一种拦砂坝后泥石流回淤形态测算方法及应用

摘要

本发明公开了一种拦砂坝后泥石流回淤形态测算方法及应用。该方法通过现场调查测量、室内土工实验及大比例尺地形图测算等手段，确定泥石流体内摩擦角和泥石流沟的沟道坡度；将所得参数代入拦砂坝后泥石流回淤形态公式，即能合理确定库内不同位置处泥石流的回淤厚度；在此基础上，进一步确定坝后泥石流最大回淤长度、回淤纵坡及存在限制淤埋点情况下拦砂坝坝体的有效高度。与现有技术相比，本发明综合考虑沟道条件和泥石流自身性质，通过理论推导得到拦砂坝坝后泥石流回淤形态方程，不仅能合理确定库内不同位置处泥石流的回淤厚度，而且能合理确定最大回淤长度、回淤纵坡以及允许最大坝高等工程设计参数，为泥石流灾害防治工程设计提供科学依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种拦砂坝后泥石流回淤形态的测算方法，及其在泥石流灾害 防治工程中的应用。

背景技术

泥石流是中国山区一种常见的地质灾害，具有发生突然、历时短暂、来势 凶猛、大冲淤、破坏力极强的特点。随着人类经济活动进一步向山区延伸和自 然环境趋于恶化,泥石流爆发范围和频率正在逐年增大,所带来的危害也更加 严重，为了保障山区经济的可持续发展，泥石流防治治理就显得十分必要。

在泥石流的防治措施中，拦砂坝由于具有防治效果好、施工及维护方便、 使用周期长、造价低等特点，是目前防治泥石流灾害中使用最为广泛的工程措 施。

随着拦砂坝工程的大量实施，在这个过程中遇到了许多新的工程实际问题。 例如，在采用拦砂坝对泥石流沟进行治理时，需要估算拦砂坝的拦蓄方量，通 过合理估算拦蓄方量，才能在结合泥石流防治目标的基础上对泥石流的拦（蓄） 排（泄）方案进行整体设计。例如，在进行梯级拦砂坝设计时，需要考虑相邻 两座坝之间的回淤协调问题；若回淤偏大，回淤长度超过上游拦砂坝，则设计 回淤库容偏小，不能完全发挥其拦蓄效能，甚至影响上游拦砂坝的功效发挥， 如堵塞上游拦砂坝泄水孔；若回淤偏小，又达不到对上一级拦砂坝进行回淤压 脚保护的目的。例如，一般拦砂坝坝体越高，回淤越远；在某些情况下，当拦 砂坝库内存在限制淤埋物（如桥梁、道路等）时，此时需要根据回淤长度推算 拦砂坝的允许最大坝高，以免回淤过大淤埋库内建筑设施。解决上述这些问题 的关键在于如何合理确定泥石流拦砂坝坝后回淤形态曲线，通过该曲线可以得 到最大回淤长度、回淤纵坡等，结合实际地形还可以计算得到拦砂坝拦蓄方量， 为拦砂坝工程建设提供指导，对拦砂坝的设计具有十分重要的意义。

目前，对于拦砂坝坝后泥石流回淤形态的确定还没有比较科学合理的方法。 实践中，往往取0.5～0.8倍系数的沟道原始纵坡作为建坝后的回淤纵坡，然后在 此纵坡下求得回淤长度和回淤库容。在现有文献资料中，《泥石流防治指南》提 出了现场调查法、统计分析法以及模拟实验法三种坝后泥石流回淤纵坡的确定 方法；《泥石流减灾理论与实践》推荐采用0.5～0.8倍系数的沟床纵坡作为回淤 纵坡；《中国泥石流》则建议取0.5～0.9倍系数的沟床纵坡作为回淤纵坡；《泥石 流及其综合治理》根据坝高和泥石流性质的不同推荐采用0.5～0.95倍系数的沟 床纵坡作为回淤纵坡；《泥石流侵蚀搬运与堆积》则采用采用0.4～0.8倍系数的 沟床纵坡作为回淤纵坡。以上方法仅考虑了沟道原始纵坡对回淤纵坡的影响， 而没有考虑泥石流体本身的性质，其系数取值范围较宽泛，具有较大随意性， 计算结果与实际值往往存在较大误差。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种拦砂坝后泥石流回淤形 态的测算方法及其在泥石流防治工程中的应用，该测算方法基于理论推导，不 仅能够合理确定库内不同位置处泥石流的回淤厚度，还能确定坝后最大回淤长 度及回淤纵坡，可以为泥石流灾害防治工程设计提供科学依据，且计算方法有 效简便，适应实际工程需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种拦砂坝后泥石流回淤形态的测算方法，所述测算方法的理 论推导如下：建立拦砂坝坝后回淤的二维笛卡尔坐标系统，设沟道坡度为θ，建 立坐标系统，X坐标（代表泥石流回淤长度方向）为沿坡面指向上游方向，Y坐 标（代表泥石流淤积厚度方向）垂直于坡面指向朝上，如附图1所示。沿X、Y 取任一单元体，对单元体平衡时进行受力分析并建立微元体平衡方程为：G_x+P₂= P₁+f。其中，G_x为泥石流体重力沿X方向的分力，P₁、P₂分别表示泥石流单元体 下侧和上侧的流体压力，f表示坡面底部的摩擦力。代入G_x、P₁、P₂、f的表达式 得到微分方程式：

对上式积分整理可得：该式即为拦砂坝后泥石流回 淤形态的测算方法。式中，θ为沟道坡度，为泥石流内摩擦角，x为距拦砂坝 的距离，h为坝体有效高度，y为拦砂坝后泥石流回淤厚度。

本发明在上述计算理论分析基础之上，提出了一种拦砂坝后泥石流回淤形 态的测算方法。具体而言，所述拦砂坝后泥石流回淤形态的测算方法步骤如下：

A.通过现场调查测量，确定土体体积比C_V；通过室内土工实验，确定泥石流体 中土粒密度ρ_s，单位g/cm³；通过室内土工实验，确定密度参数ρ_y，单位g/cm³；

通过土工三轴实验，确定泥石流体中松散土的内摩擦角单位度；通过室 内颗分实验，确定泥石流体中粒径≤0.05mm的粘土和粉土颗粒所占的重量百 分比P_c；

将上述参量代入公式确定泥石流体内摩擦角 单位度；

B.通过大比例尺地形图测量计算，确定泥石流沟的沟道坡度θ，单位度；

C.通过以下公式（即回淤形态公式）确定拦砂坝后泥石流回淤形态：

式中，y—拦砂坝后泥石流淤积厚度，单位m;

θ—泥石流沟的沟道坡度，由步骤B确定；

—泥石流体内摩擦角，由步骤A确定；

h—拦砂坝有效高度，单位m（严格讲，其值为垂直于坡面的斜高，实际计 算可直接取用竖直方向的坝体高度，二者相差不大）；一般根据现场调查确定； 当需要利用该回淤形态公式确定拦砂坝有效高度时，h就成为未知量；

x—距拦砂坝的距离，单位m；一般根据现场调查确定；当需要利用该回淤 形态公式确定回淤长度时，x就成为未知量。

上述回淤形态公式能够确定泥石流拦砂坝坝后回淤形态曲线，并能合理确定 库内不同位置处泥石流的回淤厚度。应用于坝后库内修建防治工程时的参数设 计，可适用于拦砂坝后泥石流淤积区域内护坡挡墙高度的确定，将得到的护坡 挡墙处泥石流淤积厚度作为护坡挡墙高度。

当需要计算拦砂坝后泥石流最大回淤长度时：令上述步骤C中回淤形态公 式的拦砂坝后泥石流淤积厚度y等于零，进行公式变换，得到公式 式中所有参量与上述步骤C中一致，然后通过以下公式确 定拦砂坝后泥石流最大回淤长度x_max，单位m：式中，拦砂坝有效高度h通过现场调查确定。可适用于梯级拦砂坝相邻坝体之 间距离的确定，将得到的拦砂坝后泥石流最大回淤长度作为梯级拦砂坝相邻坝 体之间距离。

当需要计算拦砂坝后泥石流回淤纵坡时：将上述拦砂坝后泥石流最大回淤 长度x_max计算公式代入拦砂坝后泥石流回淤纵坡I与拦 砂坝后泥石流最大回淤长度x_max、泥石流沟的沟道坡度θ及拦砂坝有效高度h 的几何关系式得到回淤纵坡计算公式，然后通过以下回淤纵 坡公式确定拦砂坝后泥石流回淤纵坡式中所有参 量与上述步骤C中一致。可适用于拦砂坝拦蓄库容的估算确定，根据得到的拦 砂坝后泥石流回淤纵坡确定回淤纵坡线，将回淤纵坡线、沟道线和拦砂坝合围 的三角形横断面面积与沟道宽度的乘积作为拦砂坝拦蓄库容。

当需要计算允许最大拦砂坝坝高时：上述步骤C中回淤形态公式的、所述 距拦砂坝的距离x是限制淤埋点距拦砂坝的距离x_l，令上述步骤C中回淤形态 公式的拦砂坝后泥石流淤积厚度y等于零，进行公式变换，得到公式 式中参量与上述步骤C中一致，然后通过以下公式确 定允许最大拦砂坝坝高h_max，单位m：式中， 限制淤埋点距拦砂坝的距离x_l通过现场调查确定。可适用于存在限制淤埋点的 情况下拦砂坝坝体有效高度的确定，将得到的允许最大拦砂坝坝高作为存在限 制淤埋点情况下拦砂坝坝体有效高度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：综合考虑沟道条件和泥石流自身 性质，通过理论推导得到拦砂坝坝后泥石流回淤形态方程，不仅能够合理确定 库内不同位置处泥石流的回淤厚度，而且能够合理确定最大回淤长度、回淤纵 坡以及允许最大坝高等泥石流防治工程设计参数，为泥石流灾害防治工程设计 提供科学依据，且计算方法有效简便，适应实际工程需要。

附图说明

图1是拦砂坝坝后泥石流回淤的二维笛卡尔坐标系统。

图2是实施例一中拦砂坝后淤积示意图。

图3是实施例一中地形剖面图。

图中标号如下：

X—距拦砂坝的距离      Y—淤积厚度

θ—沟道坡度           h—拦砂坝有效高度

I—回淤纵坡            x_max—最大回淤长度

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

如图1、图2、图3所示。绵竹某泥石流沟位于绵远河左岸，流域面积为1.36 km²，区域内最高点海拔1987m，最低点海拔810m，相对高差达1177m；沟床 比降412‰，主沟长度2.59km，流域宽度约在330～990m之间，两侧斜坡坡度 较陡，一般在30°～70°，局部为陡崖地貌。震后，该流域多次暴发较大规模泥 石流，泥石流冲出沟道后直接进入沟口的绵远河，不但淤埋了沟口的公路，致 使公路多次断道，而且多次堵断绵远河，形成泥石流堰塞湖。

为了减轻泥石流灾害，拟在泥石流主沟修建拦砂坝，拦砂坝有效高度h为 12.0m，沟道宽度为15.0m，同时还在拦砂坝上游库内25.0m处布置一道护坡挡 墙。下面对护坡挡墙高度和拦砂坝拦蓄库容进行设计。

首先，通过现场调查测量，确定该沟泥石流为粘性，重度为2.0t/m³，相应 的土体体积比C_V=0.76；通过室内土工实验，确定泥石流体中土粒密度ρ_s=2.65 g/cm³；通过室内土工实验，确定密度参数ρ_y=2.30g/cm³；通过土工三轴实验， 确定泥石流体中松散土的内摩擦角通过室内颗分实验，确定泥石流体 中粒径≤0.05mm的粘土和粉土颗粒所占的重量百分比P_c=45.5%；将上述参量代 入公式确定泥石流体内摩擦角

第二步，通过大比例尺地形图测量计算，确定泥石流沟的沟道坡度θ=21°。

第三步，将泥石流体内摩擦角拦砂坝有效高度=12.0m、护坡挡墙 距拦砂坝的距离x=25.0m、及泥石流沟的沟道坡度θ=21°代入以下回淤形态公式 计算得到距离拦砂坝坝址上游25.0m处的泥石 流淤积厚度为3.57m。据此，设计护坡挡墙高度为3.57m。

第四步，将泥石流体内摩擦角泥石流沟的沟道坡度θ=21°代入以下 回淤纵坡公式计算得到拦砂坝后泥石流回淤纵坡 I=2.3%。据此，如图3所示，在地形剖面图上从坝址处向沟道上游引出一条比 降为2.3%的直线即得到回淤纵坡线，该直线与沟道线的交点为B点，则三角形 OAB的面积S_OAB=0.5hL=245m²即为横断面面积，沟道宽度B=15.0m，那么拦砂坝 拦蓄库容V=S_OABB=3675m³。

实施例二

如图1所示。映秀某泥石流沟位于G213线都汶路内侧，岷江左岸，该沟长 度1.24km，流域面积0.52km²，平均比降722‰，最高点高程1885m，最低点 高程为943m，相对高差为942m。该沟在地震后曾暴发3次较大规模泥石流， 堵断和淤埋G213线都汶路，造成大量车辆滞留，对交通正常运行造成极大影响。 为了减轻泥石流灾害，拟在泥石流沟中游段布置10座拦砂坝组成的梯级拦砂坝 群，通过现场调查确定每座拦砂坝有效高度h见表1所示。下面确定梯级拦砂坝 相邻坝体之间的距离。

首先，通过现场调查测量，确定该沟泥石流为粘性，重度为1.85t/m³，相 应的土体体积比C_V=0.74；通过室内土工实验，确定泥石流体中土粒密度ρ_s=2.62 g/cm³；通过室内土工实验，确定密度参数ρ_y=2.22g/cm³；通过土工三轴实验， 确定泥石流体中松散土的内摩擦角通过室内颗分实验，确定泥石流体 中粒径≤0.05mm的粘土和粉土颗粒所占的重量百分比P_c=38.9%；将上述参量代 入公式确定泥石流体内摩擦角

第二步，通过大比例尺地形图测量计算，确定1#拦砂坝处泥石流沟的沟道 坡度θ=15.5°。

第三步，将泥石流体内摩擦角1#拦砂坝有效高度h=2.5m、及1# 拦砂坝处泥石流沟的沟道坡度θ=15.5°代入最大回淤长度公式 计算得到1#拦砂坝后泥石流最大回淤长度为10.6m。 据此，设计2#拦砂坝与1#拦砂坝之间的距离为10.6m。

重复进行第二步和第三步，分别计算得到2#拦砂坝～10#拦砂坝后泥石流最 大回淤长度，计算结果如下表1所示。设计时即可根据下表1中计算结果，将 得到的拦砂坝后泥石流最大回淤长度分别作为相邻两座坝之间的距离。

坝体名称 有效高度h（m） 沟道坡度θ（°） 最大回淤长度（m） 1#拦砂坝 2.5 15.5 10.6 2#拦砂坝 2.0 14 9.6 3#拦砂坝 2.0 13 10.7 4#拦砂坝 2.0 13 10.7 5#拦砂坝 2.0 13.5 10.1

6#拦砂坝 2.0 14 9.6 7#拦砂坝 2.5 15 11.0 8#拦砂坝 1.5 14 7.3 9#拦砂坝 1.5 14 7.3 10#拦砂坝 1.5 15 7.1

表1

实施例三

如图1所示。与实施例一相同的地方不再重复叙述，不同之处在于：

为了减轻泥石流灾害，拟在泥石流支沟内修建1座拦砂坝和1座潜槛，潜 槛位于拟建拦砂坝上游库内13.7m处，潜槛是限制淤埋点。下面确定拦砂坝的 允许最大坝高。

通过大比例尺地形图测量计算，确定该段泥石流沟的沟道坡度θ=23°。将 泥石流体内摩擦角限制淤埋点距拦砂坝的距离xl=13.7m、及沟道坡度 θ=23°代入允许最大拦砂坝坝高公式计算得到允 许最大拦砂坝坝高为5.14m。据此，设计拦砂坝坝体有效高度为5.14m。