CN115130296A - 缝隙弧形坝泥石流相对流速系数、冲击力测算方法、应用 - Google Patents

缝隙弧形坝泥石流相对流速系数、冲击力测算方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开缝隙弧形坝泥石流相对流速系数、冲击力测算方法、应用。针对现有弧形拦挡坝的实体坝固有缺陷，本发明首先提供一种缝隙弧形拦挡坝。为解决缝隙弧形拦挡坝的设计问题，本发明定义了缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数，表征泥石流坝后与坝前流速比值。该系数的测算方法是利用现场调查获取的开口宽度、泥石流中值粒径、坝宽等参数，分两种情形测算该系数。本发明还提供缝隙弧形拦挡坝泥石流最大冲击力测算方法，是利用现场调查获取的弗洛德数、泥石流密度、泥石流沟道倾角、坝前流深等参数，依式计算确定。解决单个开口缝隙弧形拦挡坝或多开口缝隙弧形拦挡坝的每个开口单元泥石流最大冲击力的测算问题。本发明能够指导缝隙弧形拦挡坝设计。

Description

缝隙弧形坝泥石流相对流速系数、冲击力测算方法、应用
技术领域
本发明涉及工程测算方法，特别是涉及一种测量缝隙弧形拦挡坝的泥石流过坝运动特征参数的方法，属于山地灾害防治、工程测量、工程构筑体设计领域。
背景技术
拦挡坝是最重要的泥石流防治工程手段，也是人们为治理山地灾害环境使用历史最悠久的防治工程手段。在长期工程实践中，泥石流拦挡坝从早期传统闭口实体拦挡坝发展演变为透过型拦挡坝。后者能够更好地满足泥石流拦挡坝拦蓄泥石、抬高沟床侵蚀基准、回淤减缓局部沟床纵坡的设计建造目标，以及进一步达到抑制泥石流形成或减小泥石流暴发频率与规模等环境治理目标。透过型拦挡坝根据透水开口结构不同，可划分为不同类型。缝隙坝是一种在坝身中下部开设一个或几个竖向条形开口的透过型拦挡坝。无论是闭口实体拦挡坝，还是形式多样的透过型拦挡坝，共同的特点都是拦挡坝迎冲面设计为竖向结构，即均属于“竖向拦挡坝”。竖向拦挡坝在遭遇泥石流冲击的过程中，坝基位置处承受了较大冲击力，极易引起该位置出现应力集中而导致局部冲击破坏。
现有技术(王东坡等，泥石流冲击弧形拦挡坝动力响应研究，《岩土力学》，2020年12月)公开了一种弧形拦挡坝方案，是将竖向拦挡坝的坝基结构优化为弧形。该优化一方面增强坝基位置处的局部强度，另一方面通过坝基弧面引导泥石流动能转化为势能与摩擦热能，达到削减泥石流对坝冲击能量的目的，最终实现减少拦挡坝失效风险以及有效防止泥石流致灾的防治目标。该文献同时基于动量及能量守恒开展泥石流冲击弧形拦挡坝理论计算研究，提供了泥石流对弧形拦挡坝的冲击力测算方法。
上述弧形拦挡坝实质是一种实体坝。尽管在抗冲击的安全性能方面有改进，但依然保留实体坝的固有缺点。例如，实体坝只具有对泥石流拦截作用，无法对泥石流进行调控，导致在实际运行过程中存在易淤满，对后续泥石流失去拦挡作用一系列问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，将现有弧形拦挡坝与缝隙坝结合的基础上提供一种新的泥石流拦挡坝方案，并进一步提供该新拦挡坝设计中重要设计参数的测算方法。
为实现上述目的，本发明首先提供一种缝隙弧形拦挡坝。缝隙弧形拦挡坝是一种透过性拦挡坝，结合缝隙坝与弧形坝的特征：(1)坝基迎流面(即泥石流冲击面下部)设计为弧形(弧形半径R)，发挥现有弧形拦挡坝强基消能等技术优势；(2)坝身中下部开设一个或几个竖向条形开口，发挥缝隙坝拦蓄泥石透水减压等技术优势。
本发明进一步提供缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数测算的技术方案，具体如下：
一种缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数测算方法，其特征在于：现场调查获取基本数据，再依式1测算缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数，
Figure RE-GDA0003823075040000031
式中，λ-缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数，
B-缝隙弧形拦挡坝相对开口宽度，基本数据确定，
d50-泥石流中值粒径，单位m，基本数据确定，
B0-坝宽，单位m，基本数据确定。
缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数λ的物理意义是坝后流速uf与坝前流速u0的比值
Figure RE-GDA0003823075040000032
泥石流在经过缝隙弧形拦挡坝过程中(即过坝)，坝开口成为上下游沟道之间突然缩小的截面，导致泥石流流场发生改变。具体表现为实际过坝的泥石流截面宽度大于开口宽度(图2)。该变化反应在泥石流流速在坝前后的变化上，用相对流速系数λ进行表征。由于流速改变引起泥石流对坝冲击运动的瞬间变化，因而对相对流速系数λ的确定是测算泥石流过坝过程中多项运动特征指标的重要变量。现有技术尚未公开过测算泥石流相对流速系数λ的技术方案。
由于泥石流相对流速系数λ是测算泥石流过坝过程中多项运动特征指标的重要变量，故本发明同时提供如下方案：
上述缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数测算方法在缝隙弧形拦挡坝泥石流过坝运动特征指标测量中的应用。
上述缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数测算方法在缝隙弧形拦挡坝设计中的应用。
基于前期研究结果，本发明将泥石流过坝运动特征指标优选为泥石流对坝冲击力，提供缝隙弧形拦挡坝泥石流最大冲击力测算方法。方案如下：
一种利用上述缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数测算方法实现的缝隙弧形拦挡坝泥石流最大冲击力测算方法，其特征在于：适用于单个开口且弧形半径R＝2h0～3h0的缝隙弧形拦挡坝，h0是坝前1m处泥石流流深；现场调查获取基本数据，再依式2测算过坝泥石流最大冲击力 fmax，
Figure RE-GDA0003823075040000041
式中，fmax-缝隙弧形拦挡坝过坝泥石流最大冲击力，
Fr-弗洛德数，基本数据确定，
ρ-泥石流密度，单位kg/m3，基本数据确定，
g-重力加速度常数，单位m/s2，
α-泥石流沟道倾角，单位°，基本数据确定，
h0-泥石流坝前流深，单位m，基本数据确定。
上述泥石流最大冲击力测算技术方案适用于单个开口的缝隙弧形拦挡坝，且要求坝基弧形半径R是2～3倍坝前泥石流流深h0。缝隙弧形拦挡坝的其余规格参数(如开口高度与坝前流深h0关系)可依循现有技术中竖向缝隙坝的一般标准、惯例、参考等。
上述冲击力测量方案的基本原理在于：
(1)建立泥石流冲击缝隙弧形拦挡坝运动简化研究模型(图1、图 2)。简化研究模型中，α为泥石流沟道倾角(以重力分力作为坐标系)， hj为泥石流沿圆弧面爬升高度，o-o截面为泥石流进入缝隙弧形拦挡坝坝前的位置截面(u0与h0分别代表泥石流通过此截面的流速与流深，即坝前流速与流深)，f-f截面为泥石流通过开口的位置截面(uf与hf分别代表泥石流通过此截面的流速与流深，即坝后流速与流深)，j-j截面为泥石流沿弧面爬升的位置截面(uj与bj分别代表泥石流通过此截面的流速与流深)，B0与Bf分别为坝宽与开口宽度；
(2)在简化研究模型基础上，建立泥石流进入坝基圆弧段(j-j)爬升部分的质量守恒方程(式3)与动量守恒方程(式4)；
Figure RE-GDA0003823075040000051
式3左边项为泥石流通过控制体质量、右边项为泥石流进入圆弧段控制面质量。式中，ρ为泥石流密度；u为泥石流流速；t为泥石流运动时间；Vj为泥石流在圆弧段(j-j)爬升部分的计算控制体积；∑j为泥石流进入圆弧段爬升部分(j-j)计算控制面积；n为控制面的法向向量，方向以右为正。
Figure RE-GDA0003823075040000052
式4左边第一项为泥石流进入圆弧段(j-j)爬升部分动量随时间的变化、第二项为通过控制面(j-j)的动量通量，右边第一项为泥石流进入圆弧段(j-j)爬升部分的体积力、第二项为控制面(j-j)的面力。式中， FVj为泥石流进入圆弧段(j-j)爬升部分的体积力，F∑j为控制面(j-j)的表面力。建立左右四项的描述方案，再代入式4，则泥石流最大冲击力(fmax)可描述为式2。
(3)前述质量守恒方程(式3)和动量守恒方程(式4)均与泥石流在坝前流速u0和坝后流速uf相关，因此泥石流过坝流速变化特征是泥石流对坝冲击力f的关键变量，f＝f(uf，u0)。通过将式3、式4联立求解所得泥石流最大冲击力fmax表达式确定，最大冲击力fmax是坝后流速uf与坝前流速u0比值的函数，
Figure RE-GDA0003823075040000061
本发明将该比值定义为缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数λ，
Figure RE-GDA0003823075040000062
上述缝隙弧形拦挡坝泥石流最大冲击力测算方法解决的是对单个开口缝隙坝冲击力的测算。针对多开口缝隙坝，当多个开口规格相同且开口排列均匀时，每一开口为一个计算单元，依式计算的fmax则是每个开口单元的过坝泥石流最大冲击力。
泥石流过坝最大冲击力是拦挡坝强度设计中的最重要指标，利用本发明技术方案能够精准量化缝隙弧形拦挡坝所受泥石流冲击力大小，从而为拦挡坝设计提供重要依据。同时，本发明冲击力测量技术方案表明，对于缝隙弧形拦挡坝而言，泥石流最大冲击力与坝基处的弧形结构设计无关，该结果能为缝隙弧形拦挡坝结构设计提供重要技术指导。故本发明同时提供如下方案：
本发明缝隙弧形拦挡坝过坝泥石流最大冲击力测算方法在缝隙弧形拦挡坝设计中的应用。
本发明中，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、模拟试验测试，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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明提供一种缝隙弧形拦挡坝方案，结合了现有缝隙坝与弧形坝的结构特征。试验数据表明，该拦挡坝结构能够有效降低泥石流对坝冲击力，发挥良好的削减泥石流冲击破坏性、保护防治工程构筑体的效果。(2)本发明定义了缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数α，用以表征泥石流坝后流速uf与坝前流速u0的比值，度量泥石流对缝隙弧形拦挡坝冲击运动的瞬间变化特征的有效工具，对缝隙弧形拦挡坝设计有重要意义。本发明首次提供了测量该系数的技术方案。(3)本发明进一步提供缝隙弧形拦挡坝泥石流最大冲击力测算方法，解决单个开口的缝隙弧形拦挡坝或多开口缝隙弧形拦挡坝的每个开口单元过坝泥石流最大冲击力的测算问题。(4)本发明同时提供缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数测算方法、缝隙弧形拦挡坝泥石流最大冲击力测算方法在缝隙弧形拦挡坝设计中的应用。
附图说明
图1是泥石流冲击缝隙弧形拦挡坝计算模型(侧视图)。
图2是泥石流冲击缝隙弧形拦挡坝计算模型(俯视图)。
图3是实施例一缝隙弧形拦挡坝立体结构示意图。
图4是实施例一缝隙弧形拦挡坝侧视结构示意图。
图5是实施例一缝隙弧形拦挡坝正视结构示意图。
图6理论计算值与试验数据的对比。
附图中的数字标记分别是：
1弧形结构 2开口宽度 3坝基 4冠梁
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。
实施例一
采用室内物理模型试验测量缝隙弧形拦挡坝的泥石流最大冲击力。
1、试验装置
室内模型试验使用泥石流水槽试验系统是现有技术(王东坡等，泥石流冲击弧形拦挡坝动力响应研究，《岩土力学》，2020年12月)中试验系统改装。将该文献中水槽末端安装的弧形拦挡坝替换为缝隙弧形拦挡坝。缝隙弧形拦挡坝结构如图3～图5所示。图3是缝隙弧形拦挡坝立体结构示意图，图4是缝隙弧形拦挡坝侧视结构示意图，图5是缝隙弧形拦挡坝正视结构示意图。坝宽B0＝0.25m、开口数量n＝1、开口宽度 Bf＝0.06m，相对开口宽度B＝Bf/B0＝0.24。
2、试验设计
对现场泥石流物源取样，通过颗粒筛分试验获得颗粒级配曲线，根据颗粒级配曲线确定泥石流中值粒径d50＝0.0075m；通过取样实测，确定泥石流密度ρ＝1446kg/m3；试验过程保持水槽坡度(沟道倾角)a＝20°。
试验进行16组。各组试验泥石流体积V：第1～4组，0.017m3，第 5～8组，0.022m3，第9～12组，0.028m3，第13～16组，0.039m3。
传感器分别采集泥石流坝前流速u0、坝前流深h0、泥石流冲击力f 数据。依式1计算每组试验的缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数λ，依式2(g＝9.8m/s2)计算每组试验的缝隙弧形拦挡坝过坝泥石流最大冲击力fmax。弗洛德数Fr计算依现有技术
Figure RE-GDA0003823075040000081
试验主要参数指标与测量结果数据如下表1。
表1缝隙弧形拦挡坝室内物理模型试验数据
Figure RE-GDA0003823075040000082
Figure RE-GDA0003823075040000091
结果验证：将最大冲击力的理论计算值与试验测量数据对比。结果如图6。图6显示，通过理论公式所得到的泥石流冲击缝隙弧形拦挡坝的理论值与试验实测值具有良好的一致性。
对比例一
表2所列是与表1相同条件试验中，不考虑相对流速系数λ时计算最大冲击力与测量最大冲击力数据。表2与表1数据比较显示，在不考虑本发明技术方案定义的相对流速系数λ影响的情况下，计算最大冲击力f′max与实测结果有较大偏离。
表2不考虑相对流速系数λ对冲击力计算结果的影响
Figure RE-GDA0003823075040000092
Figure RE-GDA0003823075040000101
对比例二
表3所列是将实施例一试验系统使用的缝隙弧形拦挡坝替换为现有技术(王东坡等，泥石流冲击弧形拦挡坝动力响应研究，《岩土力学》， 2020年12月)中使用的弧形拦挡坝，并与表1相同条件下的试验数据。表3与表1数据比较显示，采用缝隙弧形拦挡坝结构可以显著地降低泥石流对坝最大冲击力。
表1缝隙弧形拦挡坝室内物理模型试验数据
Figure RE-GDA0003823075040000102

Claims (7)

1.缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数测算方法，其特征在于：现场调查获取基本数据，再依式1测算缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数，
Figure FDA0003711736250000011
式中，λ—缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数，
B—缝隙弧形拦挡坝相对开口宽度，基本数据确定，
d50—泥石流中值粒径，单位m，基本数据确定，
B0—坝宽，单位m，基本数据确定。
2.权利要求1所述缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数测算方法在缝隙弧形拦挡坝泥石流过坝运动特征指标测量中的应用。
3.权利要求1所述缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数测算方法在缝隙弧形拦挡坝设计中的应用。
4.利用权利要求1所述缝隙弧形拦挡坝泥石流相对流速系数测算方法实现的缝隙弧形拦挡坝泥石流最大冲击力测算方法，其特征在于：适用于单个开口且弧形半径R＝2h0～3h0的缝隙弧形拦挡坝，h0是坝前1m处泥石流流深；现场调查获取基本数据，再依式2测算过坝泥石流最大冲击力fmax，
Figure FDA0003711736250000012
式中，fmax—缝隙弧形拦挡坝过坝泥石流最大冲击力，
Fr—弗洛德数，基本数据确定，
ρ—泥石流密度，单位kg/m3，基本数据确定，
g—重力加速度常数，单位m/s2，
α—泥石流沟道倾角，单位°，基本数据确定
h0—泥石流坝前流深，单位m，基本数据确定。
5.根据权利要求4所述的泥石流最大冲击力测算方法，其特征在于：适用于多个开口且开口规格相同且排列均匀的缝隙弧形拦挡坝，fmax是每个开口单元的过坝泥石流最大冲击力。
6.权利要求4或5所述的缝隙弧形拦挡坝过坝泥石流最大冲击力测算方法在缝隙弧形拦挡坝强度设计中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：是缝隙弧形拦挡坝强度设计和/或结构设计。
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