泥石流排导槽肋槛后最大冲刷深度的测算方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种泥石流排导槽肋槛后最大冲刷深度的测算方法及应用。所述测算方法首先确定排导槽设计纵比降、肋槛间设计间距、肋槛高出沟床的设计高度、排导槽设计宽度，然后确定泥石流体重度和沟床泥沙重度、泥石流粘滞系数和泥石流屈服应力，接着确定泥石流泥深和泥石流流速，最后通过肋槛后沟床最大冲刷深度测算公式确定软基消能型泥石流排导槽肋槛后部沟床最大冲刷深度。该方法综合考虑沟床条件和泥石流自身特性，并结合肋槛后部冲刷特点，通过理论推导得到排导槽肋槛后最大冲刷深度计算公式，能合理确定不同情况下的肋槛后沟床最大冲刷深度，为泥石流灾害防治工程设计提供科学依据，且该测算方法计算简便，适应工程需要。

【技术实现步骤摘要】
泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法及应用
本专利技术涉及一种软基消能型泥石流排导槽肋槛后部沟床最大冲刷深度的测算方法，及其在防治工程中肋槛基础埋深设计时的应用。
技术介绍
泥石流灾害是山地灾害的主要类型之一，每年都会造成数亿元的经济损失。目前来说，泥石流排导槽是防治泥石流灾害的一种有效的工程措施。在长期的泥石流防灾减灾实践中，泥石流排导槽的形式逐渐形成并完善；目前常用的泥石流排导槽形式之一为软基消能型排导槽，这种排导槽采用分离式挡土墙——肋槛组合结构，充分利用了沟床和肋槛对泥石流的消能作用，确保了山洪和泥石流的安全排泄。目前，软基消能型排导槽主要面临的问题之一为肋槛基础易受泥石流冲刷，进而导致失稳破坏，影响排导工程的继续运行。调查统计结果表明，汶川地震后，震区排导槽受泥石流冲刷排导槽侧墙、肋槛基础，导致其发生错落损毁的比例为30％，为主要的损毁模式。根据《泥石流防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)，软基消能型泥石流排导槽防冲肋槛的基础埋深推荐值为1.5～4.0m，最大埋深值是最小埋深值的2.7倍，这种情况下，在排导槽肋槛设计时很难准确确定肋槛的设计埋深。如果设计时取小值，排导槽工程运行过程中，肋槛后部可能由于泥石流冲刷作用，导致失稳破坏，进而导致排导槽工程的破坏；如果设计时取大值，就会导致施工成本的增加。因此，在泥石流排导工程设计时，准确地测算排导槽槛后沟床最大冲刷深度，进而合理地设计肋槛基础埋深，是排导槽工程设计时需要考虑的关键因素之一。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种软基消能型泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法及其应用，该方法基于理论推导，能够合理确定软基消能排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度，为肋槛基础埋深的设计提供依据，计算简便，计算结果精度高，能适应实际工程需要。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：本专利技术提出一种软基消能型泥石流排导槽肋槛后部沟床最大冲刷深度的测算方法，基于能量法的理论推导如下：假设排导槽设计纵比降为I0，肋槛后沟床最大冲刷深度为h0。绘制泥石流在排导槽内的流动示意图，如图1所示，以断面2-2上点O为基准点，分别对1-1断面和2-2断面进行能量分析。设断面1-1处，泥石流流速为v1，泥深为h1，单宽流量为Q1；断面2-2处，泥石流流速为v2，泥深为h2，单宽流量为Q2；断面3-3处，泥石流流速为v3，泥深为h3，单宽流量为Q3。1、单宽流量的计算假设泥石流排导槽设计流量为Q0，排导槽设计宽度为B。取断面1-1进行分析，首先求出排导槽内泥石流单宽流量Q1：泥石流流速可以用泥深和排导槽设计纵比降来表示如下：公式2中，1/nc为泥石流排导槽沟床糙率系数。单宽流量可以用公式3表示：根据公式3和公式1，可以求出泥石流在断面1-1处泥深为：2、断面能量表示如附图1所示，以断面2-2上O点为基准，断面1-1处所具有的能量E1由两部分构成，即流体具有的动能Ea1和O点的高差所产生的势能Ek：公式5-7中，γ1为泥石流体重度，1/nc为泥石流排导槽沟床糙率系数，h1为断面1-1处泥深，△h为肋槛高出沟床的设计高度，L为肋槛间设计间距，g为重力加速度。断面2-2处所具有的势能E2为：公式8中，γ1为泥石流体重度，1/nc为泥石流排导槽沟床糙率系数，h2为断面2-2处泥深。3、消耗能量表示断面1-1和断面2-2之间消耗能量主要由两部分组成，第一部分是泥石流在排导槽内运动过程中沿程能耗，沿程能耗表示E3：公式9中，τw为泥石流与排导槽沟床摩擦阻力，L为肋槛间设计间距，η为泥石流粘滞系数，v3为断面3-3处泥石流流速，h3为断面3-3处泥深，τb为泥石流屈服应力。其中，η和τb可通过对泥石流体的流变实验得出。第二部分是泥石流从上游越过肋槛冲击到下游沟床，将下游沟床物质带走，形成侵蚀坑所需能量。这部分能量主要为克服沟床物质重力所做的功，用E4表示：公式10中，Ws为肋槛后侵蚀坑内泥沙有效重力，h0为肋槛后沟床最大冲刷深度，γ2为沟床泥沙重度，γ0为水的重度。根据能量守恒定理，E1＝E2+E3+E4公式11假设泥石流在排导槽内运动达到稳态时，肋槛后沟床最大冲刷深度不再增加，断面1-1、断面2-2和断面3-3处泥石流流速和泥深都相同，即泥石流流速v＝v1＝v2＝v3，泥石流泥深h＝h1＝h2＝h3，对公式12化简处理，即可求出肋槛后沟床最大冲刷深度公式：本专利技术在上述计算理论分析基础之上，提出一种软基消能型泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法。具体而言，所述软基消能型泥石流排导槽包括若干按一定间距设置的槽底横向贯穿型肋槛及其两侧的排导槽侧墙，肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法步骤如下：(一)通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定排导槽设计纵比降I0；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定肋槛间设计间距L、肋槛高出沟床的设计高度△h、排导槽设计宽度B，单位均为m。肋槛高出沟床的设计高度△h取值范围为0-1m。(二)通过泥石流容重计算公式计算或实际取样实测，确定泥石流体重度γ1，单位kN/m3；通过实际取样实测，确定沟床泥沙重度γ2，单位kN/m3。(三)通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η，单位Pa.s；通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流屈服应力τb，单位Pa。(四)根据当地水文手册，采用小流域水文计算方法确定洪峰流量，然后采用洪峰流量与泥石流峰值流量的配方法关系式，确定泥石流峰值流量Q，单位m3/s；接着根据公式确定泥石流泥深h、单位m，式中，Q为泥石流峰值流量、单位m3/s，1/nc为沟床糙率系数、取值为7-15、根据排导槽设计纵比降、泥石流体特性、排导槽沟床特征等相关参数确定，B为排导槽设计宽度、单位m、由步骤(一)确定，I0为排导槽设计纵比降、由步骤(一)确定；然后将泥石流泥深h代入公式确定泥石流流速v、单位m/s，式中，1/nc为沟床糙率系数、取值为7-15、根据排导槽设计纵比降、泥石流体特性、排导槽沟床特征等相关参数确定，I0为排导槽设计纵比降、由步骤(一)确定。(五)通过以下公式确定肋槛后沟床最大冲刷深度h0式中，h0—肋槛后沟床最大冲刷深度，单位m；γ1—泥石流体重度，单位kN/m3，由步骤(二)确定；γ2—沟床泥沙重度，单位kN/m3，由步骤(二)确定；γ0—水的重度，取值9.8kN/m3；v—泥石流流速，单位m/s，由步骤(四)确定；h—泥石流泥深，单位m，由步骤(四)确定；△h—肋槛(1)高出沟床的设计高度，单位m，由步骤(一)确定；I0—排导槽设计纵比降，由步骤(一)确定；L—肋槛(1)间设计间距，单位m，由步骤(一)确定；η—泥石流粘滞系数，单位Pa.s，由步骤(三)确定；τb—泥石流屈服应力，单位Pa，由步骤(三)确定；g—重力加速度，取值9.8m/s2。上述软基消能型泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法适用于软基消能型泥石流排导槽肋槛基础埋深的确定；将测算得到的肋槛后沟床最大冲刷深度h0加上基础安全超深，即得到肋槛基础埋深；所述基础安全超深为0.5m。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：综合考虑沟床条件和泥石流自身特性，并结合肋槛后部冲刷特点，通过理论推导得到排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种泥石流排导槽肋槛后最大冲刷深度的测算方法，所述泥石流排导槽包括若干按一定间距设置的槽底横向贯穿型肋槛(10)及其两侧的排导槽侧墙(20)，其特征在于：肋槛(10)后沟床最大冲刷深度的测算方法步骤如下：(一)通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定排导槽设计纵比降I0；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定肋槛(10)间设计间距L、肋槛(10)高出沟床的设计高度△h、排导槽设计宽度B，单位均为m；(二)通过泥石流容重计算公式计算或实际取样实测，确定泥石流体重度γ1，单位kN/m3；通过实际取样实测，确定沟床泥沙重度γ2，单位kN/m3；(三)通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η，单位Pa.s；通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流屈服应力τb，单位Pa；(四)根据当地水文手册，采用小流域水文计算方法确定洪峰流量，然后采用洪峰流量与泥石流峰值流量的配方法关系式，确定泥石流峰值流量Q，单位m3/s；接着根据公式确定泥石流泥深h、单位m，式中，Q为泥石流峰值流量、单位m3/s，1/nc为沟床糙率系数、取值为7‑15，B为排导槽设计宽度、单位m、由步骤(一)确定，I0为排导槽设计纵比降、由步骤(一)确定；然后将泥石流泥深h代入公式确定泥石流流速v、单位m/s，式中，1/nc为沟床糙率系数、取值为7‑15，I0为排导槽设计纵比降、由步骤(一)确定；(五)通过以下公式确定肋槛(10)后沟床最大冲刷深度h0h0=2γ1vh(Δh+I0L)(γ2-γ0)-6ηvLh(γ2-γ0)g-3τbL(γ2-γ0)g]]>式中，h0—肋槛(10)后沟床最大冲刷深度，单位m；γ1—泥石流体重度，单位kN/m3，由步骤(二)确定；γ2—沟床泥沙重度，单位kN/m3，由步骤(二)确定；γ0—水的重度，取值9.8kN/m3；v—泥石流流速，单位m/s，由步骤(四)确定；h—泥石流泥深，单位m，由步骤(四)确定；△h—肋槛(10)高出沟床的设计高度，单位m，由步骤(一)确定；I0—排导槽设计纵比降，由步骤(一)确定；L—肋槛(10)间设计间距，单位m，由步骤(一)确定；η—泥石流粘滞系数，单位Pa.s，由步骤(三)确定；τb—泥石流屈服应力，单位Pa，由步骤(三)确定；g—重力加速度，取值9.8m/s2。...

【技术特征摘要】
1.一种泥石流排导槽肋槛后沟床最大冲刷深度的测算方法，所述泥石流排导槽包括若干按一定间距设置的槽底横向贯穿型肋槛(10)及其两侧的排导槽侧墙(20)，其特征在于：肋槛(10)后沟床最大冲刷深度的测算方法步骤如下：(一)通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定排导槽设计纵比降I0；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定肋槛(10)间设计间距L、肋槛(10)高出沟床的设计高度△h、排导槽设计宽度B，单位均为m；(二)通过泥石流容重计算公式计算或实际取样实测，确定泥石流体重度γ1，单位kN/m3；通过实际取样实测，确定沟床泥沙重度γ2，单位kN/m3；(三)通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η，单位Pa.s；通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流屈服应力τb，单位Pa；(四)根据当地水文手册，采用小流域水文计算方法确定洪峰流量，然后采用洪峰流量与泥石流峰值流量的配方法关系式，确定泥石流峰值流量Q，单位m3/s；接着根据公式确定泥石流泥深h、单位m，式中，Q为泥石流峰值流量、单位m3/s，1/nc为沟床糙率系数、取值为7-15，B为排导槽设计宽度、单位m、由步骤(一)确定，I0为排导槽设计纵比降、由步骤(一)确定；然后将泥石流泥深h代入公式确定泥石流流速v、单位m/s，式中，1/nc为沟床糙率系数、取值为7-15，I0为排导槽设计纵比降、由步骤(一)确定；(五)通过以下公式确定肋槛(10)后沟床最大冲刷深度h0

【专利技术属性】
技术研发人员：游勇，刘曙亮，柳金峰，赵海鑫，
申请(专利权)人：中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51