階梯-深潭型泥石流排導槽的設(shè)計縱比降測算方法及應用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種適用于很大溝床縱比降泥石流溝的階梯-深潭結(jié)構(gòu)型泥石流排 導槽設(shè)計縱比降測算方法，及其在階梯-深潭型泥石流排導槽縱斷面設(shè)計中的應用。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國地質(zhì)災害多發(fā)，泥石流作為主要的山地災害之一，給人民生命財產(chǎn)安全和生 產(chǎn)生活帶來了嚴重影響，對山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展也產(chǎn)生了一定的制約作用。尤其是"5. 12"汶川 Ms8. 0級大地震之后，震區(qū)泥石流活動因物源豐富、地形地貌條件優(yōu)越，具有易堵潰、低臨界 雨量、高頻率、高容重等特點，震后有相當數(shù)量的泥石流活動集中在流域面積< 5km2、溝道 縱比降> 20%，甚至達50%的溝道或坡面上。這類多物源、大比降泥石流溝在形成條件上 與東川蔣家溝泥石流和成昆鐵路沿線眾多泥石流溝有著明顯差異，目前常用的泥石流防治 工程技術(shù)已經(jīng)不能滿足當前泥石流工程治理需求。
[0003]針對溝床比降很大的泥石流溝，目前常用的全襯砌型泥石流排導槽（俗稱V型槽） 和肋檻軟基消能型泥石流排導槽（俗稱東川槽）均不太適用。陳曉清等人以消能的觀點為 指導思想，提出了一種適用于很大溝床縱比降泥石流溝的階梯-深潭結(jié)構(gòu)型泥石流排導槽 (申請?zhí)?01410001807. 7)，其中描述了"梯-潭"槽的結(jié)構(gòu)特征，分析了"梯-潭"槽的排 導原理，但對其具體設(shè)計參數(shù)確定及縱比降特性的計算方法并未涉及。
[0004] 現(xiàn)有的排導槽縱比降設(shè)計區(qū)分泥石流性質(zhì)，分別按照稀性泥石流和粘性泥石流來 考慮，并以不淤縱坡為下限，以防沖的限制斷面流速對應的縱坡為上限，得到經(jīng)驗取值：對 于稀性泥石流合理縱坡為3 %~10 %，對于粘性泥石流合理縱坡為5 %~18 %。部分震后泥 石流溝道縱比降> 20 %，甚至達50 %，上述經(jīng)驗取值無法應用于這類泥石流溝道。階梯-深 潭結(jié)構(gòu)型泥石流排導槽具有間接降低泥石流分段排泄縱坡的特性，但難點在于如何定義適 當?shù)膮?shù)、建立各參數(shù)之間的關(guān)系，定量評估這一特性，并將其應用到工程設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種階梯-深潭型泥石流排導槽的 設(shè)計縱比降測算方法及其應用，該方法基于嚴格的理論推導，并定義有物理意義的無量綱 參數(shù)，能夠合理確定階梯_深潭型泥石流排導槽的設(shè)計縱比降，為排導槽的縱斷面設(shè)計提 供依據(jù)，計算簡便，計算結(jié)果精度高，能適應實際工程需要。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明提出一種階梯-深潭型泥石流排導槽的設(shè)計縱比降測算方法，所述階 梯-深潭型泥石流排導槽包括排導槽槽底及其兩側(cè)的排導槽側(cè)墻，所述排導槽槽底包括若 干按一定間距設(shè)置的全襯砌的階梯段和充填于上下游階梯段之間的深潭段；所述階梯段 包括位于上游的上端齒檻、位于下游的下端齒檻、及連接上端齒檻和下端齒檻的全襯砌底 板；所述深潭段包括鋼索網(wǎng)箱體護底，設(shè)于鋼索網(wǎng)箱體護底上方、緊貼下游階梯段上端齒檻 的鋼索網(wǎng)箱體緩沖層，以及設(shè)于側(cè)墻、鋼索網(wǎng)箱體護底、上游階梯段下端齒檻和鋼索網(wǎng)箱體 緩沖層包圍空間內(nèi)的塊石；鋼索網(wǎng)箱體護底和鋼索網(wǎng)箱體緩沖層的結(jié)構(gòu)均為鋼索網(wǎng)包裹塊 石；所述深潭段頂面與下游階梯段的最高處平齊。
[0008] 本發(fā)明提出的階梯-深潭型泥石流排導槽的設(shè)計縱比降測算方法，其理論推導如 下：如說明書附圖1所示，推導以排導槽設(shè)計總長度L、階梯段懸空高度H、深潭段數(shù)量n、深 潭段長度U和階梯段長度L2為參數(shù)的排導槽設(shè)計縱比降i與天然溝道平均縱比降i^關(guān)系， 并建立階梯-深潭型泥石流排導槽的設(shè)計縱比降計算方法。
[0009] 如附圖1所示，排導槽起點與終點之間，溝道縱坡滿足：
[0010]
[0011] 公式1中，分子nXH+(n+l)XiXL3為垂直方向上的距離，分母nXLi+Oi+l)XL# 水平方向上的距離，故二者相除為天然溝道縱比降i〇。其中，iXL3為階梯段長度L2在垂直 方向上的投影長度。
[0012] 如附圖1所示，任一階梯段的起點與終點之間，設(shè)計縱比降滿足：
[0013]
[0014] 公式1和2中，n為深潭段數(shù)量、H為階梯段懸空高度、i為排導槽設(shè)計縱比降、L3 為階梯段長度的水平投影長度、1^為深潭段長度、h為天然溝道平均縱比降、L2為階梯段長 度。
[0015] 由公式2解出
，然后代入公式1中，并按照i的降冪排列得到公 式3 :
[0016]
[0017] 定義無量綱參數(shù)坡比a=H/Q、潭配置密度b= ，對公式3兩側(cè)同乘以1/L/ 得：
[0018]
[0019]根據(jù)水力學階梯溢洪道的取值，同時考慮泥石流流體性質(zhì)的修正值，無量綱參數(shù) 坡比a-般取值為0. 2-0. 5 ;根據(jù)東川槽的肋檻配置間距，潭配置密度b-般取值為1-10 ; 深潭段數(shù)量n的取值為n多1 ;根據(jù)調(diào)查和實踐經(jīng)驗，一般排導槽設(shè)計縱比降為0. 05-0. 20， 階梯-深潭型泥石流排導槽適用于天然溝道縱比降為0. 20-0. 40。通過上述邊界條件限制， 得到階梯-深潭型泥石流排導槽的縱比降特性的適用條件，如下公式5 :
[0020]
[0021] 本發(fā)明在上述計算理論分析基礎(chǔ)之上，提出一種階梯-深潭型泥石流排導槽的設(shè) 計縱比降測算方法，并給定了測算方法中各個參數(shù)的限制關(guān)系。具體而言，所述階梯-深潭 型泥石流排導槽的設(shè)計縱比降測算方法步驟如下：
[0022] (一）通過現(xiàn)場調(diào)查實測，確定排導槽選址范圍內(nèi)的天然溝道平均縱比降k通過 現(xiàn)場調(diào)查，并結(jié)合工程實際情況，確定排導槽設(shè)計總長度L、單位m，及階梯段懸空高度H、取 值3-5m。對于粘性泥石流，H取較小值，對于稀性泥石流，H取較大值。
[0023] (二）通過現(xiàn)場調(diào)查，并結(jié)合工程實際情況，確定無量綱參數(shù)坡比a、取值0. 2-0. 5， 及潭配置密度b、取值1-10 ;對于粘性泥石流，a、b取較小值，對于稀性泥石流，a、b取較大 值。無量綱參數(shù)坡比a的含義為階梯段懸空高度與深潭段長度的比值，潭配置密度b的含 義為階梯段長度與深潭段長度的比值，即a=H/Lpb= ，其中H為階梯段懸空高度、U 為深潭段長度、L2為階梯段長度、單位均為m，階梯段懸空高度H的取值由步驟（一）確定。
[0024] (三）通過以下公式確定深潭段的數(shù)量n
[0025] v
U'
[0026] 式中，n-深潭段數(shù)量（n取整數(shù)，即先
然后向上 取整）；
[0027] L一排導槽設(shè)計總長度，單位m，由步驟（一）確定；
[0028] iQ-天然溝道平均縱比降，由步驟（一）確定；
[0029] a-無量綱參數(shù)坡比，由步驟（二）確定；
[0030] b-潭配置密度，由步驟（二）確定；
[0031] H-階梯段懸空高度，由步驟（一）確定。
[0032] 深潭段數(shù)量n的計算公式是將排導槽設(shè)計總長度L整體投影到水平軸上得到水平 距離，再將深潭段長度U和階梯段長度L2也分別投影到水平軸上得到水平距離，前者除以 后者即可得到深潭段數(shù)量n。
[0033] (四）將步驟（一）中得到的天然溝道平均縱比降iQ，步驟（二）中得到的無量 綱參數(shù)坡比a、潭配置密度b，及步驟（三）中得到的深潭段（2)數(shù)量n，分別代入以下公式， 求解排導槽設(shè)計縱比降i(即階梯段設(shè)計縱比降）
[0034]
[0035] (五）如果步驟（四）中得到的排導槽設(shè)計縱比降i大于等于0.05同時小于等于 0. 20,則測算結(jié)束；如果步驟（四）中得到的排導槽設(shè)計縱比降i大于0. 20、或小于0. 05， 則重復進行步驟（二）一步驟（四）。
[0036] 本發(fā)明的階梯-深潭型泥石流排導槽設(shè)計縱比降測算方法適用于天然溝道平均 縱比降、為0. 20-0. 40的泥石流溝。適用于階梯-深潭型泥石流排導槽的縱斷面設(shè)計參 數(shù)的確定；排導槽設(shè)計縱比降i確定后，將求解排導槽設(shè)計縱比降i所用的無量綱參數(shù)坡比 a、潭配置密度b和步驟（一）中得到的階梯段懸空高度H分別代入公式a=H/Lpb=L2/ U，得到深潭段長度U和階梯段長度L2。
[0037] 排導槽設(shè)計縱比降i確定后，還可進一步計算縱比降降低率n= (icri)/%。通過 縱比降降低率來定量評價階梯-深潭型泥石流排導槽通過設(shè)置階梯段懸空高度分段排泄 泥石流以達到分段、間接降低溝道整體縱比降的特性，評估測算得到的排導槽設(shè)計縱比降i 與天然溝道平均縱比降L相比所發(fā)揮的效益。
[0038] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：通過理論推導建立了階梯-深潭型泥石 流排導槽設(shè)計縱比降i與天然溝道縱比降L的定量關(guān)系，得到階梯-深潭型泥石流排導 槽設(shè)計縱比降計算公式，通過野外調(diào)查天然溝道，輸入排導槽設(shè)計總長度L、階梯段懸空高 度H、無量綱參數(shù)坡比a和潭配置密度b等相關(guān)參數(shù)，就能合理確定階梯-深潭型泥石流排 導槽的設(shè)計縱比降，為排導槽的縱斷面設(shè)計提供依據(jù)，為定量評估階梯-深潭型泥石流排 導槽的分段降低縱比降特性提供了方法，且計算簡便，計算結(jié)果精度高，能適應實際工程需 要。
【附圖說明】
[0039] 圖1是階梯-深潭型泥石流排導槽的縱剖面示意圖。
[0040] 圖中標號如下：
[0041]