CN117216831B - 一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，涉及公路水毁防护设计技术领域，包括以下步骤：S1、确定河床基本特征、水情特点和河床冲淤变化特点；S2、确定路基防护范围；S3、根据河床冲淤变化特点和河岸防护范围，在路基防护段从上游至下游确定每个丁坝的位置、类型、坝长、坝头冲刷深度和各坝间距之间相互关系；确定丁坝群包括矶头坝、圆头坝、斜头坝、抛物线坝和拐头坝。本发明采用上述的一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，利用水力学理论进行丁坝类型的合理配置，同时利用水沙平衡理论进行丁坝群的优化设计，以实现高效能水沙调控和水毁防治的目的。
Description
技术领域
本发明涉及公路水毁防护设计技术领域，尤其是涉及一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法。
背景技术
为降低公路路基山洪水毁灾害，提高弯道路基抗冲刷侵蚀能力，丁坝群正在公路路基水毁防治中大量应用。然而，目前的丁坝群均采用单一丁坝类型，且其间距、长度和冲刷深度等计算缺少定量计算依据。这种传统丁坝群设计不合理，可靠性低，同时会因坝前冲毁或坝后淤积造成丁坝群防护失效。
考虑到水流进入弯道后产生螺旋流，螺旋流具有强烈冲击力和方向瞬变性，本发明提出一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，即利用水沙平衡理论进行丁坝群设计，采用不同类型丁坝组合进行水沙调控，逐步改变水流流向，调节水流流速，控制形成水毁的水动力条件，以此来实现水沙冲淤平衡，安全稳定的公路路基水毁防治。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，利用水力学理论进行丁坝类型的合理配置，同时利用水沙平衡理论进行丁坝群的优化设计，以实现高效能水沙调控和水毁防治的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，包括以下步骤：
S1、确定河床基本特征、水情特点和河床冲淤变化特点；
S2、确定路基防护范围；
S3、根据河床冲淤变化特点和河岸防护范围，在路基防护段从上游至下游确定每个丁坝的位置、类型、坝长、坝头冲刷深度和各坝间距之间相互关系；
确定丁坝群包括矶头坝、圆头坝、斜头坝、抛物线坝和拐头坝。
优选的，所述丁坝群的设计包括以下步骤：
S31、首先确定矶头坝作为丁坝群的第一个坝，将矶头坝布设在路基凹岸防护段起点A处，确定矶头坝的位置A1；
S32、在矶头坝的回流长度范围内设置圆头坝，作为丁坝群的第二个坝；
矶头坝位置A1处的圆弧切线上取0.82LD1，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为圆头坝的位置A2，即确定圆头坝与矶头坝间距L1-2，其中，LD1为矶头坝回流长度，圆心O为弯道凹岸圆曲线的位置；
S33、在圆头坝的回流长度范围内设置斜头坝，作为丁坝群的第三个坝；
在圆头坝位置A2处的圆弧切线上取0.82LD2，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为斜头坝的位置A3，即确定斜头坝和圆头坝间距L2-3，其中，LD2为圆头坝回流长度；
S34、在斜头坝的回流长度范围内设置抛物线坝，作为丁坝群的第四个坝；
在斜头坝位置A3处的圆弧切线上取0.82LD3，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为抛物线坝的位置A4，即确定抛物线坝和斜头坝间距L3-4，其中LD3为斜头坝回流长度；
S35、在抛物线坝的回流长度范围内设置拐头坝，作为丁坝群的第五个坝；
在抛物线坝位置A4处的圆弧切线上取0.82LD4，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为拐头坝的位置A5，即确定拐头坝和抛物线坝间距L4-5，其中，LD4为抛物线坝回流长度。
优选的，所述矶头坝首先将由直道进入弯道的高速水流进行缓冲降速，降低水流对凹岸的直接冲击力，其设计步骤为：
S311、矶头坝形状为直角三角形，坝体采用漫水坝，斜边与和河岸紧贴平行，直角长边与河岸夹角矶头坝挑角为a1，矶头坝长度L1和矶头坝直角顶点到斜边垂直距离L阻1，矶头坝体高度为H1，矶头坝坝体上下游和矶头坝坝头三面的边坡形成的矶头坝坡面边坡系数为1：m1，从矶头坝坝头至矶头坝坝根的坝顶纵坡形成的矶头坝坝顶边坡系数为1：f1；
S312、矶头坝的冲刷深度h1与矶头坝与圆头坝的距离L1-2无关，其冲刷深度按单个丁坝的冲刷公式(1)计算
hi—单个丁坝端部冲刷深度，单位为m；
Fr—天然河道水流弗汝德数，
V—河流平均流速，单位为m/s；
h平—河流平均水深，单位为m；
L阻i—单个丁坝长度，单位为m，以垂直流向投影长度计；
—水流挑流系数，/>
ai—单个丁坝坝轴与水流流向夹角，单位为°；
—单个丁坝边坡系数，/>
mi—单个边坡系数，主要指上游路堤边坡或坝头边坡；
i＝1，2，3，4，5；
S313、矶头坝的坝后回流长度LD1按单坝回流区长度公式(2)计算，而坝前回流区长度取坝长的1.35倍，即L'D1＝1.35L阻1
—单坝坝后回流区长度，单位为m；
—单坝坝前回流区长度，单位为m；
—单坝阻水长度，单位为m，以垂直水流流向计：
C0—谢才系数，
n—河床糙率系数；
B—河床宽度，单位为m。
优选的，所述圆头坝将经矶头坝降速的水流经端部圆头进行挑流变向，降低水流对凹岸冲击力，同时引导水流流向弯道外侧，其设计步骤为：
S321、圆头坝形状为坝头呈半圆形的长方体，坝体采用不漫水坝，圆头坝坝长L2＝2L1，圆头坝坝体挑角为a2，圆头坝坝顶宽度为b2，圆头坝坝体高度为H2，圆头坝坝体上下游和圆头坝坝头三面的边坡形成的圆头坝坡面边坡系数为1：m2，从圆头坝坝头至圆头坝坝根的坝顶纵坡形成的圆头坝坝顶边坡系数为1：f2；
S322、圆头坝冲刷深度h2按公式(1)计算，圆头坝回流长度LD2按公式(2)计算；
S323、当圆头坝坝长L2和矶头坝坝长L1的2倍，L2＝2L1时，圆头坝的坝头冲刷深度h2与圆头坝坝长L2和圆头坝与斜头坝的距离L2-3的关系存在三种情况。
优选的，所述圆头坝的坝头冲刷深度h2与坝长L2和圆头坝与斜头坝的距离L2-3的关系如下：
(1)圆头坝坝头冲刷深度h2随圆头坝与斜头坝的距离L2-3而变化，当圆头坝与斜头坝的距离L2-3小于圆头坝为单坝时的回流长度LD2时，圆头坝受斜头坝的顶托，冲刷深度减小18％，即当L2-3≤LD2时，h2＝0.82h，；
(2)当圆头坝坝头冲刷深度h2大于等于单坝时的回流长度LD2时，圆头坝坝头冲刷深度h2与单坝相同，即当h2≥2LD2时，h2＝h；
(3)当圆头坝与斜头坝的距离L2-3大于单坝回流长度LD2而小于2倍单坝回流长度2LD2时，即LD2＜L2-3＜2LD2，圆头坝坝头冲刷深度按下式(3)确定：
优选的，所述斜头坝将经圆头坝的变向水流引导至弯道外侧，使水流由弯道入流流向改变为弯道出流方向，大角度改变水流流向同时，加速水流向下游排泄，具体的设计步骤如下：
S331、斜头坝形状为坝头呈斜线形的长方体，斜线平行于水流流线，坝体采用不漫水坝，斜头坝坝长L3＝3L1，斜头坝坝体挑角为a3，斜头坝坝顶宽度为b3，斜头坝坝体高度为H3，斜头坝坝体上下游和斜头坝坝头三面的边坡形成的斜头坝坡面边坡系数为1：m3，从斜头坝坝头至斜头坝坝根的坝顶纵坡形成的斜头坝坝顶边坡系数为1：f3；
S332、斜头坝的冲刷深度h3按公式(1)计算，斜头坝回流长度LD3按公式(2)计算，也与圆头坝冲刷深度对比计算，当L2-3＝1.5LD2，则h3＝0.9h2，当L2-3＝2.0LD2，则h3＝0.98h2，当L2-3＞2.0LD2，则h3＝h2。
优选的，所述抛物线坝将经斜头坝变向水流进一步引导流向河道中泓线，引导水流流向弯道外侧同时，加速泥沙的排泄，具体的设计步骤为：
S341、抛物线坝形状为坝头呈抛物线形的长方体，抛物线端部平行于水流流线，坝体采用不漫水坝，抛物线坝长L4＝4L1，抛物线坝体挑角为a4，抛物线坝顶宽度为b4，抛物线坝体高度为H4，抛物线坝体上下游和抛物线坝头三面的边坡形成的抛物线坡面边坡系数为1：m4，从抛物线坝头至抛物线坝根的坝顶纵坡形成的抛物线坝顶边坡系数为1：f4；
S342、抛物线坝的坝头的冲刷深度h4按公式(1)计算，抛物线回流长度LD4按公式(2)计算，但因上游圆头坝和斜线坝的存在而减小，其为圆头坝冲刷深度的1/2，即h4＝1/2h2。
优选的，所述拐头坝将经抛物线坝导流后的水流引导进入直道，彻底消除弯道水流对路基的水毁危害，具体的设计步骤为：
S351、拐头坝形状为坝头呈折线形的长方体，拐头坝端部平行于水流流线，坝体采用不漫水坝，拐头坝坝体挑角为a5，拐头坝坝长L5＝5L1，拐头坝坝顶宽度为b5，拐头坝坝体高度为H5，拐头坝坝体上下游和拐头坝坝头三面的边坡形成的拐头坝坡面边坡系数为1：m5，从拐头坝坝头至拐头坝坝根的坝顶纵坡形成的拐头坝坝顶边坡系数为1：f5；
S352、拐头坝坝头的冲刷深度h5按公式(1)计算，拐头坝回流长度LD5按公式(2)计算，但因上游圆头坝、斜线坝和抛物线坝的存在而减小，冲刷深度也取圆头坝冲刷深度的1/3，即h5＝1/3h2。
优选的，所述拐头坝坝长最垂直流向的投影最大长度小于等于河槽宽度B的15％。
优选的，丁坝群总防护设计长度L'防应为矶头坝坝前回流长度L'D1、圆头坝与矶头坝距离L1-2、斜头坝与圆头坝的距离L2-3、抛物线坝与斜头坝的距离L3-4、拐头坝与抛物线坝的距离，及拐头坝的坝后回流长度LD5的总和，即L'防＝L'D1+L1-2+L2-3+L3-4+L4-5+LD5>L防，以满足路基水毁防护要求。
因此，本发明采用上述一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，其技术效果如下：
(1)每个丁坝单独发挥导流防冲输沙作用，同时，各丁坝之间又形成一个完整的连续防护体，逐步改变水流流向，增大弯道圆弧弧度，降低弯道水流冲击力，实现弯道水沙平衡与调控。
(2)结构形式简单，施工简便，工期短。
(3)坝型选择和组合设计合理，保护路基范围长。
(4)就地取材，绿色无污染，工程造价低。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法新型丁坝群设计图；
图2是矶头坝的设计图；
图3是圆头坝的设计图；
图4是斜头坝的设计图；
图5是抛物线的设计图；
图6是拐头坝的设计图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的主旨或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。这些其它实施方式也涵盖在本发明的保护范围内。
还应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明/发明的保护范围之内。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作为详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
本发明说明书中引用的现有技术文献所公开的内容整体均通过引用并入本发明中，并且因此是本发明公开内容的一部分。
实施例一
如图所示，本发明提供了一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，丁坝群不仅适用于山区峡谷河段弯道凹岸的公路水毁防治，也适用于山前变迁性河段顺直河道的公路水毁防治。丁坝群防护设计主要依据水力学和泥沙动力学原理，基于现场调查总结和室内试验分析基础上提出的。包括以下步骤：
S1、确定河床基本特征、水情特点和河床冲淤变化特点；
包括河床糙率系数n、床面比降i、水流平均流速V平、水流平均水深h平、洪水水面平均宽度B、以及弗汝德数Fr等参数。
S2、确定路基防护范围；
确定路基防护段长度L防和起终点A、B，确定凹岸圆曲线的位置O、圆心角θ和半径R内、R外、R平等参数。
S3、根据河床冲淤变化特点和河岸防护范围，在路基防护段从上游至下游确定每个丁坝的位置、类型、坝长、坝头冲刷深度和各坝间距之间相互关系；
确定丁坝群包括矶头坝、圆头坝、斜头坝、抛物线坝和拐头坝。
S31、首先确定矶头坝作为丁坝群的第一个坝，将由直道进入弯道的高速水流进行缓冲降速，降低水流对凹岸的直接冲击力，其设计步骤为：
S311、将矶头坝布设在路基凹岸防护段起点A处，确定矶头坝的位置A1；
S312、矶头坝形状为直角三角形，坝体采用漫水坝，斜边与和河岸紧贴平行，直角长边与河岸夹角坝体挑角为a1，坝长L1和L阻1(即矶头坝直角顶点到斜边垂直距离)，坝体高度为H1，坝体上下游和坝头三面的边坡的坡面边坡系数为1：m1，从坝头至坝根的坝顶纵坡的坝顶边坡系数为1：f1；
S313、矶头坝的冲刷深度与下游坝距L1-2无关，其冲刷深度按单个丁坝的冲刷公式(1)计算
hi—单个丁坝端部冲刷深度，单位为m；
Fr—天然河道水流弗汝德数，
V—河流平均流速，单位为m/s；
h平—河流平均水深，单位为m；
L阻i—单个丁坝长度，单位为m，以垂直流向投影长度计；
—水流挑流系数，/>
ai—单个丁坝坝轴与水流流向夹角，单位为°；
—单个丁坝边坡系数，/>
mi—单个边坡系数，主要指上游路堤边坡或坝头边坡；
i＝1，2，3，4，5；
S314、矶头坝的坝后回流长度LD1按单坝回流区长度公式(2)计算，而坝前回流区长度一般取坝长的1.35倍，即L'D1＝1.35L阻1
—单坝坝后回流区长度，单位为m；
—单坝坝前回流区长度，单位为m；
—单坝阻水长度，单位为m，以垂直水流流向计：
C0—谢才系数，
n—河床糙率系数；
B—河床宽度，单位为m。
S32、在矶头坝的回流长度范围内设置圆头坝，作为丁坝群的第二个坝，将经矶头坝降速的水流经端部圆头进行挑流变向，降低水流对凹岸冲击力，同时引导水流流向弯道外侧，其设计步骤为：
S321、矶头坝位置A1处的圆弧切线上取0.82LD1，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为圆头坝的位置A2，即确定圆头坝与矶头坝间距L1-2；
S322、圆头坝形状为坝头呈半圆形的长方体，坝体采用不漫水坝，坝长L2＝2L1，坝体挑角为a2，坝顶宽度为b2，坝体高度为H2，坝体上下游和坝头三面的边坡为1：m2(坡面边坡系数)，从坝头至坝根的坝顶纵坡为1：f2(坝顶边坡系数)；
S323、圆头坝冲刷深度h2按公式(1)计算，回流长度LD2按公式(2)计算；
S324、当圆头坝坝长L2和矶头坝坝长L1的2倍，L2＝2L1时，圆头坝的坝头冲刷深度h2与坝长L2和下游坝距L2-3的关系如下：
(1)圆头坝坝头冲刷深度h2随下游坝距L2-3而变化，当下游坝距L2-3小于圆头坝为单坝时的回流长度LD2时，圆头坝受斜头坝的顶托，冲刷深度减小18％，即当L2-3≤LD2时，h2＝0.82h；
(2)当圆头坝坝头冲刷深度h2大于等于单坝时的回流长度LD2时，圆头坝坝头冲刷深度h2与单坝相同，即当h2≥2LD2时，h2＝h；
(3)当下游坝距L2-3大于单坝回流长度LD2而小于2倍单坝回流长度2LD2时，即LD2＜L2-3＜2LD2，圆头坝坝头冲刷深度按下式(3)确定：
表1丁坝间距与冲刷深度关系表
S33、在圆头坝的回流长度范围内设置斜头坝，作为丁坝群的第三个坝，将经圆头坝的变向水流引导至弯道外侧，使水流由弯道入流流向改变为弯道出流方向，大角度改变水流流向同时，加速水流向下游排泄，具体的设计步骤如下：
S331、在圆头坝位置A2处的圆弧切线上取0.82LD2，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为斜头坝的位置A3，即确定斜头坝和圆头坝间距L2-3；
S332、斜头坝形状为坝头呈斜线形的长方体，斜线平行于水流流线，坝体采用不漫水坝，坝长L3＝3L1，坝体挑角为a3，坝顶宽度为b3，坝体高度为H3，坝体上下游和坝头三面的边坡为1：m3(坡面边坡系数)，从坝头至坝根的坝顶纵坡为1：f3(坝顶边坡系数)；
S333、斜头坝的冲刷深度h3按公式(1)计算，回流长度LD3按公式(2)计算，也与圆头坝冲刷深度对比计算，当L2-3＝1.5LD2，则h3＝0.9h2,当L2-3＝2.0LD2，则h3＝0.98h2，当L2-3＞2.0LD2，则h3＝h2。
S34、在斜头坝的回流长度范围内设置抛物线坝，作为丁坝群的第四个坝，将经斜头坝变向水流进一步引导流向河道中泓线，引导水流流向弯道外侧同时，加速泥沙的排泄，具体的设计步骤为：
S341、在斜头坝位置A3处的圆弧切线上取0.82LD3，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为抛物线坝的位置A4，即确定抛物线坝和斜头坝间距L3-4；
S342、抛物线坝形状为坝头呈抛物线形的长方体，抛物线端部平行于水流流线，坝体采用不漫水坝，坝长L4＝4L1，坝体挑角为a4，坝顶宽度为b4，坝体高度为H4，坝体上下游和坝头三面的边坡为1：m4(坡面边坡系数)，从坝头至坝根的坝顶纵坡为1：f4(坝顶边坡系数)；
S343、抛物线坝的坝头的冲刷深度h4按公式(1)计算，回流长度LD4按公式(2)计算，但因上游圆头坝和斜线坝的存在而减小，其为圆头坝冲刷深度的1/2，即h4＝1/2h2。
S35、在抛物线坝的回流长度范围内设置拐头坝，作为丁坝群的第五个坝，将经抛物线坝导流后的水流引导进入直道，彻底消除弯道水流对路基的水毁危害，具体的设计步骤为：
S351、在抛物线坝位置A4处的圆弧切线上取0.82LD4，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为拐头坝的位置A5，即确定拐头坝和抛物线坝间距L4-5。
S352、拐头坝形状为坝头呈折线形的长方体，拐头坝端部平行于水流流线，坝体采用不漫水坝，坝体挑角为a5，坝长L5＝5L1(丁坝坝长最垂直流向的投影最大长度小于等于河槽宽度B的15％)，坝顶宽度为b5，坝体高度为H5，坝体上下游和坝头三面的边坡为1：m5(坡面边坡系数)，从坝头至坝根的坝顶纵坡为1：f5(坝顶边坡系数)；
S353、拐头坝坝头的冲刷深度h5按公式(1)计算，回流长度LD5按公式(2)计算，但因上游圆头坝、斜线坝和抛物线坝的存在而减小，冲刷深度取圆头坝冲刷深度的1/3，即h5＝1/3h2。
丁坝群总防护设计长度L'防应为矶头坝坝前回流长度L'D1、圆头坝与矶头坝距离L1-2、斜头坝与圆头坝的距离L2-3、抛物线坝与斜头坝的距离L3-4、拐头坝与抛物线坝的距离，及拐头坝的坝后回流长度LD5的总和，即L'防＝L'D1+L1-2+L2-3+L3-4+L4-5+LD5>L防，以满足路基水毁防护要求。
实施例二
采用实施例一的设计方法，将其在某西北地区一公路沿山区河流弯道凹岸展线布设，河流弯道平均半径R平＝60m，河床为卵砾石河床，水流平均水深h平＝1.5m，床面比降ι＝2.5‰，河床糙率系数n＝1/40；在临河一侧公路常受到弯道凹岸水流顶冲，水流冲击力强，冲刷淘蚀路基基础造成路基滑塌和路面开裂等灾害。以往布设的常规丁坝(群)由于设计不合理、计算方法不合适、组合不恰当等原因常被冲毁而失去防护效果。针对河流基本特征和路基水毁灾害机理，采用本次提出的基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法来进行丁坝群设计，调控弯道水流，防止公路水毁。具体设计方法和步骤如下：
(1)首先根据现场洪水调查和地区水文手册资料，确定设计洪水流量Q＝158m3/s；
(2)根据河道实测调查确定河流水情特征，确定水流平均水深h平＝1.5m，床面比降ι＝2.5‰，河床为卵砾石河床，河床糙率系数n＝1/40；洪水水面平均宽度B＝40m，计算得到水流的平均流速V平和弗汝德数Fr为：
(2)根据河流弯道现场调绘，确定公路弯道冲刷河段防护长度约为L防＝100m，弯道凹岸圆曲线的位置O、圆心角θ＝120°，河流弯道内径R内＝40m，弯道外径R外＝80m，以及防护的起终点位置A、B处；
(3)根据河床冲淤变化特点和河岸防护范围，确定丁坝群由矶头坝、圆头坝、斜头坝、抛物线坝和拐头坝组合构成，并采用漫水和不漫水丁坝组合进行防护；
(4)矶头坝位置A1布设在防护起点处A处，坝型采用漫水坝，丁坝形状为直角三角形，矶头坝坝长L1＝1.5m，矶头坝坝阻水长度L阻1＝1.0m，矶头坝坝体高度为H1＝1.5m，矶头坝坝体上下游和矶头坝坝头三面的边坡为1：1，从矶头坝坝头至矶头坝坝根的坝顶纵坡为1：1；矶头坝挑角为a1＝30°，矶头坝冲刷深度为h1＝1.62m，矶头坝坝后回流长度为LD1＝11.3m，矶头坝坝前回流长度L'D1＝1.35L阻1＝1.35m。
(5)圆头坝为坝头呈半圆形的长方体，坝型采用不漫水坝，圆头坝坝长L2＝2L1＝3.0m，圆头坝阻水段长度为L阻2＝2L阻1＝2m，圆头坝挑角为a2＝90°，圆头坝坝顶宽度为b2＝2m，圆头坝坝体高度为H2＝2m，圆头坝坝体上下游和圆头坝坝头三面的边坡为1：0.5(坡面边坡系数)，从圆头坝坝头至圆头坝坝根的坝顶纵坡为1：10；圆头坝与矶头坝间距为L1-2＝0.82LD1＝9.2m，在矶头坝位置A1处的圆弧切线上取L1-2＝9.2m，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为圆头坝的位置A2，冲刷深度为h2＝2.8m，坝后回流长度为LD2＝21.22m；
(6)斜头坝为坝头呈斜线形的长方体，坝型采用不漫水坝，斜头坝坝长L3＝3L1＝4.5m，斜头坝阻水段长度为L阻3＝3L阻1＝3m，斜头坝挑角为a3＝60°，斜头坝坝顶宽度为b3＝2m，斜头坝坝体高度为H3＝2m，斜头坝坝体上下游和斜头坝坝头三面的边坡为1：0.5(坡面边坡系数)，从斜头坝坝头至斜头坝坝根的坝顶纵坡为1：10；斜头坝与圆头坝间距为L2-3＝0.82LD2＝17.4m，在圆头坝位置A2处的圆弧切线上取L2-3＝17.4m，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为斜头坝的位置A3，斜头坝冲刷深度为h3＝3.2m(由于矶头坝和圆头坝阻水挑流作用，斜头坝坝头冲刷深度取圆头坝冲刷深度的2/3，即h3＝2/3h2＝1.86m)，斜头坝坝后回流长度为LD3＝30m；
(7)抛物线坝形状为坝头呈抛物线形的长方体，坝型采用不漫水坝，抛物线坝坝长L4＝4L1＝6.0m，抛物线坝阻水段长度为L阻4＝4L阻1＝4m，抛物线坝挑角为a4＝45°，抛物线坝坝顶宽度为b4＝2m，抛物线坝坝体高度为H4＝2m，抛物线坝坝体上下游和坝头三面的边坡为1：0.5(坡面边坡系数)，从抛物线坝坝头至抛物线坝坝根的坝顶纵坡为1：10；抛物线坝与斜头坝间距为L3-4＝0.82LD3＝24.6m，在斜头坝位置A3处的圆弧切线上取L3-4＝24.6m，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为抛物线坝的位置A4，抛物线坝冲刷深度为h4＝3.5m(由于圆头坝和斜头坝阻水挑流作用，抛物线坝坝头冲刷深度取圆头坝冲刷深度的1/2，即h4＝0.5h2＝1.4m)，抛物线坝坝后回流长度为LD4＝37.82m；
(8)拐头坝形状为坝头呈折线形的长方体，坝型采用不漫水坝，拐头坝坝长L5＝5L1＝7.5m，拐头坝阻水段长度为L阻5＝5L阻1＝5m(丁坝阻水段最大长度小于等于河槽宽度B＝40m的15％，即6m)，拐头坝挑角为a5＝30°，拐头坝坝顶宽度为b5＝2m，拐头坝坝体高度为H5＝2m，拐头坝坝体上下游和拐头坝坝头三面的边坡为1：0.5(坡面边坡系数)，从拐头坝坝头至拐头坝坝根的坝顶纵坡为1：10；拐头坝与抛物线坝间距为L4-5＝0.82LD4＝31m，在圆头坝位置A2处的圆弧切线上取L4-5＝31m，并连接该点与圆心O，连线与凹岸的交点即为拐头坝的位置A5(或直接放置在防护段终点B处)，拐头坝冲刷深度为h5＝3.6m(由于圆头坝、斜头坝和抛物线坝的阻水挑流作用，抛物线坝坝头冲刷深度仅为圆头坝冲刷深度的1/3，即h5＝1/3h2＝0.93m)，拐头坝坝后回流长度为LD5＝44.85m；
(9)丁坝群总防护长度L'防＝L'D1+L1-2+L2-3+L3-4+LD5＝1.35+9.2+17.4+24.6+31+44.85＝128.4m>L防＝100m。丁坝群可满足防护长度100m的要求。
以上技术特征、尺寸特点和实际适用情况共同构成了本申请的实施案例，本申请对于河流弯道水流防冲刷(冲击)和水沙调控采用的设计方法和防护体系具有一定的优势，同时可根据实际情况对本申请技术特征进行优化，以满足工程需要。
因此，本发明采用上述一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，利用水力学理论进行丁坝类型的合理配置，同时利用水沙平衡理论进行丁坝群的优化设计，以实现高效能水沙调控和水毁防治的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定河床基本特征、水情特点和河床冲淤变化特点；
S2、确定路基防护范围；
S3、根据河床冲淤变化特点和河岸防护范围，在路基防护段从上游至下游确定每个丁坝的位置、类型、坝长、坝头冲刷深度和各坝间距之间相互关系；
确定丁坝群包括矶头坝、圆头坝、斜头坝、抛物线坝和拐头坝；
所述丁坝群的设计包括以下步骤：
S31、首先确定矶头坝作为丁坝群的第一个坝，将矶头坝布设在路基凹岸防护段起点A处，确定矶头坝的位置A1；
S32、在矶头坝的回流长度范围内设置圆头坝，作为丁坝群的第二个坝；
矶头坝位置A1处的圆弧切线上取0.82LD1，并连接0.82LD1处的点与圆心O，连线与凹岸的交点即为圆头坝的位置A2，即确定圆头坝与矶头坝间距L1-2，其中，LD1为矶头坝回流长度，圆心O为弯道凹岸圆曲线的位置；
S33、在圆头坝的回流长度范围内设置斜头坝，作为丁坝群的第三个坝；
在圆头坝位置A2处的圆弧切线上取0.82LD2，并连接0.82LD2处的点与圆心O，连线与凹岸的交点即为斜头坝的位置A3，即确定斜头坝和圆头坝间距L2-3，其中，LD2为圆头坝回流长度；
S34、在斜头坝的回流长度范围内设置抛物线坝，作为丁坝群的第四个坝；
在斜头坝位置A3处的圆弧切线上取0.82LD3，并连接0.82LD3处的点与圆心O，连线与凹岸的交点即为抛物线坝的位置A4，即确定抛物线坝和斜头坝间距L3-4，其中LD3为斜头坝回流长度；
S35、在抛物线坝的回流长度范围内设置拐头坝，作为丁坝群的第五个坝；
在抛物线坝位置A4处的圆弧切线上取0.82LD4，并连接0.82LD4处的点与圆心O，连线与凹岸的交点即为拐头坝的位置A5，即确定拐头坝和抛物线坝间距L4-5，其中，LD4为抛物线坝回流长度。
2.根据权利要求1所述的一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，其特征在于，所述矶头坝首先将由直道进入弯道的高速水流进行缓冲降速，降低水流对凹岸的直接冲击力，其设计步骤为：
S311、矶头坝形状为直角三角形，坝体采用漫水坝，斜边与和河岸紧贴平行，直角长边与河岸夹角矶头坝挑角为a1，矶头坝长度L1和矶头坝直角顶点到斜边垂直距离L阻1，矶头坝体高度为H1，矶头坝坝体上下游和矶头坝坝头三面的边坡形成的矶头坝坡面边坡系数为1：m1，从矶头坝坝头至矶头坝坝根的坝顶纵坡形成的矶头坝坝顶边坡系数为1：f1；
S312、矶头坝的冲刷深度h1与矶头坝与圆头坝的距离L1-2无关，其冲刷深度按单个丁坝的冲刷公式(1)计算
hi—单个丁坝端部冲刷深度，单位为m；
Fr—天然河道水流弗汝德数，
V—河流平均流速，单位为m/s；
h平—河流平均水深，单位为m；
L阻i—单个丁坝长度，单位为m，以垂直流向投影长度计；
—水流挑流系数，/>
ai—单个丁坝坝轴与水流流向夹角，单位为°；
—单个丁坝边坡系数，/>
mi—单个边坡系数，指上游路堤边坡或坝头边坡；
i＝1，2，3，4，5；
S313、矶头坝的坝后回流长度LD1按单坝回流区长度公式(2)计算，而坝前回流区长度取坝长的1.35倍，即L'D1＝1.35L阻1
—单坝坝后回流区长度，单位为m；
—单坝坝前回流区长度，单位为m；
—单坝阻水长度，单位为m，以垂直水流流向计：
C0—谢才系数，
n—河床糙率系数；
B—河床宽度，单位为m。
3.根据权利要求2所述的一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，其特征在于，所述圆头坝将经矶头坝降速的水流经端部圆头进行挑流变向，降低水流对凹岸冲击力，同时引导水流流向弯道外侧，其设计步骤为：
S321、圆头坝形状为坝头呈半圆形的长方体，坝体采用不漫水坝，圆头坝坝长L2＝2L1，圆头坝坝体挑角为a2，圆头坝坝顶宽度为b2，圆头坝坝体高度为H2，圆头坝坝体上下游和圆头坝坝头三面的边坡形成的圆头坝坡面边坡系数为1：m2，从圆头坝坝头至圆头坝坝根的坝顶纵坡形成的圆头坝坝顶边坡系数为1：f2；
S322、圆头坝冲刷深度h2按公式(1)计算，圆头坝回流长度LD2按公式(2)计算；
S323、当圆头坝坝长L2和矶头坝坝长L1的2倍，L2＝2L1时，圆头坝的坝头冲刷深度h2与圆头坝坝长L2和圆头坝与斜头坝的距离L2-3的关系存在三种情况。
4.根据权利要求3所述的一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，其特征在于，所述圆头坝的坝头冲刷深度h2与坝长L2和圆头坝与斜头坝的距离L2-3的关系如下：
(1)圆头坝坝头冲刷深度h2随圆头坝与斜头坝的距离L2-3而变化，当圆头坝与斜头坝的距离L2-3小于圆头坝为单坝时的回流长度LD2时，圆头坝受斜头坝的顶托，冲刷深度减小18％，即当L2-3≤LD2时，h2＝0.82h；
(2)当圆头坝坝头冲刷深度h2大于等于单坝时的回流长度LD2时，圆头坝坝头冲刷深度h2与单坝相同，即当h2≥2LD2时，h2＝h；
(3)当圆头坝与斜头坝的距离L2-3大于单坝回流长度LD2而小于2倍单坝回流长度2LD2时，即LD2＜L2-3＜2LD2，圆头坝坝头冲刷深度按下式(3)确定：
5.根据权利要求3所述的一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，其特征在于，所述斜头坝将经圆头坝的变向水流引导至弯道外侧，使水流由弯道入流流向改变为弯道出流方向，大角度改变水流流向同时，加速水流向下游排泄，具体的设计步骤如下：
S331、斜头坝形状为坝头呈斜线形的长方体，斜线平行于水流流线，坝体采用不漫水坝，斜头坝坝长L3＝3L1，斜头坝坝体挑角为a3，斜头坝坝顶宽度为b3，斜头坝坝体高度为H3，斜头坝坝体上下游和斜头坝坝头三面的边坡形成的斜头坝坡面边坡系数为1：m3，从斜头坝坝头至斜头坝坝根的坝顶纵坡形成的斜头坝坝顶边坡系数为1：f3；
S332、斜头坝的冲刷深度h3按公式(1)计算，斜头坝回流长度LD3按公式(2)计算，也与圆头坝冲刷深度对比计算，当L2-3＝1.5LD2，则h3＝0.9h2，当L2-3＝2.0LD2，则h3＝0.98h2，当L2-3＞2.0LD2，则h3＝h2。
6.根据权利要求3所述的一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，其特征在于，所述抛物线坝将经斜头坝变向水流进一步引导流向河道中泓线，引导水流流向弯道外侧同时，加速泥沙的排泄，具体的设计步骤为：
S341、抛物线坝形状为坝头呈抛物线形的长方体，抛物线端部平行于水流流线，坝体采用不漫水坝，抛物线坝长L4＝4L1，抛物线坝体挑角为a4，抛物线坝顶宽度为b4，抛物线坝体高度为H4，抛物线坝体上下游和抛物线坝头三面的边坡形成的抛物线坡面边坡系数为1：m4，从抛物线坝头至抛物线坝根的坝顶纵坡形成的抛物线坝顶边坡系数为1：f4；
S342、抛物线坝的坝头的冲刷深度h4按公式(1)计算，抛物线回流长度LD4按公式(2)计算，但因上游圆头坝和斜线坝的存在而减小，其为圆头坝冲刷深度的1/2，即h4＝1/2h2。
7.根据权利要求3所述的一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，其特征在于，所述拐头坝将经抛物线坝导流后的水流引导进入直道，彻底消除弯道水流对路基的水毁危害，具体的设计步骤为：
S351、拐头坝形状为坝头呈折线形的长方体，拐头坝端部平行于水流流线，坝体采用不漫水坝，拐头坝坝体挑角为a5，拐头坝坝长L5＝5L1，拐头坝坝顶宽度为b5，拐头坝坝体高度为H5，拐头坝坝体上下游和拐头坝坝头三面的边坡形成的拐头坝坡面边坡系数为1：m5，从拐头坝坝头至拐头坝坝根的坝顶纵坡形成的拐头坝坝顶边坡系数为1：f5；
S352、拐头坝坝头的冲刷深度h5按公式(1)计算，拐头坝回流长度LD5按公式(2)计算，但因上游圆头坝、斜线坝和抛物线坝的存在而减小，冲刷深度也取圆头坝冲刷深度的1/3，即h5＝1/3h2。
8.根据权利要求7所述的一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，其特征在于，所述拐头坝坝长最垂直流向的投影最大长度小于河槽宽度B的15％。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于河流弯道水沙调控的公路水毁防护设计方法，其特征在于，丁坝群总防护设计长度L'防应为矶头坝坝前回流长度L'D1、圆头坝与矶头坝距离L1-2、斜头坝与圆头坝的距离L2-3、抛物线坝与斜头坝的距离L3-4、拐头坝与抛物线坝的距离，及拐头坝的坝后回流长度LD5的总和，即L'防＝L'D1+L1-2+L2-3+L3-4+L4-5+LD5>L防，以满足路基水毁防护要求。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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