CN112211164B - 一种泥石流桩群型拦挡结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型泥石流桩群型拦挡结构及方法，包括至少三排桩体；沿泥石流流向，首先放置分流型桩、其次放置导流Ⅰ型桩、最后放置导流Ⅱ型桩；泥石流流经第一排桩时对泥石流进行分流，使泥石流流向不同的功能区；各排桩之间通过曲面引导泥石流的转向，与来流泥石流交汇，形成混杂消能区以对泥石流进行能量耗散；泥石流被逐级分流、引导、转向、对冲后其流速和动能逐级降低，最终降低泥石流运移距离和对防护对象的冲击力，减弱受灾程度和范围，提高防护对象的安全性。与现有技术相比，本发明具有结构受力更为合理、结构更为稳定、经济成本低等优势。

Description

一种泥石流桩群型拦挡结构及方法

技术领域

本发明属于工程地质领域，尤其涉及一种泥石流拦挡结构。

背景技术

泥石流指在山区因大规模降雨等因素引发的含有大量固体成分的特殊洪流。因其具有密度高、运动速度快、运移距离远，破坏能力强的特点，常常造成极大的财产损失和人员伤亡。

我国是多山国家，在极端气候增多和强烈人类工程活动的背景下，近年来泥石流灾害频发，给人民生命、财产安全构成了极大威胁。因而开发有效的拦挡结构，通过减少泥石流的流速和动能，从而降低泥石流运移距离和冲击力，减弱受灾程度和范围，提高防护对象的安全性，具有重大的社会经济意义。

现有技术中，桩群型拦挡结构是一种行之有效的手段。这种结构通过在泥石流流通区设置桩体阵列，当泥石流经过桩群时，在桩与桩之间形成土拱结构，在泥石流与桩群的相互作用中，土拱结构不断地形成、破坏、重建，造成流动能量损失，从而实现减灾防护目的。

传统桩群型拦挡结构的缺点在于桩体承受冲击力不均匀，第一排桩体承受了最大的冲击力，后面的桩体承受的冲击力依次递减。这种冲击力分布会引发以下效应：（1）第一排桩有最大的破坏风险，当其破坏后，为泥石流提供了更为丰富的物源，产生连锁反应引发下级桩体的破坏，从而使泥石流能量逐级放大，造成巨大损失；（2）在设计时，为满足设计要求，所有桩体都需按照第一排受承受的最大冲击力进行设计，从而造成材料的浪费。

为此，有必要开发一种结构受力更为合理的桩群型拦挡结构，以提高结构的稳定性和经济性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种结构受力更为合理，经济安全的泥石流拦挡结构。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种新型泥石流桩群型拦挡结构，其特征在于，包括至少三排桩体；

所述桩体包括分流型桩（1）、导流Ⅰ型桩（2）及导流Ⅱ型桩（3），布置方式：

沿泥石流流向，首先放置分流型桩（1）、其次放置导流Ⅰ型桩（2）、最后放置导流Ⅱ型桩（3）。

所述的一种新型泥石流桩群型拦挡结构，其特征在于，

所述分流型桩（1）截面为梯形和半圆的组合体，由第一分流短边（8）、第一导流短边（9）、第一导流长边（11）及第一转向短边（12）组成：

由端点A沿泥石流流向（7）偏转角度α做线段AB形成第一分流短边（8）；

由端点B做线段BC形成第一导流短边（9），线段AB与线段BC之间夹角为180°-2α；sa

在确定好第一分流短边（8）和第一导流短边（9）的几何参数后，桩体其他几何参数由以下几何关系确定：于端点C做线段BC的垂线，于端点A做线段BC的平行线，两线相交于点D，线段AD形成第一导流长边（11）；以直线CD的中点O1为圆心，线段CD为直径，做圆弧CD以封闭整个截面图形；圆弧CD形成第一转向短边（12）；

所述导流Ⅰ型桩（2）截面为梯形、圆弧和三角形的组合体，由第二分流短边（13）、第二导流短边（14）、第二导流长边（19）、第二转向短边（17）及第二转向长边（20）组成：

在确定第二分流短边（13）和第二导流短边（14）的几何参数后，桩体其他几何参数由以下几何关系确定：由端点G做垂直于泥石流流向（7）的直线，由E做EF的平行线，两线相交于点H，用直线连接E点和H点形成第一辅助线（15），用直线连接G点和H点形成第二辅助线（16）；由端点E做线段GH的平行线，由端点H做线段EF的平行线，两线交于点I，用直线连接HI形成第二导流长边（19）；

由端点G做线段FG的垂线，由端点H做直线HI的垂线，两线交于点O2，以O2为圆心，点H和O2连线为半径，做圆弧HG形成第二转向短边（17）；

由端点I线段HI的垂线，由端点E做线段EH的垂线，两线交于点O3，以O3为圆心，点I和O3连线为半径，做圆弧IE形成第二转向长边（20）；

所述导流Ⅱ型桩（3）截面可由导流Ⅰ型桩（2）截面镜像得到。

所述的一种新型泥石流桩群型拦挡结构，其特征在于，所述分流型桩（1）、导流Ⅰ型桩（2）及导流Ⅱ型桩（3）垂直于泥石流流向等间距放置。

所述的一种新型泥石流桩群型拦挡结构，其特征在于，每排桩体间距的总和需大于泥石流宽的1/3。

所述的一种新型泥石流桩群型拦挡结构，其特征在于，泥石流沟壁距桩体的最近距离需小于每排桩间距的1/2。

基于上述本发明提供的新型桩群式拦挡结构，采用多级分流、引导、转向、对冲设计来实现泥石流的分流及引导方法：

(1)泥石流流经分流型桩1时，流域被分为初级Ⅰ导流区21和初级Ⅱ导流区22；

(2)分流型桩1和导流Ⅰ型桩2之间形成流体Ⅰ转向区23；

(3)初级Ⅰ导流区21和流体Ⅰ转向区23的流体在初级混杂消能区24对冲消能；

(4)导流Ⅰ型桩2之间形成次级导流区25；

(5)导流Ⅰ型桩2和导流Ⅱ型桩3之间形成流体Ⅱ转向区26；

(6)次级导流区25和流体Ⅱ转向区26的流体在混杂消能区27对冲消能。

综上，本发明的有益效果在于：通过桩体对泥石流的分流和引导，充分利用流向相反的流体对流消能，尽量避免泥石流和桩体的直接冲击；使各排桩体所承受的冲击力基本相同，减少第一排桩体破坏的风险；与传统方法泥石流和桩体之间直接撞击而使泥石流耗能的理念相比，本发明通过桩体间形成的转向区和混杂消能区实现泥石流流体的能量耗散，减少了泥石流和桩体直接撞击产生的冲击力，提高了桩体的安全性。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为分流型桩截面设计示意图；

图3为导流型桩（Ⅰ型/Ⅱ型）截面设计示意图；

图4为泥石流分流引导对冲示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例为对本发明的技术方案进行详细的阐述，未作说明的部分，例如桩体的高度和间距，需结合实际情况进行设计，本领域技术人员在本发明的指导下，可根据现有条件通过实验和计算进行修建，不影响发明的实施。

如图1所示，一种新型泥石流桩群型拦挡结构，其基本单位由设在泥石流沟6内3个不同形状的基本桩体组成；

本发明拦挡结构由分流型桩1，导流Ⅰ型桩2，导流Ⅱ型桩3组成。

沿泥石流来流方向，分流型桩1组成第一排桩，导流Ⅰ型桩2第二排桩，导流Ⅱ型桩3构成第三排桩；各排桩体沿流宽方向均匀分布；在泥石流沟边缘，桩体不必紧靠两侧的沟壁4、5设置。

分流型桩1的构造，其截面如图2所示：

（1）由端点A沿泥石流流向7偏转角度α做线段AB形成第一分流短边8 (作为实施例，α的夹角范围优选为10°-20°，第一分流短边8的长度范围优选为：泥石流沟宽度的1/10-1/20）；

（2）由端点B做线段BC形成第一导流短边9，线段AB与线段BC之间夹角为180°-2α(作为实施例，第一导流短边9长度范围优选为：分流短边8长度的1.5-2倍）；

（3）在以上确定好第一分流短边8和第一导流短边9的几何参数后，桩体其他几何参数可由以下几何关系确定：于端点C做线段BC的垂线，于端点A做线段BC的平行线，两线相交于点D，线段AD形成第一导流长边11；以直线CD的中点O1为圆心，线段CD为直径，做圆弧CD以封闭整个截面图形；圆弧CD形成第一转向短边12。

导流Ⅰ型桩2截面如图3所示:

(1)由端点E沿泥石流流向7偏转角度α做线段EF形成第二分流短边13（作为实施例，α的夹角范围推荐为10°-20°，第二分流短边13长度范围优选为：泥石流沟宽度的1/10-1/20）；

(2)由端点F做线段FG形成第二导流短边14，线段EF与线段FG之间夹角为180°-2α（作为实施例，第二导流短边14长度范围优选为：第二分流短边13长度的1.5-2倍）；

在确定第二分流短边13和第二导流短边14的几何参数后，桩体其他几何参数可由以下几何关系确定：由端点G做垂直于泥石流流向7的直线，由E做EF的平行线，两线相交于点H，用直线连接E点和H点形成第一辅助线15，用直线连接G点和H点形成第二辅助线16 ；由端点E做线段GH的平行线，由端点H做线段EF的平行线，两线交于点I，用直线连接HI形成第二导流长边19；

由端点G做线段FG的垂线，由端点H做直线HI的垂线，两线交于点O2，以O2为圆心，点H和O2连线为半径，做圆弧HG形成第二转向短边17；

由端点I线段HI的垂线，由端点E做线段EH的垂线，两线交于点O3，以O3为圆心，点I和O3连线为半径，做圆弧IE形成第二转向长边20。

导流Ⅱ型桩3可由导流Ⅰ型桩2镜像得到。

基于上述结构布置和结构设计，作用机制为：

如图4所示，一种新型泥石流桩群型拦挡结构设置在沟壁4、5之间的泥石流沟6内。当泥石流流经分流型桩1时，流体分别流入初级导流区21，初级Ⅱ导流区22；流体在流过初级Ⅱ导流区22在遇到导流Ⅰ型桩2后由桩体曲面导流转向进入流体Ⅰ转向区23；转向流体和初级Ⅰ导流区21内流体一部分流入初级混杂消能区24形成湍流进行初步消能；初级导流区21流体的大部分沿流向继续流动进入导流Ⅰ型桩2之间形成的次级导流区25；次级导流区25内流体的一部分在遇到导流Ⅱ型桩3后流入由桩体曲面导流转向形成的流体Ⅱ转向区26；流体Ⅱ转向区26的流体和次级导流区25内流体的另一部分在混杂消能区27对冲对泥石流进行进一步消能减速。

Claims (5)

1.一种泥石流桩群型拦挡结构，其特征在于，包括至少三排桩体；

所述桩体包括分流型桩(1)、导流Ⅰ型桩(2)及导流Ⅱ型桩(3)，布置方式：

沿泥石流流向，首先放置分流型桩(1)、其次放置导流Ⅰ型桩(2)、最后放置导流Ⅱ型桩(3)；

所述分流型桩(1)截面为梯形和半圆的组合体，由第一分流短边(8)、第一导流短边(9)、第一导流长边(11)及第一转向短边(12)组成：

由端点A沿泥石流流向(7)偏转角度α做线段AB形成第一分流短边(8)；

由端点B做线段BC形成第一导流短边(9)，线段AB与线段BC之间夹角为180°-2α；在确定好第一分流短边(8)和第一导流短边(9)的几何参数后，桩体其他几何参数由以下几何关系确定：于端点C做线段BC的垂线，于端点A做线段BC的平行线，两线相交于点D，线段AD形成第一导流长边(11)；以直线CD的中点O1为圆心，线段CD为直径，做圆弧CD以封闭整个截面图形；圆弧CD形成第一转向短边(12)；

所述导流Ⅰ型桩(2)截面为梯形、圆弧和三角形的组合体，由第二分流短边(13)、第二导流短边(14)、第二导流长边(19)、第二转向短边(17)及第二转向长边(20)组成：

在确定第二分流短边(13)和第二导流短边(14)的几何参数后，桩体其他几何参数由以下几何关系确定：由端点G做垂直于泥石流流向(7)的直线，由E做EF的平行线，两线相交于点H，用直线连接E点和H点形成第一辅助线(15)，用直线连接G点和H点形成第二辅助线(16)；由端点E做线段GH的平行线，由端点H做线段EF的平行线，两线交于点I，用直线连接HI形成第二导流长边(19)；

由端点G做线段FG的垂线，由端点H做直线HI的垂线，两线交于点O2，以O2为圆心，点H和O2连线为半径，做圆弧HG形成第二转向短边(17)；

由端点I线段HI的垂线，由端点E做线段EH的垂线，两线交于点O3，以O3为圆心，点I和O3连线为半径，做圆弧IE形成第二转向长边(20)；

所述导流Ⅱ型桩(3)截面由导流Ⅰ型桩(2)截面镜像得到。

2.根据权利要求1所述的一种泥石流桩群型拦挡结构，其特征在于，所述分流型桩(1)、导流Ⅰ型桩(2)及导流Ⅱ型桩(3)垂直于泥石流流向等间距放置。

3.根据权利要求1所述的一种泥石流桩群型拦挡结构，其特征在于，每排桩体间距的总和需大于泥石流宽的1/3。

4.根据权利要求3所述的一种泥石流桩群型拦挡结构，其特征在于，泥石流沟壁距桩体的最近距离需小于每排桩间距的1/2。

5.基于权利要求1所述泥石流桩群型拦挡结构，其特征在于，采用多级分流、引导、转向、对冲设计来实现泥石流的分流及引导过程：

(1)泥石流流经分流型桩(1)时，流域被分为初级Ⅰ导流区(21)和初级Ⅱ导流区(22)；

(2)分流型桩(1)和导流Ⅰ型桩(2)之间形成流体Ⅰ转向区(23)；

(3)初级Ⅰ导流区(21)和流体Ⅰ转向区(23)的流体在初级混杂消能区(24)对冲消能；

(4)导流Ⅰ型桩(2)之间形成次级导流区(25)；

(5)导流Ⅰ型桩(2)和导流Ⅱ型桩(3)之间形成流体Ⅱ转向区(26)；

(6)次级导流区(25)和流体Ⅱ转向区(26)的流体在混杂消能区(27)对冲消能。

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