CN113486428B - 透过型泥石流拦砂坝开口设计方法及应用、透过性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开透过型泥石流拦砂坝开口设计方法及应用、透过性能评估方法。针对现有技术在开口设计过程中，在确定坝体开口形状与数量后仅以经验综合判断取值叠加经验性放大缩小调整设计值的开口设计方案的缺陷，本发明开口设计方法是基于泥石流过坝运动过程分析，在实验测试数据与野外观测调查数据之上建立方程，通过量纲分析完成。本发明还提供设计方法在透过型拦砂坝透过性能评估中的应用，以及一种透过型拦砂坝透过性能评估方法。本发明是基于调查数据与科学计算完成的设计方法与评估方法，所需参数数据易于获得、计算过程科学简便，能够与现有方法拦砂坝设计相整合，能够解决现有技术不必要的工程成本的缺陷，适用于实际工程的需要。

Description

透过型泥石流拦砂坝开口设计方法及应用、透过性能评估 方法

技术领域

本发明涉及一种泥石流防治工程构筑体，特别是涉及一种泥石流拦砂坝设计方法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、一种透过型泥石流拦砂坝透过性能评估方法，属于泥石流灾害防治工程、建筑工程设计技术领域。

背景技术

拦砂坝作为调控泥石流运动的关键防治工程，在泥石流灾害治理中被广泛地应用，其主要用于降低泥石流动力，抬高侵蚀面，增加沟床稳定性等。经过半个多世纪的发展演化，根据拦砂坝溢流段结构可以将拦砂坝划分为透过性(open-type)与非透过型(closed-type)(也称实体坝)两大类。透过型拦砂坝是由非透过型在使用过程中演化而来，在拦砂坝溢流段的坝体设置开口，利用开放式结构起到对泥石流体透过的作用。透过型拦砂坝既有与非透过型坝相似的功能，又有拦砂节流的独特之处，能够有效减弱下游冲刷能力，因而使用更多。

根据坝体开口形状不同，透过性拦砂坝分为梳齿坝、梁式坝、窗口坝等等。仅就坝体开口形状而言，均为矩形，分为横向开口(即开口宽度明显大于开口高度)、竖向开口(即开口高度明显大于开口宽度)、方形开口(即开口宽度与开口高度较为接近)三类。透过型拦砂坝的拦砂调控功能由其坝体开口实现。在拦砂坝设计中，一般将表征坝体开口的多项指标不甚严格地统称为开口参数，主要包括开口数量、开口形状、开口位置、开口尺寸等等。

开口设计是对透过型拦砂坝开口参数的设计，是拦砂坝工程设计中的重要设计环节，直接决定拦砂坝的运行功能是否满足工程防治目标。然而科学的开口设计方法需要综合考虑工程防治目的、坝体开口特征、泥石流体性质、泥石流运动特征等诸多定性或定量因素，尤其需要基于扎实的实验测试数据与现场调查数据才能建立。现有技术受限于前期数据不足，因而一直较多依靠原则与经验相结合的办法完成开口设计。

现有技术的一般借鉴《T/CAGHP021-2018泥石流防治工程设计规范(试行)》中提供的经验取值范围或者简单依据颗粒直径的倍数关系设计格栅坝的缝隙规格参数值。在此基础上还可依照拦砂坝主要目的加以调整，若拦砂坝若以拦砂为目的，开口尺寸一般建议取值稍小，若以调控为目的，则建议取值稍大。ZL 201910304498.3公开了一种针对粘性泥石流的窗口坝开口参数确定方法，但该方法仅适用于窗口坝及粘性泥石流的设计条件。现有技术都有较强的经验性与局限性，在实际工程设计中往往设计偏于保守，增大工程成本。缺少科学的开口设计方法也限制了对运行中拦砂坝透过性能的更完善与科学的评估。

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实现的透过型泥石流拦砂坝开口设计方法，以及该方法的应用。

为实现上述目的，本发明首先提供透过型泥石流拦砂坝开口设计方法，其技术方案如下：

一种透过型泥石流拦砂坝开口设计方法，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、确定开口基本参数

根据基本数据资料确定拦砂坝设计拦截最小目标粒径d_m、开口形状(w₀,h₀)，

步骤S3、依式1、式2、式3设计min(w₀,h₀)

式中，min(w₀,h₀)—开口宽度w₀与开口高度h₀的最小值，

α—开口形状参数，

F—开口闭塞参数，取值范围1～5，

C_v—泥石流固体体积分数，无量纲参数，基本数据资料确定，F_r—泥石流运动的弗洛德数，

d_m—设计拦截最小目标粒径，单位m，步骤S2确定，

v—设计频率下拦砂坝坝址处泥石流平均流速，单位m/s，基本数据资料确定，

g—重力加速度，单位m/s²，常数，

h—设计频率下拦砂坝坝址处泥石流平均泥深，单位m，基本数据资料确定。

上述透过型泥石流拦砂坝开口设计方法是基于泥石流过坝运动过程分析，在大量实验测试数据与野外观测调查数据之上建立方程，通过量纲分析完成。

上述设计方法中，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。

在优选条件下，上述设计方法可以进一步优化：将开口闭塞参数F的取值与拦砂坝设计目标相结合，在1～5范围内进一步根据拦砂坝设计目标精细化。具体是：当设计目标为以拦砂为主时，取值1～2；当设计目标为以调控为主时，取值4～5，当设计目标为拦调结合时，建议取值2～4。

本发明透过型泥石流拦砂坝开口设计方法中采用了开口闭塞参数F，因而可以将设计方法用于评估已建或运行中拦砂坝的透过性能是否符合工程设计目标，具体方法是：通过现场调查获取基本数据资料，确定式1～式3中除开口闭塞参数F以外的其他参数数据，将各参数代入式1～式3计算开口闭塞参数F，再与设计目标F对照，判断已建或运行中拦砂坝的透过性能是否满足工程需要。故，本发明提供以下技术方案：

透过型泥石流拦砂坝开口设计方法在透过型拦砂坝透过性能评估中的应用。

一种透过型拦砂坝透过性能评估方法，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、式3测算拦砂坝开口闭塞参数F，根据开口闭塞参数F评估拦砂坝透过性能

式中，min(w₀,h₀)—开口宽度w₀与开口高度h₀的最小值，基本数据资料确定

α—开口形状参数，

F—开口闭塞参数，

C_v—泥石流固体体积分数，无量纲参数，基本数据资料确定，F_r—泥石流运动的弗洛德数，

d_m—设计拦截最小目标粒径，单位m，基本数据资料确定，

v—设计频率下拦砂坝坝址处泥石流平均流速，单位m/s，基本数据资料确定，

g—重力加速度，单位m/s²，常数，

h—设计频率下拦砂坝坝址处泥石流平均泥深，单位m，基本数据资料确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于室内模拟实验与工程实践调查数据评估，提供了一种透过型拦砂坝开口设计的科学方法。设计方法有别于现有技术在开口设计过程中，在确定坝体开口形状与数量后，仅以经验综合判断取值叠加经验性放大缩小调整设计值的开口设计方案。本发明还提供透过型拦砂坝透过性能评估方法。设计方法与评估方法所需参数数据易于获得、计算过程科学简便，能够与现有方法拦砂坝设计方法相整合。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开口参数取值偏向保守进而增大不必要的工程成本的缺陷。本发明也提升了运行中拦砂坝透过性能评估的科学性与准确性。本发明方法更适用于实际工程的需要。

附图说明

图1是透过型拦砂坝坝体开口矩形形状示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

图1是透过型拦砂坝坝体开口形状示意图。其中A为横向开口：w₀＞2h₀，B为竖向开口：h₀＞2w₀，C为方形开口：1/2h₀≤w₀≤2h₀

实施例一

用本发明方法完成某拟建透过型泥石流拦砂坝的坝体开口设计。

某泥石流沟位于四川省甘孜藏族自治州康定市雅拉乡，为雅拉河的一级支沟，该沟整体形态呈长扇形，流域水系呈羽状，流域面积25.88km²，主沟长9.18km，主沟床平均比降为310‰，流域海拔高程2670～5518m，相对高差2848m。该沟历史上暴发过多次泥石流灾害，最近一次在2012年8月，泥石流漫溢出堆积扇沟道，淤满了公路和两侧农地，虽未造成人员伤亡和较严重的财产损失，但严重威胁堆积物居民的生产生活和生命财产安全。

为保证沟口堆积区居民和基础设施的安全，在泥石流沟道内拟建一系列的防治工程，其中包括位于泥石流沟道中下游(沟床海拔2900m左右的位置)拟建的一座透过型拦砂坝，设计标准为P＝5％(20年一遇)。

透过型拦砂坝整体设计依现有技术规范进行，其中坝体开口设计步骤如下：

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：

P＝5％(20年一遇)时：泥石流体密度ρ_c＝1.66t/m³、泥石流中土颗粒密度ρ_s＝2.65t/m³、泥石流中水的密度ρ_w＝1.0t/m³，依式4计算有泥石流固体体积分数C_v＝0.4；拦砂坝坝址处泥石流平均流速v＝5.41m/s、平均泥深h＝2.65m。

C_v＝(ρ_c-ρ_w)/(ρ_s-ρ_w) 式4

步骤S2、确定开口基本参数

基本数据资料确定拦砂坝设计目标为以拦砂为主，设计拦截最小目标粒径d_m＝1.0m，坝体矩形开口的形状为竖向开口(即h₀＞2w₀)。

步骤S3、依式1、式2设计min(w₀,h₀)

将各参数代入式1、式2、式3(开口闭塞参数F取值1.4)，计算有泥石流运动的弗洛德数F_r＝1.06，min(w₀,h₀)＝0.86m。

所以，坝体开口为：开口宽度w₀＝0.86m、高度h₀＞2w₀＝1.72m。依现有技术完成其余开口参数设计。

实施例二

用本发明方法完成某拟建透过型泥石流拦砂坝的坝体开口设计。

某泥石流沟位于四川省甘孜藏族自治州雅江县境内，系雅砻江左岸支流湾地沟的一级支沟。该沟流域面积6.90km²，主沟长4.95km，主沟床平均比降为289‰。流域的平面形态呈宽叶状，沟谷较为狭窄，且主沟两侧山体也较为陡峻(＞25°)为暴雨洪水的汇集提供了良好的地形条件，同时域内新构造运动活跃，不良地质作用发育，碎屑聚集于沟岸、坡脚等地，极易发生泥石流。雅江县呷拉乡一藏族村寨坐落于堆积扇左侧，同时一拟建铁路工程以桥跨方式从堆积区通过。该沟严重威胁下游堆积区居民的人身安全和拟建铁路交通干线等基础设施，同时一旦暴发泥石流，还可能堵塞主河(湾地沟)形成堰塞坝，威胁湾地沟上下游场镇安全。

为了有效控制泥石流对当地居民生命财产安全和铁路等交通干线的影响，减轻泥石流灾害，拟在主沟沟道内修建一座透过型拦砂坝工程以调控泥石流，设计标准为P＝2％(50年一遇)。

透过型拦砂坝整体设计依现有技术规范进行，其中坝体开口设计步骤如下：

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：

P＝5％(20年一遇)时：泥石流体密度ρ_c＝1.99t/m³、泥石流中土颗粒密度ρ_s＝2.65t/m³、泥石流中水的密度ρ_w＝1.0t/m³，依现有技术(式4)计算有泥石流固体体积分数C_v＝0.6；拦砂坝坝址处泥石流平均流速v＝4.98m/s、平均泥深h＝2.00m。

步骤S2、确定开口基本参数

基本数据资料确定拦砂坝设计目标为拦调结合，设计拦截最小目标粒径d_m＝0.8m，坝体矩形开口的形状为横向开口(即w₀＞2h₀)。

步骤S3、依式1、式2设计min(w₀,h₀)

将各参数代入式1、式2、式3(开口闭塞参数F取值3.0)，计算有泥石流运动的弗洛德数F_r＝1.13，min(w₀,h₀)＝1.34m。

所以，坝体开口为：开口高度h₀＝1.34m、宽度w₀＞2h₀＝2.68m。依现有技术完成其余开口参数设计。

Claims (4)

1.透过型泥石流拦砂坝开口设计方法，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、确定开口基本参数

根据基本数据资料确定拦砂坝设计拦截最小目标粒径d_m、开口形状(w₀,h₀)，

步骤S3、依式1、式2、式3设计min(w₀,h₀)

式中，min(w₀,h₀)—开口宽度w₀与开口高度h₀的最小值，

α—开口形状参数，

F—开口闭塞参数，取值范围1～5，

C_v—泥石流固体体积分数，无量纲参数，基本数据资料确定，

F_r—泥石流运动的弗洛德数，

d_m—设计拦截最小目标粒径，单位m，步骤S2确定，

v—设计频率下拦砂坝坝址处泥石流平均流速，单位m/s，基本数据资料确定，

g—重力加速度，单位m/s²，常数，

h—设计频率下拦砂坝坝址处泥石流平均泥深，单位m，基本数据资料确定。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据基本数据资料确定拦砂坝设计目标；所述步骤S3中，当设计目标为以拦砂为主时，取值1～2；当设计目标为以调控为主时，取值4～5，当设计目标为拦调结合时，取值2～4。

3.根据权利要求1或2所述透过型泥石流拦砂坝开口设计方法的应用，其特征在于：是在透过型拦砂坝透过性能评估中的应用。

4.透过型拦砂坝透过性能评估方法，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、式3测算拦砂坝开口闭塞参数F，根据开口闭塞参数F评估拦砂坝透过性能

式中，min(w₀,h₀)—开口宽度w₀与开口高度h₀的最小值，基本数据资料确定

α—开口形状参数，

F—开口闭塞参数，

C_v—泥石流固体体积分数，无量纲参数，基本数据资料确定，

F_r—泥石流运动的弗洛德数，

d_m—设计拦截最小目标粒径，单位m，基本数据资料确定，

v—设计频率下拦砂坝坝址处泥石流平均流速，单位m/s，基本数据资料确定，

g—重力加速度，单位m/s²，常数，

h—设计频率下拦砂坝坝址处泥石流平均泥深，单位m，基本数据资料确定。