粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面设计方法及应用

摘要

本发明公开了一种粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面设计方法及其应用。针对现有技术中三角形底排导槽设计中排导槽水力最佳断面的计算方法烦琐，且无法得到唯一的确定值等缺陷，本发明提供一种粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面设计方法。该方法首先计算排导槽水力最佳断面尺寸参量F和水力最佳断面特征参量S；然后计算排导槽水力半径R；最后计算水力最佳断面的宽度W、深度H。该方法适用于粘性泥石流的防治，且可与其他骨干型拦挡工程配合使用。与现有技术相比，本发明能够合理确定三角形底排导槽水力最佳断面的形状和尺寸，且计算结果为唯一确定解，计算方法有效快速简便，适应实际工程需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种泥石流排导槽设计方法，特别是涉及一种粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面的设计方法及其应用。

背景技术

泥石流是中国山区，尤其是中国西南山区广泛发育的一种地质灾害，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，常冲毁淤埋铁路、公路、车站、城镇、工厂、矿山、村寨和水利设施等，严重阻碍了山区经济建设的可持续发展。所以迫切需要对泥石流进行防治，以保障山区经济的可持续发展。

在泥石流的防治措施中，三角形底排导槽由于具有工程结构简单、防治效果好、就地取材、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之一，尤其在公路、铁路、城镇、矿山等泥石流整治中被优先采用。

三角形底排导槽的排泄能力应适应一定流量和密度的泥石流，这样的排导槽的纵坡与横断面尺寸可以有很多组合方案，都可以满足设计流量的需要，但其中的大部分设计并不经济。因此，泥石流排导槽水力最佳断面的确定一直是排导槽设计人员希望有效解决的关键问题。最佳断面是指在纵坡I、糙率系数n和设计流量Q一定时，过流断面面积A最小或水力半径R最大的断面，即以最小的过流面积通过设计流量的排导槽断面。排导槽水力最佳断面尺寸特征由排导槽横断面宽度和深度确定。

在实际工程设计中，排导槽的纵比降值往往受到地形条件的限制，选择的余地不大，也即排导槽的纵比降值常常可根据地形条件首先确定。因此，如何在纵比降值确定的情况下快速、便捷的求得三角形底排导槽水力最佳断面尺寸在实际应用中就显得更为重要。

费祥俊，舒安平所著的《泥石流运动机理与灾害防治》一书中，公开了对断面边坡为2的三角形底排导槽横断面的形状及具体尺寸计算，首先确定最佳断面形态系数，然后计算平均流速和水力半径，再通过二元一次方程公式联合求解，得到横断面宽度和深度的具体数值。但是这一计算方法存在重大缺陷，即在联合求解时，不能得到唯一的确定值，且计算方法烦琐，不简便。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面的设计方法，该方法不仅能够合理确定三角形底排导槽水力最佳断面的形状和尺寸，使三角形底排导槽具有最大泄流能力，而且计算结果为唯一确定解，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：由确定最大泄流时横断面尺寸参量和横断面特征参量；计算水力半径；计算最大泄流横断面关键尺寸槽宽度、槽深度三大部分组成。首先由三角形底排导槽的横坡比降确定水力最佳断面尺寸参量和水力最佳断面特征参量；然后根据泥石流设计流量、泥石流体积比含砂浓度、颗粒级配曲线上10％颗粒较之为小的粒径、槽底的纵比降和水力最佳断面特征参量计算三角形底排导槽水力最佳断面相应的水力半径；最后根据横坡比降和依次求得的水力最佳断面尺寸参量、水力最佳断面特征参量、水力半径计算出水力最佳断面的宽度和深度。

本发明所述粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面的设计方法步骤如下：

(1)计算三角形底排导槽的水力最佳断面尺寸参量F和水力最佳断面特征参量S；

三角形底排导槽最大泄流时，通过推导，得到水力最佳断面尺寸参量F和水力最佳断面特征参量S的计算公式如下：

$F=\frac{\sqrt{1+{I_C}^2}}{I_C}-1$①

$S=8\sqrt{1+{I_C}^2}-4I_C$②

式中：I_c-三角形底排导槽的横坡比降，其定义为I_C＝2ΔH/W(采用绝对值)，

工程中根据排导槽布置地实际地形特征取值，取值范围在0.1～10之间；

F-水力最佳断面尺寸参量；

S-水力最佳断面特征参量。

根据推导得到的式①和②可知，三角形底排导槽最大泄流时的水力最佳断面尺寸参量F和水力最佳断面特征参量S仅与排导槽的横坡比降I_C有关。

(2)计算三角形底排导槽水力最佳断面相应的水力半径R；

三角形底排导槽水力最佳断面相应的水力半径R，通过推导用下式进行计算：

$R=08132{\left\{\frac{Q^3}{S^3}{\left[\frac{C_v(1-C_v)}{D_{10}}\right]}^{-2}{I}^{-1/2}\right\}}^{1/7}$③

式中：R-三角形底排导槽水力最佳断面相应的水力半径，单位m；

Q-泥石流设计流量，单位m³/s，通过通用的调查或计算方法求得；

C_v-泥石流体积比含砂浓度，通过野外调查确定；

D₁₀-颗粒级配曲线上10％颗粒较之为小的粒径，单位mm，通过实地取样分析确定；

I-槽底的纵比降，采用绝对值，根据实际具体地形情况确定；

式中其他符号同前面一致。

(3)计算三角形底排导槽水力最佳断面的宽度W和深度H；

三角形底排导槽水力最佳断面宽度W和深度H，通过推求，用下式计算：

$W=\frac{\mathrm{SR}}{I_{C}F+\sqrt{1+{I_C}^2}}$④

$H=\frac{{\mathrm{SI}}_C\mathrm{FR}}{2I_{C}F+2\sqrt{1+{I_C}^2}}$⑤

式中：W-三角形底排导槽水力最佳断面的宽度，单位m；

H-三角形底排导槽水力最佳断面的深度，单位m；

式中其他符号同前面一致。

将由①、②式求得的水力最佳断面尺寸参量F和水力最佳断面特征参量S的值，以及③式求得的三角形底排导槽水力最佳断面相应的水力半径R的值代入④、⑤式，即可直接计算得到粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面尺寸W、H。

在实际工程设计中，由于地形条件比较复杂，排导槽的横坡比降I_C往往会在一定范围内变动，一旦变动，将变动后的I_C值代入①、②式求得相应的F、S，重复上述步骤即可求得变动后排导槽水力最佳断面的宽度W和深度H。

本发明所述粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面设计方法，应用于重度大于等于20KN/m³，粒径小于0.005mm的粘粒含量大于1％的粘性泥石流的防治。根据泥石流发生地现场地形特征与环境条件，当保护对象重要时，工程中除使用本发明设计的三角形底排导槽外，还可以在泥石流流域中上游沟道内布置3-5座骨干型拦挡工程，与根据所述排导槽水力最佳断面设计方法设计的排导槽配合使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够合理确定三角形底排导槽水力最佳断面的形状和尺寸，使三角形底排导槽具有最大泄流能力，而且计算结果为唯一确定解，计算方法有效快速简便，适应实际工程需要。

附图说明

图1是粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面的横断面剖视图。

图2是粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面的俯视图。

图3是粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面的纵向剖视图。

图中标号如下：

W  三角形底排导槽水力最佳断面的宽度

H  三角形底排导槽水力最佳断面的深度

ΔH  槽底深度

I  槽底纵比降

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。粘性泥石流三角形底排导槽水力最佳断面的形状和尺寸由排导槽宽度W和排导槽深度H的值确定。

橄榄坝沙沟为金沙江下游右岸一级支沟，其流域面积为6.98km²，主沟长度5.32km，主沟床平均比降230‰，沟口海拔675m，最高海拔2387m，流域相对高差1712m。该沟为一条暴发频率较高的灾害性泥石流沟，曾多次发生泥石流，对沟口的桥梁、耕地、公路等造成严重的危害。

根据现场调查分析，该沟泥石流为粘性，重度为2.25t/m³，相应的体积比含砂浓度C_V＝0.74。通过水文计算，设计标准P_2％的泥石流流量Q＝173.0m³/s，现场调查分析泥石流颗粒组成中D₁₀＝0.01mm。为了减轻、消除泥石流灾害，拟在该流域出山口后的沟口至主河之间布置1条泥石流排导槽。根据出山口后下游堆积区的地形，排导槽的纵坡I＝0.12，根据实际条件，选择采用三角形底排导槽，横坡比降I_C取为0.2。下面设计三角形底排导槽水力最佳断面的尺寸。

首先将横坡比降I_C＝0.2代入①、②式中求得最大泄流横断面时的水力最佳断面尺寸参量F＝4.10，水力最佳断面特征参量S＝7.36。将S＝7.36及上述其它参数代入③式，求解得到三角形底排导槽水力最佳断面相应的水力半径R＝1.57m。将F、S、R和I_C值代入④、⑤式，即可求得W＝6.29m，H＝2.58m。因此，可以得到该沟三角形底排导槽水力最佳断面的宽度为6.29m，深度2.58m。

实施例二

如图1、图2、图3所示。四川大渡河上游右岸的一级支沟龙王庙沟，其流域面积F＝0.66km²，主沟长度2.20km，主沟床平均比降0.369，流域相对高差940m。该沟具备泥石流暴发的地形、松散物质和水源条件，为一条灾害性的老泥石流沟，历史上曾多次发生泥石流，对沟口的道路、房屋等造成严重的危害。根据现场调查分析，该沟泥石流为粘性，重度为2.00t/m³，相应的体积比含砂浓度C_V为0.61。通过水文计算，设计标准P_2％的泥石流流量Q为45.0m³/s，现场取样分析泥石流颗粒组成中D₁₀＝0.05mm。为了减轻、消除泥石流灾害，拟在该流域的中上游主沟道内布设3座拦沙坝，在出山口后的沟口至大渡河之间布置1条排导槽。根据出山口后下游堆积区的实际地形条件，选择采用三角形底排导槽，排导槽的纵坡I＝0.07，横坡比降I_C取为0.33。下面设计三角形底排导槽水力最佳断面的尺寸。

首先将横坡比降I_C＝0.33代入①、②式中求得最大泄流横断面时的水力最佳断面尺寸参量F＝2.19，水力最佳断面特征参量S＝7.10。将S＝7.10及上述其它参数代入③式，得到三角形底排导槽水力最佳断面相应的水力半径R＝1.39m，将F、S、R和I_C值代入④、⑤式，得到该沟三角形底排导槽水力最佳断面的宽度W＝5.56m，深度H＝2.01m，从而确定排导槽横断面形状和尺寸。

实施例三

如图1、图2、图3所示。与实施例二相同的地方不再重复叙述，不同之处在于：在该流域的中上游主沟道内布设5座拦沙坝。