一种用于防治漂木泥石流的单切口坝切口宽度设计方法

摘要

本发明公开了一种用于防治漂木泥石流的单切口坝切口宽度设计方法。所述单切口坝包括坝体基础和坝身主体，坝身主体上开有一条沿泥石流流向、将坝身主体对分的切口；切口宽度设计方法为首先确定漂木平均长度、漂木平均直径、固体物质在泥石流体中所占体积比、泥石流总量、漂木总量，然后通过切口宽度计算公式计算得到单切口坝的切口宽度。该方法充分考虑了漂木对单切口坝的堵溃效应，综合考虑了漂木对切口堵溃、切口宽度、漂木平均长度、漂木平均直径、漂木总量、泥石流总量、以及固体物质在泥石流体中所占体积比七者之间的关系，在此基础上结合堵溃判别指标，能够合理确定不同漂木泥石流情况下的单切口坝切口宽度，且设计方法简便有效。

说明书

技术领域

本发明涉及一种泥石流防治技术，特别是涉及一种用于防治漂木泥石流的单切口坝切口宽度设计方法。

背景技术

在我国中高海拔山区，植被覆盖率高，由于近年来火灾、地震、滑坡等因素使得大量的树木枝干散落在泥石流形成区或者广大林区，当发生泥石流时，这些树木进入泥石流中形成漂木，随泥石流倾斜而出，形成漂木泥石流，这些漂木具有很强的冲击破坏力，容易造成更严重的灾害和损失。

在泥石流的防治工程中，单切口坝是一种新型坝体，其坝体中间有一条切口且对分坝身，兼具实体坝和透过性坝的特点。切口坝作为一种重要的透过型坝兼具拦、排的功能，能够有效调节泥石流流量和控制泥石流中块石粒径，降低下游遭受泥石流危害程度，同时能够延长工程的年限，比实体坝具有更有效的防治效果。

利用单切口坝防治漂木泥石流时，漂木在运动过程中可能堵塞切口形成不稳定堵塞体，导致后续泥石流淤积，当淤积到一定程度后，在静水压力、后续泥石流的冲击作用下，漂木堵塞体突然溃决，流量瞬间增大，形成更大规模的泥石流，使泥石流的冲击破坏能力进一步增强，造成严重的次生灾害，这种现象叫做漂木对切口坝的堵溃效应，即先临时堵塞，后失稳溃决。因此，在采用单切口坝防治漂木泥石流时，切口宽度的设计至关重要；如果切口宽度设计过大，就不能有效发挥单切口坝拦的功能；如果设计过小，又不能有效发挥单切口坝排的功能，容易导致漂木对切口的堵溃，进而使单切口坝丧失对泥石流的防治效果。然而目前，在设计单切口坝的切口宽度时多以设计经验为依据，没有考虑漂木对单切口坝的堵溃效应、以及堵溃对泥石流流量所产生的影响。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种用于防治漂木泥石流的单切口坝切口宽度设计方法，该方法充分考虑了漂木对单切口坝的堵溃效应，综合考虑了漂木对切口堵溃、切口宽度、漂木平均长度、漂木平均直径、漂木总量、泥石流总量、以及固体物质在泥石流体中所占体积比七者之间的关系，在此基础上结合堵溃判别指标(即堵溃系数)，能够合理确定不同漂木泥石流情况下的单切口坝切口宽度，且设计方法简便有效。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种用于防治漂木泥石流的单切口坝切口宽度设计方法，所述单切口坝包括坝体基础和设于坝体基础上的坝身主体，坝身主体上开有一条沿泥石流流向、将坝身主体对分的切口(即切口将坝身主体一分为二、且左右对称，切口即为对称轴，对称轴位于泥石流流向上)，所述切口的宽度设计方法步骤如下：

(一)通过现场调查，确定漂木泥石流中的漂木平均长度L和漂木平均直径d、单位m。通过经验公式，确定固体物质在泥石流体中所占体积比C_v；经验公式为C_V＝(γ_c-γ_w)/(γ_s-γ_w)，式中，γ_c为泥石流容重、单位kN/m³、通过现场调查确定，γ_w为泥石流中水的容重、取值10.0kN/m³，γ_s为泥石流中土体的实体容重、通过现场调查确定、一般取值为26.0kN/m³-28.0kN/m³。根据《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)，通过经验公式，确定泥石流总量V₂、单位m³；经验公式可以是V₂＝19TQ_C/72，式中，T为泥石流历时、单位s、通过调查访问确定，Q_c为泥石流峰值流量、单位m³/s、通过雨洪法或形态调查法确定。通过现场调查或经验公式，确定漂木总量V₁、单位m³；经验公式可以是V₁＝β·V_sed，式中，β为相关系数、取值0.2-0.3，V_sed为泥石流固体物源总量、单位m³、通过现场调查确定。

(二)通过以下公式确定单切口坝的切口宽度B

式中，B-切口宽度，单位m；

L-漂木平均长度，单位m，由步骤(一)确定；

R-堵溃系数，取值小于等于1.9(即0＜R≤1.9)；R的最优取值为1.9；

C_v-固体物质在泥石流体中所占体积比，由步骤(一)确定；

V₁-漂木总量，单位m³，由步骤(一)确定；

V₂-泥石流总量，单位m³，由步骤(一)确定；

d-漂木平均直径，单位m，由步骤(一)确定。

上述切口宽度设计方法的技术原理在于：漂木对单切口坝的堵溃类型是切口坝拦截漂木泥石流的直接表现，可直接影响泥石流峰值流量的大小。所述堵溃类型包括堵溃和不堵溃，以堵溃系数R作为堵溃判别指标。根据野外实际工程的运行情况调查结果和相应的室内模拟试验数据分析来确定堵溃判别指标的区间划分；当0＜R≤1.9时，漂木对泥石流流量基本没有影响，堵溃类型为不堵溃；当R＞1.9时，堵溃类型为堵溃，漂木会对泥石流流量发生流量放大效应，对下游设施有影响，R值越大，堵溃越明显。漂木对切口坝的堵溃过程是一个受多因素综合影响的复杂过程，其中较为重要的影响因素为泥石流参数、漂木尺寸、漂木总体积、切口宽度等。本发明方法综合考虑切口宽度B、漂木平均长度L、漂木平均直径d、漂木总量V₁、泥石流总量V₂、固体物质在泥石流体中所占体积比C_v六个主要因素对漂木堵溃的影响，通过六个因素的函数关系来确定堵溃判别指标R(即堵溃系数)；然后将该函数关系变形得到切口宽度的计算公式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：充分考虑切口宽度、漂木平均长度、漂木平均直径、漂木总量、泥石流总量、固体物质在泥石流体中所占体积比、以及漂木对切口堵溃之间的关系，根据实际工程调查结果和相应室内模拟试验数据确定堵溃判别指标的区间划分，得到切口宽度的计算公式，能够合理确定不同漂木泥石流情况下的单切口坝切口宽度，进而防止因漂木的堵溃产生二次灾害，且设计方法简便有效，所需参数易于获取。

附图说明

图1是单切口坝的立体结构示意图。

图中标号如下：

1 坝体基础2 坝身主体

3 切口

B 切口宽度

具体实施方式

下面对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1所示。泸定某泥石流沟，近几年活动频繁，下游为大渡河流域，沟道上游植被覆盖率较高。流域面积3.9km²，主沟长度2.13km，平均纵比降190‰，在调查泥石流沟时发现沟道上游和泥石流流通区含有大量的漂木，且漂木尺寸较大，可能会对防治工程造成严重堵溃效应，造成泥石流流量瞬间增大，堵塞大渡河。

为有效治理漂木泥石流，使得泥石流沟道中的物源顺利排入大渡河而不发生堵河现象，减轻泥石流危害，保护大渡河下游基础设施和居民生命财产安全，拟在泥石流中游修建一座单切口坝。所述单切口坝包括坝体基础1和设于坝体基础1上的坝身主体2，坝身主体2上开有一条沿泥石流流向、将坝身主体2对分的切口3。所述切口3的宽度设计方法步骤如下：

第一步，通过现场调查，确定漂木平均长度L为3.4m、漂木平均直径d为0.2m。

通过现场调查，设计标准P＝5％(20年一遇)下泥石流容重γ_c为19.0kN/m³，泥石流中土体的实体容重γ_s为26.2kN/m³；通过经验公式，确定固体物质在泥石流体中所占体积比C_V＝(γ_c-γ_w)/(γ_s-γ_w)＝(19.0-10.0)/(26.2-10.0)＝0.56。

通过调查访问确定泥石流历时T为10800s；通过形态调查法确定泥石流峰值流量Q_c为18.9m³/s。根据经验公式，确定泥石流总量V₂＝19TQ_C/72＝19×10800×18.9/72＝5.4×10⁴m³。

通过现场调查确定泥石流固体物源总量V_sed为4.3×10⁴m³，根据经验公式确定漂木总量V₁＝β·V_sed；＝0.2×4.3×10⁴＝0.86×10⁴m³。

第二步，将第一步中确定的相关参数代入以下公式，确定单切口坝的切口3宽度

实施例二

如图1所示。西藏某泥石流沟，是一条活动频繁且规模相对较大的泥石流沟。沟道上游植被覆盖率高达90％，该沟流域面积约4.50km²，主沟长度2.70km，平均纵比降270‰。在对该沟进行泥石流调查发现，由于人为滥砍滥伐以及自然因素等原因，沟道中上游散落有大量的树木，且漂木尺寸较大。考虑到大量的漂木可能会对下游的防治工程发生堵溃现象，影响沟道下游基础设施安全。

为有效治理该沟漂木泥石流，防止因漂木堵溃造成泥石流流量增大导致的下游设施损失这一潜在威胁，拟在泥石流沟中游修建一座单切口坝。所述单切口坝包括坝体基础1和设于坝体基础1上的坝身主体2，坝身主体2上开有一条沿泥石流流向、将坝身主体2对分的切口3。所述切口3的宽度设计方法步骤如下：

第一步，通过现场调查，确定漂木平均长度L为2.5m、漂木平均直径d为0.15m。

通过现场调查，设计标准P＝5％(20年一遇)下泥石流容重γ_c为18.0kN/m³，泥石流中土体的实体容重γ_s为26.5kN/m³；通过经验公式，确定固体物质在泥石流体中所占体积比C_V＝(γ_c-γ_w)/(γ_s-γ_w)＝(18.0-10.0)/(26.5-10.0)＝0.48。

通过调查访问确定泥石流历时T为12600s；通过雨洪法确定泥石流峰值流量Q_c为22.3m³/s。根据经验公式，确定泥石流总量V₂＝19TQ_C/72＝19×12600×22.3/72＝7.4×10⁴m³。

利用遥感影像，通过现场调查确定漂木总量V₁为0.89×10⁴m³。

第二步，将第一步中确定的相关参数代入以下公式，确定单切口坝的切口3宽度