一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法技术

本发明专利技术提出了一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法，属于泥石流拦砂坝尺寸确定技术领域。本发明专利技术通过简化泥石流在坝体上运动形式后进行参数修正的方法，简单准确得到坝体长度。本发明专利技术通过实验确定参数对于拦砂坝性能的影响情况，并进行定性定量分析。本发明专利技术的应用性强、通用性全面，因此可以全面推广。

A calculation method for determining the length of horizontal debris flow dam

【技术实现步骤摘要】
一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法
本专利技术属于泥石流拦砂坝尺寸确定
，尤其适用于水平式泥石流拦砂坝单坝情况下坝长计算。
技术介绍
泥石流是一种典型的固液两相流，一般发生在松散物质较多、降雨较丰富的山区沟谷中。泥石流中含有大量粒径不同的固体物质，小至粘粒大至1米以上的巨石，在重力作用驱使下，由水和固体物质混合而成的流体在沟谷中的运动速度可达到10m/s以上，冲击力极大，对下游的建筑物造成巨大的威胁。汶川地震之后，西南地区的泥石流灾害明显增多，对泥石流的防治工作显得尤为重要。传统的实体拦砂坝和竖向透过性坝，在拦截泥石流的过程中，坝面与泥石流运动方向大致呈90°，在拦挡泥石流时所受的冲击力较大，对拦砂坝结构的强度要求比较高。水平式拦砂坝是一种新型的水平式水石分离结构，开孔率高，透过性好，具有避免泥石流巨大冲击力的优势，利用泥石流自身重力作用对其进行筛分的功能，通过对泥石流的拦粗排细作用，将粗大颗粒拦蓄在库内，细小颗粒输移至下游，大大减轻了库容压力，有利于提高坝体的库容利用率，可以抵挡多次泥石流灾害，有着优异的拦挡性能。坝长是拦砂坝结构的一个重要参数，前人对水平式拦砂坝坝体长度的确定尚未进行探讨，坝长的不确定会导致拦砂坝对泥石流的防治能力过剩或者不足的问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种基于水平式泥石流拦砂坝坝体上运动简化的坝体长度计算方法，以泥石流在坝体上的最远运动距离作为拦砂坝坝体长度，并以实测值进行修正，最终得到水平式泥石流拦砂坝坝体长度计算方法。拦砂坝坝体长度与泥石流在坝体上的运动过程有关，坝体长度可以看做泥石流在坝体上的最远运动距离，而泥石流在坝体上的运动过程主要受到滤水排砂作用和减速导向作用的影响。格栅间距的大小控制着滤水排砂效果，格栅倾角渐变度影响着对泥石流的导向作用，泥石流的入口速度直接影响着泥石流在坝体上运动的最远距离，以上分析可知，格栅长度主要受到格栅间距、格栅倾角渐变度以及泥石流入口速度的影响。这几种因素在拦砂坝坝体长度计算过程中应该起到一定的作用(附图T1为水平式泥石流拦砂坝结构形式及主要尺寸示意图)。泥石流在坝体上的运动主要分为横向和纵向(坝体长度方向)两部分，其中决定坝体长度的主要是泥石流纵向的运动距离，泥石流在坝体上运动会出现两种极限状况：其一、由于泥石流翻越格栅需要克服外力速度减小，当泥石流速度小于临界速度时不可以继续翻越格栅，而是在重力作用下逐渐运动到拦砂坝两侧的停积场；其二、尽管泥石流速度仍然大于临界速度，但由于格栅导向作用泥石流已经运动至拦砂坝边缘。对于这两种情况，在入口速度相同的情况下，显然第二种情况运动距离更长一些，对应的拦砂坝长度也更长。(附图T2为坝体上泥石流运动模拟示意图)对水平式泥石流拦砂坝坝体长度的计算，主要内容分为以下几个部分：①建立纵向运动方程先将泥石流纵向运动简化为匀速运动，运动距离为：L＝v0×t(1)式中：L为坝体纵向长度(m)；v0为泥石流入口流速(m/s)；t为泥石流在格栅导向作用下运动到格栅两侧边缘的时间(s)，此处t＝nt0。②建立横向运动方程泥石流在坝体上的横向运动可以简化为沿格栅方向的初速度为0的匀加速运动，其主要内容为：第一格：v1＝a1t0；第二格：v2＝v1+a2t0＝a1t0+a2t0；第三格：v3＝a1t0+a2t0+a3t0；……第n格：则泥石流在拦砂坝一侧横向上运动的总距离(即对以上n个方程进行求和)为：式中：S为泥石流在拦砂坝一侧横向上的总运动距离，m；ai为在第i格横向上的加速度ai＝gsin(idxθ)，m/s2；t0为泥石流在每两条格栅之间的运动时间，s；vi为泥石流在第i格格栅末端沿横向上的速度分量，m/s；dx为格栅间距，m；θ为格栅倾角渐变度，°/m。对上式进行整理得到最终的拦砂坝上泥石流一侧横向运动的总距离为：③拦砂坝坝体长度L的初步确定对于第二种情况，当拦砂坝上泥石流一侧横向运动的距离为B/2时，此时泥石流纵向运动距离最远，对应的长度即可以作为拦砂坝的坝长。对应方程为：式中，S为拦砂坝上泥石流一侧横向运动总距离，m；B为拦砂坝宽度，m。联立可以求出t0，再根据(1)式即可求出拦砂坝坝体长度的初值。需要注意的是，在上述计算过程中，假定泥石流沿拦砂坝长度方向为匀速运动，但实际过程中泥石流由于翻越格栅需要消耗一部分能量，为减速运动，因此由此计算出的拦砂坝长度较真实情况增加很多，但是二者变化规律相似。在计算过程中对格栅间的运动时间进行修正，并添加系数k，即格栅间运动时间t0可以表示为：式中，t0为泥石流在拦砂坝上格栅间运动的平均时间，s；dx为格栅间距，m；v0为泥石流入口速度，m/s综上，确定拦砂坝坝体长度所需要的公式分别为：L＝v0×t方法涉及参数：格栅间距dx(m)、拦砂坝倾角渐变度θ(°/m)、坝体宽度B需要根据泥石流的具体情况、当地条件、对拦砂坝性能要求等方面综合考虑之后进行确定；系数k需要通过实测值与计算值的对比分析进行确定。参数确定：首先确定系数k，需要根据实测值与计算值进行对比分析得到，经试验得到当格栅间距为d60、d80、d95时，k值分别取0.24、0.15、0.06的坝体计算长度和实际长度较为符合；对于格栅倾角渐变度θ，本专利技术采用θ为35-55(°/m)的水平式拦砂坝研究格栅倾角渐变度对于拦砂坝性能的影响，并得到：格栅倾角渐变度(θ)对于不同格栅间距(d60、d80、d95)水平式拦砂坝拦挡效率(α)的影响(如附图T3格栅间距分别为d60、d80、d95时不同格栅倾角渐变度下的拦挡效率)可以表示为：α60＝0.63611θ+31.98611(R2＝0.824)α80＝0.71027θ+14.9705(R2＝0.821)α95＝0.99994θ-1.92306(R2＝0.950)其对于不同格栅间距(d60、d80、d95)水平式拦砂坝拦粗排细效率(η)的影响(如附图T4格栅间距为d60、d80、d95时不同格栅倾角渐变度下的拦粗排细效率)可以表示为：η60＝-0.48611θ+96.50093(R2＝0.893)η80＝-0.40609θ+81.07833(R2＝0.714)η95＝-0.34360θ+77.90855(R2＝0.743)在设计拦砂坝时可以根据现场情况确定防治效果的侧重点，分别对拦挡效率和拦粗排细效率赋予不同的权重m和n，得到拦挡输移性能综合系数F。F＝mα+nηm：拦挡效率的权重；n：拦粗排细效率的权重；当m＝n时表明对两者的重要性相当，由于格栅倾角渐变度对两者的影响效果相反，此时格栅倾角渐变度宜取中间值；当m>n时，表明更加看重拦挡效果；反之，拦粗排细性能更重要。通过以上公式计算各个格栅倾角渐变度下的拦挡输移性能综合系数，可以选取F最大时对应的格栅倾角渐变度作为坝体的参数。对于格栅间距dx，采用x范围为60-95的拦砂坝研究格栅间距对于拦砂坝性能的影响，并得到：格栅间距(dx)对于不同格栅倾角渐变度(35、45、55°/m)拦砂坝拦挡效率(α)的影响(如附图T5格栅倾角渐变度为35、45、55°/m时不同格栅间距下的拦挡效率)可以定量表示为：α35＝0.005x2-1.3949x+119.794(R2＝0.976)α45＝0.013本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法，其特征在于包括以下部分：①建立纵向运动方程先将泥石流纵向运动简化为匀速运动，运动距离为：L＝v0×t                    (1)式中：L为坝体纵向长度(m)；v0为泥石流入口流速(m/s)；t为泥石流在格栅导向作用下运动到格栅两侧边缘的时间(s)，此处t＝nt0。②建立横向运动方程泥石流在坝体上的横向运动可以简化为沿格栅方向的初速度为0的匀加速运动，其主要内容为：第一格：

【技术特征摘要】
1.一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法，其特征在于包括以下部分：①建立纵向运动方程先将泥石流纵向运动简化为匀速运动，运动距离为：L＝v0×t(1)式中：L为坝体纵向长度(m)；v0为泥石流入口流速(m/s)；t为泥石流在格栅导向作用下运动到格栅两侧边缘的时间(s)，此处t＝nt0。②建立横向运动方程泥石流在坝体上的横向运动可以简化为沿格栅方向的初速度为0的匀加速运动，其主要内容为：第一格：v1＝a1t0；第二格：v2＝v1+a2t0＝a1t0+a2t0；第三格：v3＝a1t0+a2t0+a3t0；……第n格：则泥石流在拦砂坝一侧横向上运动的总距离为：式中：S为泥石流在拦砂坝一侧横向上的总运动距离，m；ai为在第i格横向上的加速度ai＝gsin(idxθ)，m/s2；t0为泥石流在每两条格栅之间的运动时间，s；vi为泥石流在第i格格栅末端沿横向上的速度分量，m/s；dx为格栅间距，m；θ为格栅倾角渐变度，ra°/m；对上式进行整理得到最终的拦砂坝上泥石流一侧横向运动的总距离为：③拦砂坝坝体长度L的初步确定对于第二种情况，当拦砂坝上泥石流一侧横向运动的距离为B/2时，此时泥石流纵向运动距离最远，对应的长度即可以作为拦砂坝的坝长；对应方程为：式中，S为拦砂坝上泥石流一侧横向运动总距离，m；B为拦砂坝宽度，m；联立可以求出t0，再根据(1)式即可求出拦砂坝坝体长度的初值；在上述计算过程中，假定泥石流沿拦砂坝长度方向为匀速运动，实际过程中泥石流由于翻越格栅需要消耗一部分能量，为减速运动，因此由此计算出的拦砂坝长度较真实情况增加很多，在计算过程中对格栅间的运动时间进行修正，并添加系数k，即格栅间运动时间t0可以表示为：式中，t0为泥石流在拦砂坝上格栅间运动的平均时间，s；dx为格栅间距，m；v0为泥石流入口速度，m/s参数确定：格栅间距dx(m)、拦砂坝倾角渐变度θ(°/m)、坝体宽度B需要根据泥石流的具体情况、当地条件、对拦砂坝性能要求等方面综合考虑之后进行确定；系数k需要通过实测值与计算值的对比分析进行确定。2.根据权利要求1所述的一种水平式泥石流拦砂坝长度确定计算方法，其特征在于：参数k确定方法如下：参数k一方面通过实际测量得到泥石流在拦砂坝上的运动距离，另一方面用含有参数k的公式表示其他参数以及坝体长度，利...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宏伟，吴佳俊，梁煜峰，潘龙阳，姜蕊，王佳美，费文平，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51