CN113282997A - 泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法、应用。泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法从建立泥石流库内回淤堆积体形态出发，通过堆积土体的静态受力平衡分析，建立基于土体极限平衡的库内淤积土体受力分析表达式，从而建立直接考虑原始沟床纵坡、泥石流性质、有效坝高、引流段流速等因素的泥石流拦砂坝库内回淤纵比降计算式。该方法能够直接基于现场调查数据经科学计算测算库内回淤纵比降，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。本发明还提供测算方法在泥石流拦砂坝设计中、在泥石流拦砂坝工程运行效率与安全性评估中的应用。

Description

泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法、应用

技术领域

本发明涉及一种泥石流拦砂坝工程测算方法，特别是涉及一种测算泥石流拦砂坝库内回淤堆积体纵比降的测算方法，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。

泥石流拦砂坝长期运行面临的问题是，拦砂坝正常运行中，上游泥石流会在拦砂坝前发生泥石流回淤现象，逐渐在拦砂坝库内形成堆积体(也称堆积区)。尤其是一些先期设计不够合理的拦砂坝，库内回淤堆积现象更为明显。库内回淤堆积体的形成与扩大，最直接的后果是减损库容，影响拦砂坝的调节能力，使拦砂坝的防灾效力逐渐与工程设计目标偏离较大，增大下流防治工程措施的压力，进而降低灾害环境的综合治理方案的协调性，导致治理失效。同时，库容减损又使使泥石流越坝过流更容易在未预计的情况下发生，增加灾害预警方案与应急响应方案的对应难度。

尽管领域内已熟知库内回淤堆积体纵比降是泥石流拦砂坝坝体设计时重要参数，直接关系到设计拦蓄库容估计的准确性，也熟知对运行中泥石流拦砂坝库内回淤堆积体纵比降的测算是评估拦砂坝运行效率的一项重要指标，但是现有技术涉及确定库内回淤堆积体纵比降的方法尚不够有效。现有技术测算拦砂坝库内回淤堆积体纵比降的方法主要有两类：第一类以经验综合取值为主，如《泥石流防治工程设计规范T/CAGHP021-2018》对拦砂坝回淤纵比降的建议值为原始沟道纵比降的0.5～0.8倍，《中国泥石流》(2000)则建议取0.5～0.9倍的原始沟道纵比降为回淤纵比降。经验取值法在涉及适宜的取值范围时一直存在较大争议；第二类是根据库内回淤堆积体形态计算其纵比降，如公开号为CN 103276687 A、专利号为ZL 201310214816.X的中国发明专利公开了在现场调查获取泥石流沟的沟道坡度θ与泥石流体内摩擦角

的基础上依照拦砂坝后泥石流回淤纵比降I计算式计算确定库内回淤堆积体纵比降。该方法尽管引入堆积体形态概念测算，但没有考虑泥石流性质、拦砂坝坝高等工程设计等的重要参数，因而忽略了这些重要参数对回淤形态的明显影响，所以对于回淤纵比降的测算也存在明显局限性。现有技术对拦砂坝库内回淤堆积体纵比降的测算方法都有较强的经验性与局限性，未充分考虑泥石流性质、有效坝高等因素的综合影响。在实际工程设计中，这类方法指导下的拦砂坝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

为统一术语与方便描述，本发明将拦砂坝上游泥石流在拦砂坝上游因回淤现象形成的堆积体/区称为“拦砂坝库内回淤堆积体”，简称为“库内回淤堆积体”，将“拦砂坝库内回淤堆积体纵比降”简称为“库内回淤纵比降”。

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依照泥石流运动堆积原理测算库内回淤纵比降的方法，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库内回淤纵比降测算方法，其技术方案如下：

一种泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法，其特征在于：依如下步骤实施：

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计算确定泥石流拦砂坝库内回淤纵比降S_dep

式中，S_dep—泥石流拦砂坝库内回淤纵比降，

S_init—拦砂坝坝址处原始沟床纵比降，获取基本数据资料确定，

—泥石流体内摩擦角，单位°，获取基本数据资料确定，

τ₀—泥石流体屈服应力，单位kPa，基本数据资料确定，

ρ_c—泥石流密度，单位t/m³，基本数据资料确定，

h₀—拦砂坝设计坝高，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，

μ—沟道摩擦系数，基本数据资料确定，

g—重力加速度，单位m/s²，常数。

上述泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法的技术原理是从建立泥石流库内回淤堆积体形态出发，进行堆积土体的静态受力平衡分析，并建立力平衡面上两个方向土体相互作用力函数。具体是(图1是泥石流拦砂坝库内回淤堆积体平衡状态受力分析示意图)：首先，从泥石流在拦砂坝库内的回淤形态特征出发，基于土体静力学理论，结合泥石流回淤特点，泥石流在库内发生淤积后，土体将处于极限平衡状态。其次，假设AC为拦砂坝满库后的回淤平衡态，坡度为α，做虚拟平面BD，上游堆积体(BCD)与下游堆积体(ABD)的相互作用力在该平面上达到稳定平衡状态，即有F₁＝F₂。另有，泥石流密度为ρ_c，泥石流体屈服应力和内摩擦角分别为τ₀和

原始沟床坡度为θ，沟道摩擦系数为μ，虚拟平面BD到拦砂坝的距离为l₁，拦砂坝坝高为h₀。建立如下式2～式5则有，

F₁＝F₂ 式2

l₁＝h₀/tanθ 式5

联立式2～式5且化简后有式6，

令

则有式7，

变换后得式8，

令a＝cosθ(sinθ-μcosθ)+tanφ，

由式8可知，当h₀→0时，即未设置拦砂坝时，或库内未淤积时，x→1，即tanα＝tanθ，此时只涉及原始沟床纵坡。又a＞0，c＜0，Δ＝b²-2ac＞0，方程有解，且为一正一负解。进一步解得其正解(x＞0的解)为式9

进而得到泥石流拦砂坝库内回淤纵比降S_dep计算式即式1。

上述泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法中，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。

泥石流拦砂坝库内回淤纵比降可用于测算泥石流拦砂坝库内回淤堆积体长度，以及库内不同位置的回淤高度，由此可用于测算泥石流拦砂坝库容、泥石流越坝过流风险与规模，进而评估泥石流拦砂坝工程运行效率。故而，本发明同时提供以下技术方案：

上述泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法在泥石流拦砂坝库容测算中的应用。

上述泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法在泥石流拦砂坝设计中的应用。

上述泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法在泥石流拦砂坝工程运行效率与安全性评估中的应用。

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库内回淤纵比降测算方法有别于现有技术以经验综合判断取值为主的库内回淤纵比降测算方法，是一种立足于科学原理的新构思。本发明方法从建立泥石流库内回淤堆积体形态出发，完成堆积土体的静态受力平衡分析，并建立基于土体极限平衡的库内淤积土体受力分析表达式，从而建立起直接考虑原始沟床纵坡、泥石流性质、有效坝高、引流段流速等因素的泥石流拦砂坝库内回淤纵比降计算式。该方法能够直接基于现场调查数据经科学计算测算库内回淤纵比降，且测算方法原理可靠，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纵比降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是泥石流拦砂坝库内回淤堆积体平衡状态受力分析示意图。

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

用本发明方法测算某拟建泥石流拦砂坝的库内回淤纵比降。

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，相对高差略大于1570m，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，其中包括位于泥石流沟中下游拟建的一座拦砂坝，设计标准为P＝5％(20年一遇)。

拦砂坝设计需测算库内回淤纵比降S_dep，方法步骤如下：

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：

通过现场调查测绘测量，确定拟建拦砂坝坝址处原始沟床纵比降S_init＝0.36、原始沟床坡度θ＝20°，并结合工程实际情况，确定拦砂坝设计坝高h₀＝10m，拟选坝址处的沟道摩擦系数μ＝0.15；

根据沟道灾害记录数据(缺失数据的项则采用相似地形条件沟道数据)开展模拟实验测试确定泥石流各性质参数设计值，包括，P＝5％(20年一遇)时泥石流密度ρ_c＝1.8t/m³、泥石流体内摩擦

泥石流屈服应力τ₀＝0.08kPa。

步骤S2、测算库内回淤纵比降S_dep

将各参数代入式1，计算有该拟建泥石流拦砂坝库内回淤纵比降S_dep＝0.17。

实施例二

用本发明方法测算某拟建泥石流拦砂坝的库内回淤纵比降。

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)。

拦砂坝设计需测算库内回淤纵比降S_dep，方法步骤如下：

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：

通过现场调查测绘测量，确定拟建拦砂坝坝址处原始沟床纵比降S_init＝0.24、原始沟床坡度θ＝14°，并结合工程实际情况，确定拦砂坝设计坝高h₀＝8m，拟选坝址处的沟道摩擦系数μ＝0.15；

根据沟道灾害记录数据(缺失数据的项则采用相似地形条件沟道数据)开展模拟实验测试确定泥石流各性质参数设计值，包括，P＝5％(20年一遇)时泥石流密度ρ_c＝1.6t/m³、泥石流体内摩擦角

泥石流屈服应力τ₀＝0.065kPa。

步骤S2、测算库内回淤纵比降S_dep

将各参数代入式1，计算有该拟建泥石流拦砂坝库内回淤纵比降S_dep＝0.15。

实施例三

用本发明方法测算某运行中泥石流拦砂坝的库内回淤纵比降S_dep。

某泥石流沟位于喜德县红莫镇境内，是安宁河流域左岸支流热水河左岸的一级支沟，主沟流向近南北向。该沟流域面积约5.79km²，主沟长4.38km，沟床平均比降为213‰，沟内有常流水，但水流较小，主要为大气降水补给。流域地势整体呈南高北低，最高点流域南侧，海拔2690m，最低点为该沟与热水河的交汇处，海拔高程1757m，流域相对高差933m。

为保护沟口居民生产生活、农田、道路等基础设施的安全，该沟流域中游修建有一座拦砂坝，拦砂坝坝高7.5m，坝顶长49m，沟口堆积区修建有双向导流防护堤，总长1.2km，堤高2m～3m，沟内的泥石流防治工程修建于2009年，设计标准均为20年一遇。尽管防治工程均运行良好，但由于拦砂坝运行多年，已有明显的库内回淤堆积体，库内回淤纵比降S_dep已与拦砂坝设计建造时不同。为充分监测拦砂坝及上下游防治工程的工况与运行效率，须测算拦砂坝当前库内回淤纵比降S_dep，以评估拦砂坝及上下游防治工程的安全性。

通过现场调查测绘测量，确定沟内拦砂坝坝址处原始沟床纵比降S_init＝0.28、原始沟床坡度θ＝16°，坝址处的沟道摩擦系数μ＝0.15。

通过拦砂坝运行工况监测确定泥石流性质各性质参数，包括泥石流密度ρ_c＝1.9t/m³、泥石流体内摩擦角

泥石流屈服应力τ₀＝0.085kPa。

将各参数代入式1，计算有该泥石流拦砂坝库内回淤纵比降S_dep＝0.18。测算结果与野外测得库内回淤纵比降S_dep一致。

Claims (4)

1.泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法，其特征在于：依如下步骤实施：

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计算确定泥石流拦砂坝库内回淤纵比降S_dep

S_init＝tanθ 式2

式中，S_dep—泥石流拦砂坝库内回淤纵比降，

S_init—拦砂坝坝址处原始沟床纵比降，获取基本数据资料确定，

—泥石流体内摩擦角，单位°，获取基本数据资料确定，

τ₀—泥石流体屈服应力，单位kPa，基本数据资料确定，

ρ_c—泥石流密度，单位t/m³，基本数据资料确定，

h₀—拦砂坝设计坝高，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，

μ—沟道摩擦系数，基本数据资料确定，

g—重力加速度，单位m/s²，常数。

2.权利要求1所述的泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法在泥石流拦砂坝库容测算中的应用。

3.权利要求1所述的泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法在泥石流拦砂坝设计中的应用。

4.权利要求1所述的泥石流拦砂坝库内回淤纵比降测算方法在泥石流拦砂坝工程运行效率与安全性评估中的应用。

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