箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽的箱體消能段設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種泥石流防治技術(shù)，特別是涉及一種箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽的箱 體消能段設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽是一種針對較大溝床縱比降設(shè)計(jì)的槽型。在溝床縱比降 較大的情況下，泥石流強(qiáng)烈的磨蝕和沖刷作用常造成排導(dǎo)槽槽底嚴(yán)重破壞、無法正常使用、 后期維護(hù)費(fèi)用高昂；箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽通過設(shè)置箱體結(jié)構(gòu)的消能檻，通過泥石流與 箱體中充填塊石的相互作用增加排導(dǎo)槽糙率，有效調(diào)控排導(dǎo)槽中泥石流流速，從而實(shí)現(xiàn)泥 石流在槽中的安全排泄。
[0003] 在排導(dǎo)槽設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)實(shí)際情況合理選擇糙率系數(shù)，對排導(dǎo)槽的設(shè)計(jì)具有重 要意義。在已知排導(dǎo)槽通過的設(shè)計(jì)流量時，如果糙率取值偏小，流速就偏大，流量一定時，過 流斷面面積就偏小，則滿足不了過流能力，易導(dǎo)致泥石流滿槽并可能溢出槽外；如果糙率取 值偏大，流速減小，流量一定時，過流斷面面積就偏大，則會因過流斷面的尺寸偏大而造成 投資浪費(fèi)，還會因?qū)嶋H流速過大而對槽底產(chǎn)生磨蝕。針對利用混凝土和漿砌石修建的排導(dǎo) 槽，其糙率可根據(jù)材料類型和種類來選取，進(jìn)而計(jì)算得到排導(dǎo)槽中泥石流的流速；而對于箱 體消能式泥石流排導(dǎo)槽，由于其槽底設(shè)置了箱體結(jié)構(gòu)，底部邊界條件發(fā)生了改變，因此，無 法完全根據(jù)排導(dǎo)槽的材料類型確定其糙率，也就無法為箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽的優(yōu)化設(shè) 計(jì)提供支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種以確定排導(dǎo)槽綜合糙率系數(shù)為 基礎(chǔ)的箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽箱體消能段設(shè)計(jì)方法，該方法綜合考慮了排導(dǎo)槽縱比降、 箱體消能段長度、箱體消能段寬度和裝填塊石平均直徑等因素，并結(jié)合箱體消能式泥石流 排導(dǎo)槽的特點(diǎn)，能夠合理確定不同設(shè)計(jì)條件下的排導(dǎo)槽綜合糙率系數(shù)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)箱體 消能式泥石流排導(dǎo)槽的箱體消能段的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)方法簡便有效，所需參數(shù)少。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 本發(fā)明提出一種箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽的箱體消能段設(shè)計(jì)方法。所述箱體消能 式泥石流排導(dǎo)槽包括全襯砌槽底及其兩側(cè)的側(cè)墻，全襯砌槽底的中部設(shè)有箱體消能段；所 述箱體消能段包括按一定間距設(shè)置的橫向貫穿型肋檻（用于保護(hù)消能檻安全）和充填于上 下游肋檻之間、呈階梯狀分布的若干級消能檻，消能檻沿橫向貫穿排導(dǎo)槽方向設(shè)置，每一級 消能檻由至少一個預(yù)制好的鋼筋混凝土長方箱體構(gòu)成，長方箱體頂面開敞、其余五面封閉、 內(nèi)部裝填塊石。長方箱體內(nèi)的塊石裝填高度與長方箱體高度之比為0.5-0. 8。所述箱體消 能段的設(shè)計(jì)方法步驟如下：
[0007] ( -）通過大比例尺地形圖測量計(jì)算或現(xiàn)場調(diào)查實(shí)測，確定排導(dǎo)槽縱比降J ;通過 現(xiàn)場調(diào)查，選定全襯砌槽底的材質(zhì)，根據(jù)選定的全襯砌槽底材質(zhì)，確定全襯砌槽底的糙率系 數(shù)IV通過現(xiàn)場調(diào)查，獲得泥石流物源和顆粒級配資料以及排導(dǎo)槽建筑材料性質(zhì)，確定排導(dǎo) 槽允許的不沖流速和不齡流速，單位m/s。
[0008] (二）根據(jù)排導(dǎo)槽設(shè)計(jì)流量和步驟（一）中得到的排導(dǎo)槽縱比降J，設(shè)定箱體消能 段長度L、箱體消能段寬度b、裝填塊石的平均直徑D，單位均為m。
[0009] (三）通過以下公式確定排導(dǎo)槽綜合糙率系數(shù)η
[0011] 式中，η-排導(dǎo)槽綜合糙率系數(shù)；
[0012] η。一全襯砌槽底的糙率系數(shù)，由步驟（一）確定；
[0013] b-箱體消能段寬度，單位m，由步驟（二）確定；
[0014] L一箱體消能段長度，單位m，由步驟（二）確定；
[0015] D-裝填塊石的平均直徑，單位m，由步驟（二）確定；
[0016] J一排導(dǎo)槽縱比降，由步驟（一）確定；
[0017] η -圓周率，取值3. 14。
[0018](四）將步驟（三）中得到的排導(dǎo)槽綜合糙率系數(shù)η代入曼寧公式
計(jì)算得到泥石流流速、單位m/s。曼寧公式中，V為計(jì)算得到的泥石流流 速、單位m/s，η為步驟（三）中得到的排導(dǎo)槽綜合糙率系數(shù)，R為水力半徑、單位m、根據(jù)泥 石流泥深h和排導(dǎo)槽寬度B確定，J為步驟（一）中得到的排導(dǎo)槽縱比降。
[0019](五）將步驟（四）中得到的泥石流流速與步驟（一）中得到的不沖流速和不淤 流速進(jìn)行對比；如果步驟（四）中得到的泥石流流速大于步驟（一）中得到的不沖流速、或 小于步驟（一）中得到的不淤流速，則重復(fù)進(jìn)行步驟（二）_步驟（五）；如果步驟（四）中 得到的泥石流流速大于等于步驟（一）中得到的不淤流速、同時小于等于步驟（一）中得 到的不沖流速，則采用步驟（二）中設(shè)定的箱體消能段長度L、箱體消能段寬度b、裝填塊石 的平均直徑D作為箱體消能段設(shè)計(jì)值。
[0020] 箱體消能段寬度b與排導(dǎo)槽寬度B之比為0. 5-1. 0。箱體消能段長度L與排導(dǎo)槽 總長度之比為0. 10-0. 25。箱體消能段上游的泥石流泥深h與裝填塊石的平均直徑D之比 為1. 0-4. 0。所述箱體消能段設(shè)計(jì)方法適用于排導(dǎo)槽縱比降J為0. 15-0. 35,適用于泥石流 容重為 16-22kN/m3。
[0021] 本發(fā)明提出的箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽的箱體消能段設(shè)計(jì)方法，其關(guān)鍵核心是排 導(dǎo)槽綜合糙率系數(shù)的確定。箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽綜合糙率系數(shù)的計(jì)算公式是基于160 余組排導(dǎo)槽模型試驗(yàn)，通過對模型試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)擬合，綜合考慮了箱體消能式泥石流排 導(dǎo)槽的縱比降，箱體消能段的長度、寬度，以及消能結(jié)構(gòu)中裝填塊石的平均直徑和全襯砌槽 底的糙率系數(shù)等因素。箱體消能段設(shè)計(jì)方法可通過改變箱體消能段的長度和寬度、以及裝 填塊石的平均直徑，實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控排導(dǎo)槽中泥石流流速的目的。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：綜合考慮了排導(dǎo)槽縱比降、箱體消能段 長度、箱體消能段寬度、裝填塊石平均直徑和全襯砌槽底糙率系數(shù)等因素，并結(jié)合箱體消能 式泥石流排導(dǎo)槽的特點(diǎn)，通過將大量室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到箱體消能式泥石流 排導(dǎo)槽綜合糙率系數(shù)的計(jì)算公式，能夠合理確定不同設(shè)計(jì)條件下的排導(dǎo)槽綜合糙率系數(shù)， 進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽的箱體消能段的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)方法簡便有 效，所需參數(shù)少。
【附圖說明】
[0023] 圖1是箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽的縱剖面示意圖。
[0024] 圖2是箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽的俯視示意圖。
[0025] 圖中標(biāo)號如下：
[0026] 1全襯砌槽底 2肋檻
[0027] 3消能檻
[0028] J排導(dǎo)槽縱比降 L箱體消能段長度
[0029] b箱體消能段寬度 B排導(dǎo)槽寬度
[0030] h泥石流泥深
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的描述。
[0032] 實(shí)施例一
[0033] 如圖1、圖2所示。某泥石流溝位于綿遠(yuǎn)河左岸，流域面積約為1. 36km2,主溝上游 山體地形陡峻，最高點(diǎn)位于流域東側(cè)，海拔1987m ;最低點(diǎn)位于溝口，海拔810m，相對高差達(dá) 1177m ;該泥石流溝主溝長度2. 59km。該流域平面形態(tài)呈桃葉形，有利于泥石流體匯流。地 震后發(fā)生多次泥石流，溝道下切嚴(yán)重，切割深度約30m，溝道形態(tài)呈"V"型，平均寬度約3~ 5m。陡峻的地形條件為暴雨洪水的匯集提供了良好的條件，同時較好的臨空條件為溝域內(nèi) 不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育以及泥石流松散固體物源的匯集提供了有利的條件。加之溝谷縱坡 大，為松散固體物質(zhì)的搬運(yùn)和泥石流的形成提供了極為有利的地形。
[0034] 為了減輕泥石流災(zāi)害對溝口公路安全暢通的影響，擬在泥石流溝口修建箱體消能 式泥石流排導(dǎo)槽跨越公路。所述箱體消能式泥石流排導(dǎo)槽包括全襯砌槽底1及其兩側(cè)的側(cè) 墻，全襯砌槽底1的中部設(shè)有箱體消能段，所述箱體消能段包括按5m間距設(shè)置的橫向貫穿 型肋檻2 (寬度lm)和充填于每兩個上下游肋檻2之間、呈階梯狀分布的5級消能檻3,消能 檻3沿橫向貫穿排導(dǎo)槽方向設(shè)置，每一級消能檻3由至少一個預(yù)制好的鋼筋混凝土長方箱 體構(gòu)成，長方箱體頂面開敞、其余五面封閉、內(nèi)部裝填塊石，塊石裝填高度與長方箱體高度 之比為0.8。所述箱體消能段的設(shè)計(jì)方法步驟如下：
[0035] 第一步，通過現(xiàn)場調(diào)查實(shí)測，確定排導(dǎo)槽縱比降J為0.35,爆發(fā)泥石流容重為 22kN/m3,排導(dǎo)槽總長度為105m，過水?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)為矩形，排導(dǎo)槽寬度B為6m，排導(dǎo)槽高度為 3. 5m。通過現(xiàn)場調(diào)查，選定全襯砌槽底1的材質(zhì)為混凝土底加水泥砌塊石抹面，根據(jù)選定的 全襯砌槽底1材質(zhì)，確定全襯砌槽底1的糙率系數(shù)η。為0. 02。通過現(xiàn)場調(diào)查，根據(jù)鋼筋混 凝土材料的抗沖流速特性建議，確定排導(dǎo)槽允許的不沖流速為8m/s，不齡流速