结构的设计方法，用于确定上述消散结构中的相关参数。该设计方法包括以下步骤：

S1.根据现场情况，初步设定消散腔5与过渡腔6长度之和以及过渡腔6半径，并根据消散腔5半径计算公式计算得到对应的消散腔5半径；

消散腔5的半径a的计算公式为：

式中，a为消散腔5的半径，单位为m；

q为需要排导的泥石流10流量，单位为m³/s；

h为泄流洞4以上水头高度，根据泥石流10流量和经验确定，单位为m；

g为重力加速度；

μ为流量系数；

λ为沿程阻力系数；

L为消散腔5和过渡腔6的长度之和，单位为m；

b为过渡腔6的半径，单位为m；

a为消散腔5的半径，单位为m。

根据上述两式可知，消散腔5半径a为关于消散腔5和过渡腔6的长度之和L、过渡腔6半径b的函数。故在步骤S1中，可以根据工程现场的实际地形情况，初步设定L和b的取值，并根据该初步设定的L和b，计算得到对应的消散腔5半径a。

S2.根据泥石流10流量以及上一步骤中计算得到的消散腔5半径，计算得到消散腔5内壁受到的水流压强，消散腔5内壁的抗压强度不小于消散腔5内壁受到的水流压强。

消散腔5内壁水流压强的计算公式为：

式中，p为消散腔5内壁受到的水流压强，单位为Pa；

ρ为水的密度；

V为旋转水流速度，单位为m/s；

a为消散腔5的半径，单位为m；

h₁为旋转水流在消散腔5径向方向上的深度，可由实验测得。

需要保证消散腔5内壁的设计抗压强度不小于消散腔5内壁受到的水流压强p。

进一步的，请参阅图7，式(1)通过以下过程推论得到：

泄流洞4出口断面的平均流速为

式中，Q为泥石流10流量；

c为泄流洞4出口断面半径。

由于旋转水流在离心力作用下，在消散腔5的腔壁上产生压力，作用在消散腔5的腔壁上的离心惯性力为：

以a为积分上限，a-h₁为积分下限，进行积分后得到式(1)。

S3.若所述步骤S2中计算得到的水流压强超出预设范围，则重新确定消散腔及过渡腔6长度之和L以及过渡腔6半径b，重复步骤S1及步骤S2。

具体的，预设范围可以根据工程成本预算确定，例如，消散腔5内壁的抗压强度较大时，需要采用抗压能力更强的材料修筑消散腔5内壁，将会导致成本较高，若计算得到的水流压强达到一定程度，以至于消散腔5的修筑成本高于工程预算，则可以再次进行步骤S1及步骤S2，重新确定消散腔5及过渡腔6长度之和L以及过渡腔6半径b的取值，并计算出相应的水流压强，直至水流压强处于预设范围中。

进一步的，在步骤S1中，也可以是根据现场地形情况给出重新确定消散腔5及过渡腔6长度之和L以及过渡腔6半径b所允许的取值范围，在取值范围内初设具体取值，并以此进行步骤S2，若计算得到的水流压强在预设范围外，则在再次进行步骤S1时，在消散腔5及过渡腔6长度之和L以及过渡腔6半径b的取值范围中再次选择其他取值，直至水流压强处于预设范围中。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桥梁工程防治泥石流的消散结构，其特征在于，包括消散系统和设置于桥梁上游的拦挡坝，所述消散系统设置于沟道侧部的坡体内，所述消散系统包括泄流洞、消散腔和排导洞；

所述泄流洞一端与所述拦挡坝上游的沟道连通，另一端与消散腔5一端连通，且所述泄流洞与所述消散腔连通一端的出口轴线方向与所述消散腔的轴线方向异面；

所述消散腔另一端与所述排导洞连通，所述排导洞与所述拦挡坝下游的沟道连通，所述消散腔的上方设有通风孔，所述通风孔用于连通所述消散腔与大气；

所述消散腔的内壁设有多个凸起结构。

2.根据权利要求1所述的桥梁工程防治泥石流的消散结构，其特征在于，还包括过渡腔，所述消散腔与所述排导洞通过所述过渡腔连通，所述过渡腔的横截面尺寸小于所述消散腔的横截面尺寸，所述过渡腔的轴线方向与所述消散腔的轴线方向保持一致。

3.根据权利要求2所述的桥梁工程防治泥石流的消散结构，其特征在于，所述消散腔与所述过渡腔的轴线方向均自上而下地设置。

4.根据权利要求2所述的桥梁工程防治泥石流的消散结构，其特征在于，所述消散腔与所述过渡腔之间设有锥形连接段，所述锥形连接段靠近所述过渡腔一端的横截面尺寸小于靠近所述消散腔一端的横截面尺寸。

5.根据权利要求1所述的桥梁工程防治泥石流的消散结构，其特征在于，所述凸起结构包括嵌设于所述消散腔内壁的鹅卵石。

6.根据权利要求1所述的桥梁工程防治泥石流的消散结构，其特征在于，所述泄流洞的出口方向与所述消散腔的内壁相切。

7.一种权利要求2-4任一项所述的桥梁工程防治泥石流的消散结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.根据现场情况，初步设定消散腔与过渡腔长度之和L以及过渡腔半径b，并根据消散腔半径计算公式计算得到对应的消散腔半径；

S2.根据泥石流流量以及上一步骤中计算得到的消散腔半径，计算得到消散腔内壁受到的水流压强，消散腔内壁的设计抗压强度不小于消散腔内壁受到的水流压强。

8.根据权利要求7所述的桥梁工程防治泥石流的消散结构的设计方法，其特征在于，所述消散腔半径计算公式为：

式中，a为消散腔的半径；q为需要排导的泥石流流量；

h为泄流洞以上水头高度，根据泥石流流量和经验确定；

g为重力加速度；

μ为流量系数；

λ为沿程阻力系数；

L为消散腔和过渡腔的长度之和；

b为过渡腔的半径；

a为消散腔的半径。

9.根据权利要求8所述的桥梁工程防治泥石流的消散结构的设计方法，其特征在于，所述消散腔内壁受到的水流压强的计算方法为：

式中，p为消散腔内壁受到的水流压强；

ρ为水的密度；

V为旋转水流速度；

a为消散腔的半径；

h₁为旋转水流在消散腔径向方向上的深度，由实验测得。

10.根据权利要求7所述的桥梁工程防治泥石流的消散结构的设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，根据现场情况，设定消散腔与过渡腔长度之和L以及过渡腔半径b的取值范围，并在取值范围内确定消散腔与过渡腔长度之和L以及过渡腔半径b的初步设定值；

所述设计方法还包括以下步骤：

S3.若所述步骤S2中计算得到的水流压强超出预设范围，则重新确定消散腔与过渡腔长度之和L以及过渡腔半径b，重复步骤S1及步骤S2。

Images