粘性泥石流斜墙v型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斜墙v型排导槽水力最佳断面设计方法及其应用。针对现有技术中斜墙v型排导槽断面形态及尺寸多根据个人经验设计，无法确定水力最佳断面的缺陷，本发明提供一种粘性泥石流斜墙v型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β；再计算水力最佳断面特征参量S；然后计算排导槽水力最佳断面相应的水力半径R；最后计算水力最佳断面的边坡深度h

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斜墙v型排导槽水力最佳断面的设计方法及其应用。

背景技术

泥石流是广泛分布于中国山区，尤其是中国西南山区的一种典型地质灾害，由于其形成过程复杂，具有爆发突然、来势凶猛、大冲大淤、破坏力极强的特点，常冲毁或淤埋铁路、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。近年来，随着西部大开发战略的实施和山区社会经济的不断发展，以及不合理的人类活动的强度与规模加剧，致使泥石流灾害日益频繁，灾害造成的损失更加严重。而许多重大交通、水利水电、能源和资源的开发、厂矿等多数工程建在或拟建在高山峡谷地区，不少工程将直接或间接地受到泥石流灾害的威胁。所以，对泥石流进行有效防治成为保障山区经济可持续发展而亟需解决的关键问题之一。

排导槽是泥石流防治经常采用的一种工程措施，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，尤其在公路、铁路、城镇、矿山等泥石流整治中被优先采用。排导槽横断面的形状及尺寸是泥石流排导槽设计的重要参数，如何合理选择过流断面的形状和尺寸以使泥石流排导槽具有最佳的排泄能力，是在排导槽设计时需要解决的关键问题。

斜墙v型排导槽的排泄能力应适应一定流量和密度的泥石流，但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。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。这样一来，斜墙v型排导槽断面形态及尺寸的计算设计就显得更为重要，务必使设计的断面形态、尺寸能在已定的纵比降条件下有更大的排泄泥石流的能力，但目前斜墙v型排导槽断面形态及尺寸多根据个人的经验来设计，无法确定水力最佳断面。

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斜墙v型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斜墙v型排导槽水力最佳断面的形状和尺寸，使斜墙v型排导槽具有最大泄流能力，而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：由确定水力最佳断面尺寸参量；计算水力最佳断面特征参量；计算水力半径；计算水力最佳断面特征尺寸四大部分组成。首先由斜墙v型排导槽的侧墙边坡系数和槽底横坡系数确定水力最佳断面尺寸参量；然后根据水力最佳断面尺寸参量、侧墙边坡系数和槽底横坡系数计算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50％颗粒较之为小的粒径、槽底纵比降和水力最佳断面特征参量计算斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径；最后根据侧墙边坡系数、槽底横坡系数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特征尺寸，即斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度和槽底深度，从而可以确定水力最佳断面的尺寸。

本发明所述粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面的设计方法步骤如下：

(1)计算斜墙v型排导槽的水力最佳断面尺寸参量β；

斜墙v型排导槽最大泄流时，通过推导，得到水力最佳断面尺寸参量β的计算公式如下：

$\beta =\frac{m_2(\sqrt{1+m_1^2}-\sqrt{1+m_2^2})}{m_1\sqrt{1+m_2^2}-m_2\sqrt{1+m_1^2}}$                     ①

式中：m₁—斜墙v型排导槽的侧墙边坡系数，根据经验值、同时考虑排导槽布置地实际地形特征进行取值，取值范围为0.1-2.0；

m₂—斜墙v型排导槽的槽底横坡系数，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；

β—水力最佳断面尺寸参量。

根据推导得到的式①可知，斜墙v型排导槽最大泄流时的水力最佳断面尺寸参量β仅与排导槽的侧墙边坡系数m₁和槽底横坡系数m₂有关。

(2)计算斜墙v型排导槽的水力最佳断面特征参量S；

斜墙v型排导槽最大泄流时，通过推导，得到水力最佳断面特征参量S的计算公式如下：

$S=\frac{{[2\beta \sqrt{1+m_1^2}+2\sqrt{1+m_2^2}]}^2}{m_1{\beta }^2+2m_2\beta +m_2}$                       ②

式中：S—水力最佳断面特征参量；

其他符号同前面一致。

根据推导得到的式②可知，斜墙v型排导槽最大泄流时的水力最佳断面特征参量S与式①计算得到的水力最佳断面尺寸参量β和排导槽的侧墙边坡系数m₁、槽底横坡系数m₂有关，由于水力最佳断面尺寸参量β仅与侧墙边坡系数m₁和槽底横坡系数m₂有关，所以水力最佳断面特征参量S也仅与侧墙边坡系数m₁和槽底横坡系数m₂有关。

(3)计算斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径R；

斜墙v型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：

$R=0.23\frac{Q^{3/7}}{{\left[S^6{C_v}^2\left(D_{50}{I}_c\right)\right]}^{1/14}}$                ③

式中：R—斜墙v型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；

D₅₀—颗粒级配曲线上50％颗粒较之为小的粒径，单位mm，通过实地取样分析确定；

I_c—斜墙v型排导槽的槽底纵比降，根据实际具体地形情况确定；

式中其他符号同前面一致。

(4)计算斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度h₁和槽底深度h₂；

斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度h₁和槽底深度h₂，通过推求，用下式计算：

$h_1=\frac{\mathrm{\beta SR}}{2(\beta \sqrt{1+m_1^2}+\sqrt{1+m_2^2})}$                  ④

$h_2=\frac{\mathrm{SR}}{2(\beta \sqrt{1+m_1^2}+\sqrt{1+m_2^2})}$                 ⑤

式中：h₁—斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度，单位m；

      h₂—斜墙v型排导槽水力最佳断面的槽底深度，单位m；

      β＝h₁/h₂；

式中其他符号同前面一致。

将由①式求得的水力最佳断面尺寸参量β的值、②式求得的水力最佳断面特征参量S的值，以及③式求得的斜墙v型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斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度h₁和槽底深度h₂，从而可确定水力最佳断面的形状、尺寸。

在实际工程设计中，由于地形条件比较复杂，排导槽的侧墙边坡系数m₁和槽底横坡系数m₂往往会在一定范围内变动，一旦变动，将变动后的m1、m₂值代入①、②式求得相应的β、S，重复上述步骤即可求得变动后排导槽水力最佳断面的边坡深度h₁和槽底深度h₂。

本发明所述粘性泥石流斜墙v型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斜墙v型排导槽外，还可以在泥石流流域中上游沟道内布置3-5座拦砂坝工程和5-8道谷坊坝工程，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：能够合理确定斜墙v型排导槽水力最佳断面的形状和尺寸，使斜墙v型排导槽具有最大泄流能力，而且计算方法有效快速简便，适应实际工程需要。

附图说明

图1是粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面的横断面剖视图。

图2是粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面的俯视图。

图3是粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面的纵向剖视图。

图中标号如下：

m₁  侧墙边坡系数

m₂  槽底横坡系数

h₁  斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度

h₂  斜墙v型排导槽水力最佳断面的槽底深度

I_c  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。粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面的形状和尺寸由排导槽特征尺寸，即斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度h₁和斜墙v型排导槽水力最佳断面的槽底深度h₂的值确定。

金沙江左岸一级支流黑水河，位于四川省会东县鲁吉乡热水村，距白鹤滩水电站坝址上游约60km处。该沟流域面积29.5km²，主沟长度11.62km，流域内最高点海拔为2973m，沟口海拔675m，相对高差2298m，主沟床平均比降205‰。该沟为白鹤滩库区内典型的灾害性泥石流沟，历史上曾多次暴发泥石流，曾对沟口的道路、房屋等造成严重的危害。据调查，1987年该沟曾发生泥石流，将位于沟口的一座大桥栏杆全部冲毁。

根据现场调查分析，该沟为粘性泥石流沟，粒径小于0.005mm的粘粒含量为1.705％，泥石流重度为2.0t/m³，相应的体积比含砂浓度C_V＝0.59。通过水文计算，设计标准P₂％的泥石流流量Q＝425m³/s。经现场取样分析该沟的泥沙颗粒组成，D₅₀＝25mm。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5座拦砂坝、8道谷坊坝，在出山口后的沟口至金沙江之间布置1条排导槽。根据出山口后下游堆积区的地形，排导槽的槽底纵比降I_c＝0.057，根据实际条件，选择采用斜墙v型排导槽，侧墙边坡系数m₁取为0.2，槽底横坡系数m₂取为6.0。下面设计斜墙v型排导槽水力最佳断面的尺寸。

首先将侧墙边坡系数m₁＝0.2、槽底横坡系数m₂＝6.0代入①式中求得最大泄流横断面时的水力最佳断面尺寸参量β＝6.196。将水力最佳断面尺寸参量β＝6.196、侧墙边坡系数m₁＝0.2、槽底横坡系数m₂＝6.0代入②式，求得水力最佳断面特征参量S＝6.988。将S＝6.988及上述其它参数代入③式，求解得到斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径R＝2.3m。将β、S、R和m₁、m₂值代入④、⑤式，即可求得h₁＝4.021m，h₂＝0.649m。因此，可以得到该沟斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度为4.021m，槽底深度为0.649m。

实施例二

如图1、图2、图3所示。先布冷沟为大渡河右岸的一级支沟，流域面积15.25km²，主沟长8.64km，沟床平均纵比降214‰，流域相对高差2310m。该沟为一条老泥石流沟，历史上曾多次发生泥石流灾害，数次冲毁民房、耕地，淤埋公路和堵塞桥梁等，给当地人民群众的生命和财产安全造成严重危害。

根据现场调查分析，该沟泥石流为粘性，粒径小于0.005mm的粘粒含量为2.107％，重度为2.10t/m³，相应的体积比含砂浓度C_V为0.65。通过水文计算，设计标准P₂％的泥石流流量Q为177.30m³/s，现场取样分析泥石流颗粒组成中D₅₀＝35mm。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、5道谷坊坝，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，选择采用斜墙v型排导槽，排导槽的槽底纵比降I_c＝0.079，侧墙边坡系数m₁取0.1，槽底横坡系数m₂取为5.0。下面设计斜墙v型排导槽水力最佳断面的尺寸。

首先将侧墙边坡系数m₁＝0.1、槽底横坡系数m₂＝5.0代入①式中求得最大泄流横断面时的水力最佳断面尺寸参量β＝4.533。将水力最佳断面尺寸参量β＝4.533、侧墙边坡系数m₁＝0.1、槽底横坡系数m₂＝5.0代入②式，求得水力最佳断面特征参量S＝7.117。将S＝7.117及上述其它参数代入③式，求解得到斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径R＝1.531m。将β、S、R和m₁、m₂值代入④、⑤式，即可求得h₁＝2.470m，h₂＝0.545m。因此，可以得到该沟斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度为2.470m，槽底深度为0.545m，从而确定排导槽水力最佳断面形状和尺寸。