CN113255046A - 泥石流拦砂坝护坦设计方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开泥石流拦砂坝护坦设计方法、应用。护坦设计方法从泥石流体越坝过流过程两个阶段的能量平衡与运动特征分析，通过引入前期实验研究建立的泥石流流速系数函数，完善两个阶段的关键变量的函数建立起直接考虑泥石流拦砂坝结构特征、拦砂坝库内回淤堆积体特征、泥石流性质特征、沟道地形特征的泥石流拦砂坝护坦设计方法。该方法能够直接基于现场调查数据经科学计算测算护坦长度最小值。方法原理可靠、结果精度高，能够克服现有技术因经验性较强、取值范围变化大而导致在实际工程设计中纵比降取值偏向保守进而增大不必要工程成本的缺陷。本发明方法还能应用于泥石流拦砂坝工程稳定性评估，拦砂坝坝体与副坝之间的最小距离的设计。

Description

泥石流拦砂坝护坦设计方法、应用

技术领域

本发明涉及一种泥石流拦砂坝工程设计方法，特别是涉及一种测算泥石流拦砂坝护坦设计方法，以及该方法在泥石流灾害防治工程措施设计与评估中的应用，属于泥石流灾害防治工程技术领域。

背景技术

拦砂坝泥石流拦砂坝是修建在泥石流沟道内的一种横断沟床的人工建筑物，是“拦”字治理思想在泥石流防治工程中的最重要体现。泥石流拦砂坝一方面具有工程结构简单、防治效果起效快、就地取材、施工及维护方便、使用周期长、造价省等特征，另一方面能同时发挥拦蓄部分泥石流固相物质、减小泥石流规模，与稳定沟坡、控制沟道侵蚀，抑制泥石流发育的作用，长期以来已成为一种理想的泥石流防治工程措施，也是目前泥石流灾害治理中使用最为广泛的工程措施之一。在城镇、矿山、公路、铁路等泥石流防治与环境治理中尤其会被优先采用。

尽管拦砂坝作为调控泥石流运动的关键防治工程，在泥石流灾害治理能够发挥较强的降低泥石流动力、抬高侵蚀基准面、增加沟床稳定性等功能，但是在拦砂坝工程运行过程中，泥石流体的越坝冲刷会不断掏蚀拦砂坝下游沟床，形成冲刷坑，极大地威胁拦砂坝稳定性。为减小或消除泥石流体的坝下冲刷掏蚀作用，拦砂坝工程中一般在拦砂坝下游设置消能防冲工程措施。消能防冲措施主要有副坝与护坦两类。副坝的功效依赖于在坝下形成适当的回淤堆积体，难以在低频泥石流沟道内快速发挥。相较之下，护坦能够立时发挥消能功效，因而有更广泛的适用性。

护坦长度是护坦工程设计中最重要的特征参数，若护坦长度设计过短，则泥石流满库过流后将越过护坦直接冲刷沟床，难以达到防冲消能目的，而护坦长度过长则将增大工程量及建设成本。现有技术中解决此问题主要凭借经验取值。例如《震后泥石流治理工程设计简明指南》、《泥石流防治工程设计规范T/CAGHP021-2018》对护坦长度的建议值均为拦砂坝坝高1.0倍～2.0倍，同时指出应进一步考虑泥石流运动特征与坝高。可见，上述方法中的计算公式尚不成熟，缺乏足够的理论依据。在实际工程设计中，这类方法指导下的拦砂坝护坦设计往往会在一个较大的取值范围内偏于一个保守取值，从而增大不必要的工程成本。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种能够根据现场调查数据为基础根据泥石流越坝冲刷原理设计护坦的方法，以及其应用。

为实现上述目的，本发明首先提供一种泥石流拦砂坝护坦设计方法，其技术方案如下：

一种泥石流拦砂坝护坦设计方法，其特征在于：依如下步骤完成护坦长度最小值L_min测算：

步骤S1、现场调查

泥石流拦砂坝及沟道现场调查，获取基本数据资料；

步骤S2、依式1、式2、式3计算确定护坦长度最小值L_min

式中，L_min—拦砂坝护坦长度最小值，单位m，

v—拦砂坝溢流口处泥石流最大流速，单位m/s，

i—拦砂坝库内回淤纵比降，基本数据资料确定，

h—拦砂坝溢流口高度，单位m，基本数据资料确定，

H—拦砂坝有效坝高，单位m，基本数据资料确定，

g—重力加速度，单位m²/s，常数，

—泥石流流速系数，

C_v—泥石流泥沙体积浓度，无量纲参数，

b—溢流口宽度，单位m，基本数据资料确定，

B—拦砂坝处沟道宽度，单位m，基本数据资料确定，

θ—原始沟床坡度，单位°，基本数据资料确定。

上述泥石流拦砂坝护坦设计方法的技术原理在于：泥石流越坝过流过程可分为满库过流阶段与过坝后抛射阶段。对于前期满库过流阶段，基于宽顶堰过流理论与泥石流溢流运动特征，以溢流口底面为基准面能够建立起两个分析断面间的能量转换函数，从而得到在第二分析断面上的泥石流流速(即过溢流口时流速)函数。对于后期过坝后抛射阶段，基于质点抛射理论与泥石流越坝过流运动特点，则能够分解出泥石流越坝过流后的抛射距离函数，即为拦砂坝护坦长度最小值L_min函数。具体是：(图1是泥石流越坝过流运动分析示意图(箭头示泥石流流向))对于前期满库过流阶段，取溢流口底面为基准面，建立分析断面1-1、2-2，断面1-1为泥石流进入溢流口前的断面，断面2-2为泥石流在溢流口处的断面，两断面接近。根据能量守恒定律对断面1-1、断面2-2有式4

式中，v₁、h₁—断面1-1处泥石流的流速和泥深，v₂、h₂—断面2-2处泥石流的流速和泥深，d_1-2—断面1-1与断面2-2间水平距离，由于两断面相邻较近，d_1-2一般可忽略不计，i—拦砂坝库内回淤纵比降，α₁、α₂—断面1-1与断面2-2处的动能修正系数，β—动水压强分布改正系数，ξ—溢流口处局部水头损失系数。令式5为坝前总水头，k为表征泥舌垂向收缩情况的系数。式5代入式4则可得式6。

式6中，令

为断面2-2处(即溢流口处)泥石流流速系数。本发明前期研究建立起式3表达的泥石流流速系数

对于后期过坝后抛射阶段，根据泥石流越坝过流运动特点，泥石流抛射前水平速度v_水平、垂向速度v_垂向分别为式7、式8，

基于质点抛射理论有式9、式10，

L_抛射＝v_水平t 式10

式中，t—泥石流过坝抛射运动时间，L_抛射—泥石流抛射距离。

联立式9、式10有式11，

根据式11可知，泥石流越坝过流后的抛射距离与抛射前的流速v₂与泥深h₂有关，且泥深越大，抛射距离越大。在工程设计中，溢流口过流过程中不允许发生溢过坝肩的情况，因此满库过流时溢流口处的最大泥深可取为溢流口高度h，此时泥石流过流流量也是拦砂坝设计最大流量，根据式6，此时泥石流流速为

泥石流越坝过流后的最大抛射距离为式12，

式中，L_抛射max—泥石流越坝过流后的最大抛射距离，v—拦砂坝溢流口处泥石流流速。

为保证泥石流越坝过流后均抛射于护坦上，充分发挥其消能防冲的功效，减轻泥石流对拦砂坝下游沟床的冲刷侵蚀作用，护坦设计长度应不小于泥石流越坝过流后的最大抛射距离，因此，可得泥石流拦砂坝护坦最小设计长度L_min为式1。

上述泥石流拦砂坝护坦设计方法中，步骤S1实施的泥石流拦砂坝及沟道现场调查，包括了针对工程所在山洪泥石流沟道现场的各种测绘、测量、模拟实验测试，以及历史灾害记录获取，以及有参照借鉴作用的经验数据获取等。

护坦构筑体是泥石流拦砂坝工程的辅助部分，主要目的是降低泥石流动力、抬高侵蚀基准面、增加沟床稳定性。上述泥石流拦砂坝护坦设计方法重点是测算护坦长度最低值，从而保证护坦真正发挥对泥石流冲刷掏蚀的消能作用，以及对沟床与拦砂坝基础的保护作用。利用本发明泥石流拦砂坝护坦设计方法能够检测运行中拦砂坝护坦长度是否满足防护要求。故而，本发明同时提供以下技术方案：

上述泥石流拦砂坝护坦设计方法在泥石流拦砂坝工程稳定性评估中的应用。

在不具备护坦设计条件的泥石流拦砂坝系统中，会通过增设副坝作为消能防冲措施。在此情况下，本发明方法可用于测算拦砂坝坝体与副坝之间的距离。故而，本发明同时提供以下技术方案：

泥石流拦砂坝护坦设计方法在泥石流拦砂坝工程设计中的应用，其特征在于：L_min是拦砂坝坝体与副坝之间的最小设计距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明泥石流拦砂坝护坦设计方法有别于现有技术以经验综合判断取值为主的护坦长度设计方法，是一种立足于科学原理的新构思。本发明方法从泥石流体越坝过流过程划分出发，完成泥石流体在两个阶段的能量平衡与运动特征分析，通过引入前期实验研究建立的泥石流流速系数函数，完善了两个阶段的关键变量的函数，从而建立起直接考虑泥石流拦砂坝结构特征、拦砂坝库内回淤堆积体特征、泥石流性质特征、沟道地形特征的泥石流拦砂坝护坦设计方法。该方法能够直接基于现场调查数据经科学计算测算护坦长度最小值L_min，且设计方法原理可靠，计算过程科学简便，基本参数容易获取，计算结果精度高。本发明方法还能应用于泥石流拦砂坝工程稳定性评估，以及泥石流拦砂坝工程设计中拦砂坝坝体与副坝之间的最小距离的设计。本发明方法能够显著克服现有技术因经验性较强、取值范围变化大而导致的在实际工程设计中护坦长度取值偏向保守进而增大不必要的工程成本的缺陷。本发明方法更适用于实际工程的需要。

附图说明

图1是泥石流越坝过流运动分析示意图(箭头示泥石流流向)。

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

用本发明方法完成某拟建泥石流拦砂坝的护坦设计。

某泥石流沟位于四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟景区，景区公路从沟口通过。该沟整体形态呈树叶状，沟流域面积1.96km²，主沟沟长2.57km，为一季节性流水沟道；海拔高度2470m～4040m，相对高差约1570余米，主沟沟道整体纵坡较大，平均纵坡降约610.89‰。沟内历史上多次发生小规模泥石流，近年来则发生过较大规模泥石流，大量固体物质冲至景区公路，虽未造成人员伤亡，但是损毁了景区的景观生态和基础设施，同时严重威胁游客的人身安全。

为保证景区公路的正常运行、景区游客的生命财产安全以及区内景观生态，对泥石流沟拟建一系列的防治工程。防治工程包括一座拟建于泥石流沟中下游的拦砂坝，设计标准为P＝5％(20年一遇)；同时，由于沟道纵比降较大，沟内松散体较多，为防止拦砂坝过流时下游受到强烈冲刷而威胁坝体稳定性，须在坝下游设置一段护坦，以达到防冲消能的功效。

护坦宽度、厚度设计依现有技术确定，护坦长度最小值L_min设计步骤如下：

步骤S1、现场调查

开展泥石流拦砂坝及沟道现场调查，获取基本数据资料。基本数据资料包括：

泥石流沟道调查：根据《泥石流防治工程设计规范T/CAGHP021-2018》调查确定拦砂坝库内回淤纵比降i＝0.15、拦砂坝处沟道宽度B＝16m、原始沟床坡度θ＝14°。

泥石流拦砂坝结构设计值：有效坝高H＝10m、溢流口高度h＝1.2m、溢流口宽度b＝8m。

资料记录结合模拟实验测试确定泥石流性质：P＝5％(20年一遇)时泥石流体容重γ_c＝1.8t/m³、泥石流中泥沙颗粒的密度γ_s＝2.65t/m³、泥石流中水的容重γ_w＝1.0t/m³，依现有技术(式13)计算有泥石流泥沙体积浓度C_v＝0.48。

C_v＝(γ_c-γ_w)/(γ_s-γ_w) 式13

步骤S2、测算护坦长度最小值L_min

将各参数代入式1、式2、式3，计算有流速系数

溢流口处泥石流最大流速v＝8.78m/s，该拟建泥石流拦砂坝的护坦长度最小值L_min＝13.18m。

实施例二

用本发明方法完成某拟建泥石流拦砂坝的护坦设计。

某泥石流沟位于四川境内岷江某支流左岸，是区域内一条活动较为频繁的暴雨诱发型泥石流沟，汶川地震引发大量崩滑不良地质现象，沟内多次爆发泥石流灾害。该沟流域面积约为10.7km²，主沟长度约6.12km，主沟平均纵比降266‰。由于震后泥石流频繁发生，该沟严重威胁震区居民的人身安全和公路交通干线等基础设施，并对岷江造成一定程度的堵塞，影响岷江行洪，堵江回水还可能威胁上游场镇安全。

为了有效控制泥石流对当地经济活动和居民生命财产安全的影响，减轻泥石流灾害，拟在主沟沟道内修建一座拦砂坝工程以调控泥石流，设计标准为P＝5％(20年一遇)。由于沟道内物源丰富，拦砂坝修建后坝下游沟床极易被过坝泥石流冲刷掏蚀，进而威胁坝体稳定性，因此，在修建该拦砂坝时须在其下游修建一段护坦以达到消能防冲的效果，保障拦砂坝的安全运行。

护坦宽度、厚度设计依现有技术确定，护坦长度最小值L_min设计步骤如下：

步骤S1、现场调查

开展泥石流拦砂坝及沟道现场调查，获取基本数据资料。基本数据资料包括：

泥石流沟道调查：根据《泥石流防治工程设计规范T/CAGHP021-2018》调查确定拦砂坝库内回淤纵比降i＝0.12、拦砂坝处沟道宽度B＝15m、原始沟床坡度θ＝12°。

泥石流拦砂坝结构设计值：有效坝高H＝12m、溢流口高度h＝1.5m、溢流口宽度b＝9m。

资料记录结合模拟实验测试确定泥石流性质：P＝5％(20年一遇)时泥石流体容重γ_c＝1.6t/m³、泥石流中泥沙颗粒的密度γ_s＝2.65t/m³、泥石流中水的容重γ_w＝1.0t/m³，依现有技术(式13)计算有泥石流泥沙体积浓度C_v＝0.36。

步骤S2、测算护坦长度最小值L_min

将各参数代入式1、式2、式3，计算有流速系数

溢流口处泥石流最大流速v＝13.93m/s，该拟建泥石流拦砂坝的护坦长度最小值L_min＝23.08m。

Claims (3)

1.泥石流拦砂坝护坦设计方法，其特征在于：依如下步骤完成护坦长度最小值L_min测算：

步骤S1、现场调查

泥石流拦砂坝及沟道现场调查，获取基本数据资料；

步骤S2、依式1、式2、式3计算确定护坦长度最小值L_min

式中，L_min—拦砂坝护坦长度最小值，单位m，

v—拦砂坝溢流口处泥石流最大流速，单位m/s，

i—拦砂坝库内回淤纵比降，基本数据资料确定，

h—拦砂坝溢流口高度，单位m，基本数据资料确定，

H—拦砂坝有效坝高，单位m，基本数据资料确定，

g—重力加速度，单位m²/s，常数，

—泥石流流速系数，

C_v—泥石流泥沙体积浓度，无量纲参数，

b—溢流口宽度，单位m，基本数据资料确定，

B—拦砂坝处沟道宽度，单位m，基本数据资料确定，

θ—原始沟床坡度，单位°，基本数据资料确定。

2.权利要求1所述泥石流拦砂坝护坦设计方法在泥石流拦砂坝工程稳定性评估中的应用。

3.权利要求1所述泥石流拦砂坝护坦设计方法在泥石流拦砂坝工程设计中的应用，其特征在于：L_min是拦砂坝坝体与副坝之间的最小设计距离。

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