專利名稱：粘性泥石流三角形底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三角 形底排導槽水力最佳斷面的設計方法及其應用。
背景技術：
泥石流是中國山區，尤其是中國西南山區廣泛發育的一種地質災害，具有 發生突然、歷時短暫、來勢兇猛、大沖淤、破壞力極強的特點，常沖毀淤埋鐵 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。所以迫切需要對泥石流進行防治，以保障山區經濟的可 持續發展。在泥石流的防治措施中，三角形底排導槽由于具有工程結構簡單、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，是目前防治 泥石流災害中使用最為廣泛的工程措施之一，尤其在公路、鐵路、城鎮、礦山 等泥石流整治中被優先采用。三角形底排導槽的排泄能力應適應一定流量和密度的泥石流，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，但 其中的大部分設計并不經濟。因此，泥石流排導槽水力最佳斷面的確定一直是排導槽設計人員希望有效解決的關鍵問題。最佳斷面是指在縱坡I、糙率系數n和設計流量Q—定時，過流斷面面積A最小或水力半徑R最大的斷面，即以 最小的過流面積通過"i殳計流量的排導槽斷面。排導槽水力最佳斷面尺寸特征由 排導槽橫斷面寬度和深度確定。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。因此，如何 在縱比降值確定的情況下快速、便捷的求得三角形底排導槽水力最佳斷面尺寸 在實際應用中就顯得更為重要。費祥俊，舒安平所著的《泥石流運動機理與災害防治》 一書中，公開了對 斷面邊坡為2的三角形底排導槽橫斷面的形狀及具體尺寸計算，首先確定最佳 斷面形態系數，然后計算平均流速和水力半徑，再通過二元一次方程公式聯合 求解，得到橫斷面寬度和深度的具體數值。但是這一計算方法存在重大缺陷， 即在聯合求解時，不能得到唯一的確定值，且計算方法煩瑣，不簡便。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三角形底排導 槽水力最佳斷面的設計方法，該方法不僅能夠合理確定三角形底排導槽水力最 佳斷面的形狀和尺寸，使三角形底排導槽具有最大泄流能力，而且計算結果為 唯一確定解，計算方法有效簡便，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最大泄流時橫斷面尺寸參量 和橫斷面特征參量；計算水力半徑；計算最大泄流橫斷面關鍵尺寸槽寬度、槽 深度三大部分組成。首先由三角形底排導槽的橫坡比降確定水力最佳斷面尺寸參量和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10%顆粒較之為小的粒徑、槽底的縱比降和水力最佳斷 面特征參量計算三角形底排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑；最后根據橫坡 比降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寬度和深度。本發明所述粘性泥石流三角形底排導槽水力最佳斷面的設計方法步驟如下 (1)計算三角形底排導槽的水力最佳斷面尺寸參量F和水力最佳斷面特征 參量S;三角形底排導槽最大泄流時，通過推導，得到水力最佳斷面尺寸參量F和水 力最佳斷面特征參量S的計算公式如下S—1 + Ic2 — 4IC ② 式中Ic一三角形底排導槽的橫坡比降，其定義為Ic =2AH/W (采用絕對值)， 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之 間；F—水力最佳斷面尺寸參量； S—水力最佳斷面特征參量。 沖艮據推導得到的式(D和②可知，三角形底排導槽最大泄流時的水力最佳 斷面尺寸參量F和水力最佳斷面特征參量S僅與排導槽的橫坡比降lc有關。 (2 )計算三角形底排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑R; 三角形底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>式中R—三角形底排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑，單位m;0~泥石流設計流量，單位mVs,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；Du)"^^粒級配曲線上10 %顆粒較之為小的粒徑，單位mm，通過實地取 樣分析確定；I—槽底的縱比降，采用絕對值，根據實際具體地形情況確定； 式中其他符號同前面一致。 (3 )計算三角形底排導槽水力最佳斷面的寬度W和深度H; 三角形底排導槽水力最佳斷面寬度W和深度H,通過推求，用下式計算④ (2)<formula>formula see original document page 7</formula>式中W—三角形底排導槽水力最佳斷面的寬度，單位m; H—三角形底排導槽水力最佳斷面的深度，單位m; 式中其他符號同前面一致。將由 、②式求得的水力最佳斷面尺寸參量F和水力最佳斷面特征參量S 的值，以及③式求得的三角形底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三角形底排導槽水力最佳斷面尺 寸W、 H。在實際工程設計中，由于地形條件比較復雜，排導槽的橫坡比降Ic往往會在一定范圍內變動， 一旦變動，將變動后的Ic值代入O)、②式求得相應的F、S,重復上述步驟即可求得變動后排導槽水力最佳斷面的寬度W和深度H。本發明所述粘性泥石流三角形底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三角形底排導槽外，還可以在泥石流流域中上游溝道內 布置3-5座骨干型攔擋工程，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三角形底排導槽水 力最佳斷面的形狀和尺寸，使三角形底排導槽具有最大泄流能力，而且計算結 果為唯一確定解，計算方法有效快速簡便，適應實際工程需要。
圖1是粘性泥石流三角形底排導槽水力最佳斷面的4黃斷面剖視圖。圖2是粘性泥石流三角形底排導槽水力最佳斷面的俯3見圖。圖3是粘性泥石流三角形底排導槽水力最佳斷面的縱向剖視圖。圖中標號如下W三角形底排導槽水力最佳斷面的寬度H三角形底排導槽水力最佳斷面的深度 △H 槽底深度I 槽底縱比降具體實施方式
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。粘性泥石流三角形底排導槽水力最佳斷面的形狀 和尺寸由排導槽寬度W和排導槽深度H的值確定。橄欖壩沙溝為金沙江下游右岸一級支溝，其流域面積為6.98 km2,主溝長度 5.32 km,主溝床平均比降230%。，溝口海拔675 m,最高海拔2387 m,流域相 對高差1712m。該溝為一條暴發頻率較高的災害性泥石流溝，曾多次發生泥石 流，對溝口的橋梁、耕地、公路等造成嚴重的危害。根據現場調查分析，該溝泥石流為粘性，重度為2.25t/m3，相應的體積比含 砂濃度Cf0.74。通過水文計算，設計標準P2。/。的泥石流流量Q473.0mVs，現場 調查分析泥石流顆粒組成中D1()=0.0lmm。為了減輕、消除泥石流災害，擬在該 流域出山口后的溝口至主河之間布置1條泥石流排導槽。根據出山口后下游堆 積區的地形，排導槽的縱坡1 = 0.12，根據實際條件，選擇采用三角形底排導槽， 橫坡比降Ic取為0.2。下面設計三角形底排導槽水力最佳斷面的尺寸。首先將橫坡比降Ic = 0.2代入 、②式中求得最大泄流橫斷面時的水力最 佳斷面尺寸參量F = 4.10,水力最佳斷面特征參量S = 7.36。將S-7.36及上述 其它參數代入③式，求解得到三角形底排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑R =1.57m。將F、 S、 R和Ic值代入④、 式，即可求得W-6.29m， H = 2.58 m。因此，可以得到該溝三角形底排導槽水力最佳斷面的寬度為6.29m，深度2.58m。實施例二如圖1、圖2、圖3所示。四川大渡河上游右岸的一級支溝龍王廟溝，其流 域面積F-0.66km2,主溝長度2.20km,主溝床平均比降0.369,流域相對高差 940m。該溝具備泥石流暴發的地形、松散物質和水源條件，為一條災害性的老 泥石流溝，歷史上曾多次發生泥石流，對溝口的道路、房屋等造成嚴重的危害。 根據現場調查分析，該溝泥石流為粘性，重度為2.00t/m3,相應的體積比含砂濃 度Cv為0.61 。通過水文計算，設計標準Pr/。的泥石流流量Q為45.0 mVs,現場 取樣分析泥石流顆粒組成中D1Q=0.05mm。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3座攔沙壩，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，選擇采用三角形底排導 槽，排導槽的縱坡1 = 0.07，橫坡比降I。取為0.33。下面設計三角形底排導槽水力最佳斷面的尺寸。首先將橫坡比降Ic = 0.33代入(D 、②式中求得最大泄流橫斷面時的水力 最佳斷面尺寸參量F-2.19,水力最佳斷面特征參量S-7.10。將S-7.10及上述 其它參數代入③式，得到三角形底排導槽水力最佳斷面相應的水力半徑R = 1.39m,將F、 S、 R和Ic值代入④、 式，得到該溝三角形底排導槽水力最佳 斷面的寬度W = 5.56m，深度H-2.01m，從而確定排導槽橫斷面形狀和尺寸。實施例三如圖1、圖2、圖3所示。與實施例二相同的地方不再重復敘述，不同之處 在于在該流域的中上游主溝道內布設5座攔沙壩。
權利要求
1.一種粘性泥石流三角形底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)計算三角形底排導槽的水力最佳斷面尺寸參量F和水力最佳斷面特征參量S，計算式如下
2. 如權利要求1所述粘性泥石流三角形底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所述粘性泥石流三角形底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座骨干型攔擋工程， 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三角形底排導槽水力最佳斷面設計方法及其應用。針對現有技術中三角形底排導槽設計中排導槽水力最佳斷面的計算方法煩瑣，且無法得到唯一的確定值等缺陷，本發明提供一種粘性泥石流三角形底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F和水力最佳斷面特征參量S；然后計算排導槽水力半徑R；最后計算水力最佳斷面的寬度W、深度H。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三角形底排導槽水力最佳斷面的形狀和尺寸，且計算結果為唯一確定解，計算方法有效快速簡便，適應實際工程需要。
文檔編號E01F7/00GK101265699SQ200810044388
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月12日 優先權日2008年5月12日
發明者柳金峰, 歐國強, 勇 游, 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