專利名稱：粘性泥石流斜墻v型排導槽水力最佳斷面設計方法及應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種泥石流排導槽設計方法，特別是涉及一種粘性泥石流斜墻V 型排導槽水力最佳斷面的設計方法及其應用。
背景技術：
泥石流是廣泛分布于中國山區，尤其是中國西南山區的一種典型地質突害， 由于其形成過程復雜，具有爆發突然、來勢兇猛、大沖大淤、破壞力極強的特 點，常沖毀或淤埋鐵路、公路、車站、城鎮、工廠、礦山、村寨和水利設施等， 嚴重阻礙了山區經濟建設的可持續發展。近年來，隨著西部大開發戰略的實施 和山區社會經濟的不斷發展，以及不合理的人類活動的強度與規模加劇，致使 泥石流災害日益頻繁，災害造成的損失更加嚴重。而許多重大交通、水利水電、 能源和資源的開發、廠礦等多數工程建在或擬建在高山峽谷地區，不少工程將 直接或間接地受到泥石流災害的威脅。所以，對泥石流進行有效防治成為保障 山區經濟可持續發展而亟需解決的關鍵問題之一。
排導槽是泥石流防治經常采用的一種工程措施，具有工程結構簡單、防治 效果好、就地取材、施工及維護方便、使用周期長、造價低等特點，尤其在公 路、鐵路、城鎮、礦山等泥石流整治中被優先采用。排導槽橫斷面的形狀及尺 寸是泥石流排導槽設計的重要參數，如何合理選"l奪過流斷面的形狀和尺寸以使泥石流排導槽具有最佳的排泄能力，是在排導槽設計時需要解決的關鍵問題。
斜墻V型排導槽的排泄能力應適應一定流量和密度的泥石流，但這樣的排 導槽的縱坡與橫斷面尺寸可以有很多組合方案，都可以滿足設計流量的需要。 在實際工程設計中，排導槽的縱比降值往往受到地形條件的限制，選擇的余地 不大，也即排導槽的縱比降值常常可根據地形條件首先確定。這樣一來，斜墻V 型排導槽斷面形態及尺寸的計算設計就顯得更為重要，務必使設計的斷面形態、 尺寸能在已定的縱比降條件下有更大的排泄泥石流的能力，但目前斜墻V型排 導槽斷面形態及尺寸多根據個人的經驗來設計，無法確定水力最佳斷面。
發明內容
本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種粘性泥石流斜墻V型排導 槽水力最佳斷面的設計方法，該方法不僅能夠合理確定斜墻V型排導槽水力最 佳斷面的形狀和尺寸，使斜墻V型排導槽具有最大泄流能力，而且計算方法有
效筒便，適應實際工程需要。
為實現上述目的，本發明的技術方案是由確定水力最佳斷面尺寸參量；計 算水力最佳斷面特征參量；計算水力半徑；計算水力最佳斷面特征尺寸四大部 分組成。首先由斜墻v型排導槽的側墻邊坡系數和槽底橫坡系數確定水力最佳 斷面尺寸參量；然后根據水力最佳斷面尺寸參量、側墻邊坡系數和槽底橫坡系 數計算水力最佳斷面特征參量；然后根據泥石流設計流量、泥石流體積比含砂、
濃度、顆粒級配曲線上50。/。顆粒較之為小的粒徑、槽底縱比降和水力最佳斷面 特征參量計算斜墻v型排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑；最后根據側墻邊坡系數、槽底橫坡系數和依次求得的水力最佳斷面尺寸參量、水力最佳斷面特 征參量、水力半徑計算出水力最佳斷面的特征尺寸，即斜墻V型排導槽水力最 佳斷面的邊坡深度和槽底深度，從而可以確定水力最佳斷面的尺寸。
本發明所述粘性泥石流斜墻V型排導槽水力最佳斷面的設計方法步驟如下
(1)計算斜墻v型排導槽的水力最佳斷面尺寸參量-;
斜墻v型排導槽最大泄流時，通過推導，得到水力最佳斷面尺寸參量/ 的計
算公式如下
<formula>formula see original document page 6</formula> ①
式中m,—斜墻v型排導槽的側墻邊坡系數，根據經驗值、同時考慮排導槽布 置地實際地形特征進行取值，取值范圍為0.1-2.0; m2—斜墻v型排導槽的槽底橫坡系數，工程中根據排導槽布置地實際地
形特征取值，取值范圍在0.1-10; -一水力最佳斷面尺寸參量。 根據推導得到的式(D可知，斜墻v型排導槽最大泄流時的水力最佳斷面尺 寸參量/ 僅與排導槽的側墻邊坡系數m,和槽底橫坡系數m2有關。 (2 )計算斜墻v型排導槽的水力最佳斷面特征參量S; 斜墻v型排導槽最大泄流時，通過推導，得到水力最佳斷面特征參量S的計 算公式如下
<formula>formula see original document page 6</formula>式中S—水力最佳斷面特征參量； 其他符號同前面一致。 根據推導得到的式(2)可知，斜墻v型排導槽最大泄流時的水力最佳斷面特 征參量S與式①計算得到的水力最佳斷面尺寸參量和排導槽的側墻邊坡系數 m,、槽底橫坡系數m2有關，由于水力最佳斷面尺寸參量/ 僅與側墻邊坡系數 m,和槽底橫坡系數ni2有關，所以水力最佳斷面特征參量S也僅與側墻邊坡系數 m,和槽底4黃:故系婆史m2有關。
(3)計算斜墻v型排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑R; 斜墻v型排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑R，通過推導用下式進行計算
<formula>formula see original document page 7</formula> ③
式中R—斜墻v型排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑，單位m;
Q—泥石流設計流量，單位m3/3，通過通用的調查或計算方法求得； Cv—泥石流體積比含^^、濃度，通過野外調查確定；
050—顆粒級配曲線上50%顆粒較之為小的粒徑，單位mm,通過實地取 樣分析確定；
Ic一斜墻v型排導槽的槽底縱比降，根據實際具體地形情況確定； 式中其他符號同前面一致。 (4 )計算斜墻v型排導槽水力最佳斷面的邊坡深度&和槽底深度h2; 斜墻v型排導槽水力最佳斷面的邊坡深度h,和槽底深度h2,通過推求，用 下式計算7 卿
2(y^/l +m,2 +^l + m22) , S尺
厶2 =-; -; ⑤
2(^/l + m,2 +力+ m22) 式中斜墻v型排導槽水力最佳斷面的邊坡深度，單位m;
112—斜墻v型排導槽水力最佳斷面的槽底深度，單位m;
式中其他符號同前面一致。 將由①式求得的水力最佳斷面尺寸參量P的值、②式求得的水力最佳斷 面特征參量S的值，以及③式求得的斜墻v型排導槽水力最佳斷面相應的水力 半徑R的值代入④、 式，即可直接計算得到粘性泥石流斜墻v型排導槽水 力最佳斷面的邊坡深度h,和槽底深度h2,從而可確定水力最佳斷面的形狀、尺 寸。
在實際工程設計中，由于地形條件比較復雜，排導槽的側墻邊坡系數im和
槽底橫坡系數m2往往會在一定范圍內變動， 一旦變動，將變動后的m,、 m2值 代入Q 、②式求得相應的/ 、 S,重復上迷步驟即可求得變動后排導槽水力最 佳斷面的邊坡深度h,和槽底深度h2。
本發明所述粘性泥石流斜墻v型排導槽水力最佳斷面設計方法，應用于重 度大于等于20KN/m3,粒徑小于0.005mm的粘粒含量大于1 %的粘性泥石流的 防治。根據泥石流發生地現場地形特征與環境條件，當保護對象重要時，工程 中除使用本發明設計的斜墻v型排導槽外，還可以在泥石流流域中上游溝道內 布置3-5座攔砂壩工程和5-8道谷坊壩工程，與根據所述排導槽水力最佳斷面設計方法設計的排導槽配合使用。
與現有技術相比，本發明的有益效果是能夠合理確定斜墻V型排導槽水 力最佳斷面的形狀和尺寸，使斜墻V型排導槽具有最大泄流能力，而且計算方 法有效快速簡便，適應實際工程需要。
圖1是粘性泥石流斜墻V型排導槽水力最佳斷面的橫斷面剖視圖。
圖2是粘性泥石流斜墻v型排導槽水力最佳斷面的俯視圖。
圖3是粘性泥石流斜墻v型排導槽水力最佳斷面的縱向剖視圖。
圖中標號如下
m、 側墻邊i皮系數
m2槽底橫坡系數
In 斜墻v型排導槽水力最佳斷面的邊坡深度 h2 斜墻v型排導槽水力最佳斷面的槽底深度 Ic 槽底縱比降
具體實施例方式
下面結合附圖，對本發明的優選實施例作進一步的描述。 實施例一
如圖1、圖2、圖3所示。粘性泥石流斜墻v型排導槽水力最佳斷面的形狀 和尺寸由排導槽特征尺寸，即斜墻v型排導槽水力最佳斷面的邊坡深度ln和斜
墻v型排導槽水力最佳斷面的槽底深度h2的值確定。金沙江左岸一級支流黑水河，位于四川省會東縣魯吉鄉熱水村，距白鶴灘
水電站壩址上游約60km處。該溝流域面積29.5 km2,主溝長度11.62 km,流域 內最高點海拔為2973 m，溝口海拔675 m，相對高差2298 m,主溝床平均比降 205%。。該溝為白鶴灘庫區內典型的災害性泥石流溝，歷史上曾多次暴發泥石流， 曾對溝口的道3各、房屋等造成嚴重的危害。據調查，1987年該溝曾發生泥石流， 將位于溝口的一座大橋欄桿全部沖毀。
根據現場調查分析，該溝為粘性泥石流溝，粒徑小于0.005mm的粘粒含量 為1.705%，泥石流重度為2.0t/m3,相應的體積比含砂濃度Cv=0.59。通過水文 計算，設計標準P2y。的泥石流流量Q-425mVs。經現場取樣分析該溝的泥沙顆粒 組成，D5G = 25mm。為了減輕、消除泥石流災害，擬在該流域的中上游主溝道 內布設5座攔砂壩、8道谷坊壩，在出山口后的溝口至金沙江之間布置1條排導 槽。根據出山口后下游堆積區的地形，排導槽的槽底縱比降Ic = 0.057,根據實 際條件，選擇采用斜墻v型排導槽，側墻邊坡系數nn取為0.2，槽底橫坡系數 m2取為6.0。下面設計斜墻v型排導槽水力最佳斷面的尺寸。
首先將側墻邊坡系數m, = 0.2、槽底橫坡系數m2 = 6.0代入①式中求得最 大泄流橫斷面時的水力最佳斷面尺寸參量/ =6.196。將水力最佳斷面尺寸參量
〃 =6.196、側墻邊坡系數mt-0.2、槽底橫坡系數m2 = 6.0代入②式，求得水 力最佳斷面特征參量S = 6.988。將S = 6.988及上述其它參數代入③式，求解得 到斜墻v型排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑R-2.3m。將/ 、 S、 R和m,、
ni2值代入④、 式，即可求得h,-4.021m, h2 = 0,649m。因此，可以得到該 溝斜墻v型排導槽水力最佳斷面的邊坡深度為4.021m,槽底深度為0.649m。實施例二
如圖1、圖2、圖3所示。先布冷溝為大渡河右岸的一級支溝，流域面積 15.25km2,主溝長8.64km，溝床平均縱比降214%。，流域相對高差2310m。該 溝為一條老泥石流溝，歷史上曽多次發生泥石流災害，數次沖毀民房、耕地， 淤埋公路和堵塞橋梁等，給當地人民群眾的生命和財產安全造成嚴重危害。
根據現場調查分析，該溝泥石流為粘性，粒徑小于0.005mm的粘粒含量為 2.107%，重度為2.10t/m3,相應的體積比含砂濃度Cv為0.65。通過水文計算， 設計標準P^的泥石流流量Q為177.30 m3/s，現場取樣分析泥石流顆粒組成中 D50=35mm。為了減輕、消除泥石流災害，擬在該流J或的中上游主溝道內布設3 座攔沙壩、5道谷坊壩，在出山口后的溝口至大渡河之間布置1條排導槽。根據 出山口后下游堆積區的實際地形條件，選擇采用斜墻v型排導槽，排導槽的槽 底縱比降Ic-0.079,側墻邊坡系數rm取O.l，槽底橫坡系數m2取為5.0。下面 設計斜墻v型排導槽水力最佳斷面的尺寸。
首先將側墻邊坡系數m, = 0.1、槽底橫坡系數m2 = 5.0代入①式中求得最 大泄流橫斷面時的水力最佳斷面尺寸參量/ =4.533。將水力最佳斷面尺寸參量
〃 =4.533、側墻邊坡系數m, =0.1、槽底橫坡系數m2 = 5.0代入②式，求得水 力最佳斷面特征參量S-7.117。將S-7.117及上述其它參數代入③式，求解得 到斜墻v型排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑R=1.531m。將- 、 S、 R和 m!、 m2值代入④、 式，即可求得h,-2.470m, h2- 0.545m。因此，可以得 到該溝斜墻v型排導槽水力最佳斷面的邊坡深度為2.470m,槽底深度為0.545m, 從而確定排導槽水力最佳斷面形狀和尺寸。
權利要求
1. 一種粘性泥石流斜墻v型排導槽水力最佳斷面設計方法，其特征在于所述水力最佳斷面設計方法步驟如下(1)計算斜墻v型排導槽的水力最佳斷面尺寸參量β，計算式如下式中m1—斜墻v型排導槽的側墻邊坡系數； m2—斜墻v型排導槽的槽底橫坡系數，根據排導槽布置地實際地形特征取值；β—水力最佳斷面尺寸參量；(2)計算斜墻v型排導槽的水力最佳斷面特征參量S，計算式如下式中S—水力最佳斷面特征參量； 其他符號同前面一致；(3)計算斜墻v型排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑R，計算式如下式中R—斜墻v型排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑，單位m； Q—泥石流設計流量，單位m3/s，通過通用的調查或計算方法求得； Cv—泥石流體積比含砂濃度，通過野外調查確定； D50—顆粒級配曲線上50％顆粒較之為小的粒徑，單位mm，通過實地取樣分析確定； Ic—斜墻v型排導槽的槽底縱比降，根據實際具體地形情況確定； 其他符號同前面一致；(4)計算斜墻v型排導槽水力最佳斷面的邊坡深度h1和槽底深度h2，計算式如下式中h1—斜墻v型排導槽水力最佳斷面的邊坡深度，單位m； h2—斜墻v型排導槽水力最佳斷面的槽底深度，單位m； 其他符號同前面一致。
2. 如權利要求1所述粘性泥石流斜墻v型排導槽水力最佳斷面設計方法，應用 于重度大于等于20KN/m3，粒徑小于0.005mm的粘粒含量大于1 %的粘性 泥石流的防治。
3. 根據權利要求2所述粘性泥石流斜墻v型排導槽水力最佳斷面設計方法的應 用，其特征在于在泥石流流域中上游溝道內布置3-5座攔砂壩工程和5-8 道谷坊壩工程，與根據所述排導槽水力最佳斷面設計方法設計的排導槽配合 使用。
全文摘要
本發明公開了一種粘性泥石流斜墻v型排導槽水力最佳斷面設計方法及其應用。針對現有技術中斜墻v型排導槽斷面形態及尺寸多根據個人經驗設計，無法確定水力最佳斷面的缺陷，本發明提供一種粘性泥石流斜墻v型排導槽水力最佳斷面設計方法。該方法首先計算排導槽水力最佳斷面尺寸參量β；再計算水力最佳斷面特征參量S；然后計算排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑R；最后計算水力最佳斷面的邊坡深度h<sub>1</sub>和槽底深度h<sub>2</sub>。該方法適用于粘性泥石流的防治，且可與其他骨干型攔擋工程配合使用。與現有技術相比，本發明能夠合理確定斜墻v型排導槽水力最佳斷面的形狀和尺寸，使其具有最大泄流能力，且計算方法有效快速簡便，適應實際工程需要。
文檔編號E02B3/10GK101435191SQ20081014779
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月9日 優先權日2008年12月9日
發明者柳金峰, 歐國強, 勇 游, 潘華利, 陳曉清 申請人:中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所