专利名称：粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面设计方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种泥石流排导槽设计方法，特别是涉及一种粘性泥石流斜墙V 型排导槽水力最佳断面的设计方法及其应用。
背景技术：
泥石流是广泛分布于中国山区，尤其是中国西南山区的一种典型地质突害， 由于其形成过程复杂，具有爆发突然、来势凶猛、大冲大淤、破坏力极强的特 点，常冲毁或淤埋铁路、公路、车站、城镇、工厂、矿山、村寨和水利设施等， 严重阻碍了山区经济建设的可持续发展。近年来，随着西部大开发战略的实施 和山区社会经济的不断发展，以及不合理的人类活动的强度与规模加剧，致使 泥石流灾害日益频繁，灾害造成的损失更加严重。而许多重大交通、水利水电、 能源和资源的开发、厂矿等多数工程建在或拟建在高山峡谷地区，不少工程将 直接或间接地受到泥石流灾害的威胁。所以，对泥石流进行有效防治成为保障 山区经济可持续发展而亟需解决的关键问题之一。
排导槽是泥石流防治经常采用的一种工程措施，具有工程结构简单、防治 效果好、就地取材、施工及维护方便、使用周期长、造价低等特点，尤其在公 路、铁路、城镇、矿山等泥石流整治中被优先采用。排导槽横断面的形状及尺 寸是泥石流排导槽设计的重要参数，如何合理选"l奪过流断面的形状和尺寸以使泥石流排导槽具有最佳的排泄能力，是在排导槽设计时需要解决的关键问题。
斜墙V型排导槽的排泄能力应适应一定流量和密度的泥石流，但这样的排 导槽的纵坡与横断面尺寸可以有很多组合方案，都可以满足设计流量的需要。 在实际工程设计中，排导槽的纵比降值往往受到地形条件的限制，选择的余地 不大，也即排导槽的纵比降值常常可根据地形条件首先确定。这样一来，斜墙V 型排导槽断面形态及尺寸的计算设计就显得更为重要，务必使设计的断面形态、 尺寸能在已定的纵比降条件下有更大的排泄泥石流的能力，但目前斜墙V型排 导槽断面形态及尺寸多根据个人的经验来设计，无法确定水力最佳断面。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种粘性泥石流斜墙V型排导 槽水力最佳断面的设计方法，该方法不仅能够合理确定斜墙V型排导槽水力最 佳断面的形状和尺寸，使斜墙V型排导槽具有最大泄流能力，而且计算方法有
效筒便，适应实际工程需要。
为实现上述目的，本发明的技术方案是由确定水力最佳断面尺寸参量；计 算水力最佳断面特征参量；计算水力半径；计算水力最佳断面特征尺寸四大部 分组成。首先由斜墙v型排导槽的侧墙边坡系数和槽底横坡系数确定水力最佳 断面尺寸参量；然后根据水力最佳断面尺寸参量、侧墙边坡系数和槽底横坡系 数计算水力最佳断面特征参量；然后根据泥石流设计流量、泥石流体积比含砂、
浓度、颗粒级配曲线上50。/。颗粒较之为小的粒径、槽底纵比降和水力最佳断面 特征参量计算斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径；最后根据侧墙边坡系数、槽底横坡系数和依次求得的水力最佳断面尺寸参量、水力最佳断面特 征参量、水力半径计算出水力最佳断面的特征尺寸，即斜墙V型排导槽水力最 佳断面的边坡深度和槽底深度，从而可以确定水力最佳断面的尺寸。
本发明所述粘性泥石流斜墙V型排导槽水力最佳断面的设计方法步骤如下
(1)计算斜墙v型排导槽的水力最佳断面尺寸参量-;
斜墙v型排导槽最大泄流时，通过推导，得到水力最佳断面尺寸参量/ 的计
算公式如下
<formula>formula see original document page 6</formula> ①
式中m,—斜墙v型排导槽的侧墙边坡系数，根据经验值、同时考虑排导槽布 置地实际地形特征进行取值，取值范围为0.1-2.0; m2—斜墙v型排导槽的槽底横坡系数，工程中根据排导槽布置地实际地
形特征取值，取值范围在0.1-10; -一水力最佳断面尺寸参量。 根据推导得到的式(D可知，斜墙v型排导槽最大泄流时的水力最佳断面尺 寸参量/ 仅与排导槽的侧墙边坡系数m,和槽底横坡系数m2有关。 (2 )计算斜墙v型排导槽的水力最佳断面特征参量S; 斜墙v型排导槽最大泄流时，通过推导，得到水力最佳断面特征参量S的计 算公式如下
<formula>formula see original document page 6</formula>式中S—水力最佳断面特征参量； 其他符号同前面一致。 根据推导得到的式(2)可知，斜墙v型排导槽最大泄流时的水力最佳断面特 征参量S与式①计算得到的水力最佳断面尺寸参量和排导槽的侧墙边坡系数 m,、槽底横坡系数m2有关，由于水力最佳断面尺寸参量/ 仅与侧墙边坡系数 m,和槽底横坡系数ni2有关，所以水力最佳断面特征参量S也仅与侧墙边坡系数 m,和槽底4黄:故系婆史m2有关。
(3)计算斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径R; 斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径R，通过推导用下式进行计算
<formula>formula see original document page 7</formula> ③
式中R—斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径，单位m;
Q—泥石流设计流量，单位m3/3，通过通用的调查或计算方法求得； Cv—泥石流体积比含^^、浓度，通过野外调查确定；
050—颗粒级配曲线上50%颗粒较之为小的粒径，单位mm,通过实地取 样分析确定；
Ic一斜墙v型排导槽的槽底纵比降，根据实际具体地形情况确定； 式中其他符号同前面一致。 (4 )计算斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度&和槽底深度h2; 斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度h,和槽底深度h2,通过推求，用 下式计算7 卿
2(y^/l +m,2 +^l + m22) , S尺
厶2 =-; -; ⑤
2(^/l + m,2 +力+ m22) 式中斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度，单位m;
112—斜墙v型排导槽水力最佳断面的槽底深度，单位m;
式中其他符号同前面一致。 将由①式求得的水力最佳断面尺寸参量P的值、②式求得的水力最佳断 面特征参量S的值，以及③式求得的斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力 半径R的值代入④、 式，即可直接计算得到粘性泥石流斜墙v型排导槽水 力最佳断面的边坡深度h,和槽底深度h2,从而可确定水力最佳断面的形状、尺 寸。
在实际工程设计中，由于地形条件比较复杂，排导槽的侧墙边坡系数im和
槽底横坡系数m2往往会在一定范围内变动， 一旦变动，将变动后的m,、 m2值 代入Q 、②式求得相应的/ 、 S,重复上迷步骤即可求得变动后排导槽水力最 佳断面的边坡深度h,和槽底深度h2。
本发明所述粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面设计方法，应用于重 度大于等于20KN/m3,粒径小于0.005mm的粘粒含量大于1 %的粘性泥石流的 防治。根据泥石流发生地现场地形特征与环境条件，当保护对象重要时，工程 中除使用本发明设计的斜墙v型排导槽外，还可以在泥石流流域中上游沟道内 布置3-5座拦砂坝工程和5-8道谷坊坝工程，与根据所述排导槽水力最佳断面设计方法设计的排导槽配合使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是能够合理确定斜墙V型排导槽水 力最佳断面的形状和尺寸，使斜墙V型排导槽具有最大泄流能力，而且计算方 法有效快速简便，适应实际工程需要。
图1是粘性泥石流斜墙V型排导槽水力最佳断面的横断面剖视图。
图2是粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面的俯视图。
图3是粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面的纵向剖视图。
图中标号如下
m、 侧墙边i皮系数
m2槽底横坡系数
In 斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度 h2 斜墙v型排导槽水力最佳断面的槽底深度 Ic 槽底纵比降
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。 实施例一
如图1、图2、图3所示。粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面的形状 和尺寸由排导槽特征尺寸，即斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度ln和斜
墙v型排导槽水力最佳断面的槽底深度h2的值确定。金沙江左岸一级支流黑水河，位于四川省会东县鲁吉乡热水村，距白鹤滩
水电站坝址上游约60km处。该沟流域面积29.5 km2,主沟长度11.62 km,流域 内最高点海拔为2973 m，沟口海拔675 m，相对高差2298 m,主沟床平均比降 205%。。该沟为白鹤滩库区内典型的灾害性泥石流沟，历史上曾多次暴发泥石流， 曾对沟口的道3各、房屋等造成严重的危害。据调查，1987年该沟曾发生泥石流， 将位于沟口的一座大桥栏杆全部沖毁。
根据现场调查分析，该沟为粘性泥石流沟，粒径小于0.005mm的粘粒含量 为1.705%，泥石流重度为2.0t/m3,相应的体积比含砂浓度Cv=0.59。通过水文 计算，设计标准P2y。的泥石流流量Q-425mVs。经现场取样分析该沟的泥沙颗粒 组成，D5G = 25mm。为了减轻、消除泥石流灾害，拟在该流域的中上游主沟道 内布设5座拦砂坝、8道谷坊坝，在出山口后的沟口至金沙江之间布置1条排导 槽。根据出山口后下游堆积区的地形，排导槽的槽底纵比降Ic = 0.057,根据实 际条件，选择采用斜墙v型排导槽，侧墙边坡系数nn取为0.2，槽底横坡系数 m2取为6.0。下面设计斜墙v型排导槽水力最佳断面的尺寸。
首先将侧墙边坡系数m, = 0.2、槽底横坡系数m2 = 6.0代入①式中求得最 大泄流横断面时的水力最佳断面尺寸参量/ =6.196。将水力最佳断面尺寸参量
〃 =6.196、侧墙边坡系数mt-0.2、槽底横坡系数m2 = 6.0代入②式，求得水 力最佳断面特征参量S = 6.988。将S = 6.988及上述其它参数代入③式，求解得 到斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径R-2.3m。将/ 、 S、 R和m,、
ni2值代入④、 式，即可求得h,-4.021m, h2 = 0,649m。因此，可以得到该 沟斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度为4.021m,槽底深度为0.649m。实施例二
如图1、图2、图3所示。先布冷沟为大渡河右岸的一级支沟，流域面积 15.25km2,主沟长8.64km，沟床平均纵比降214%。，流域相对高差2310m。该 沟为一条老泥石流沟，历史上曽多次发生泥石流灾害，数次冲毁民房、耕地， 淤埋公路和堵塞桥梁等，给当地人民群众的生命和财产安全造成严重危害。
根据现场调查分析，该沟泥石流为粘性，粒径小于0.005mm的粘粒含量为 2.107%，重度为2.10t/m3,相应的体积比含砂浓度Cv为0.65。通过水文计算， 设计标准P^的泥石流流量Q为177.30 m3/s，现场取样分析泥石流颗粒组成中 D50=35mm。为了减轻、消除泥石流灾害，拟在该流J或的中上游主沟道内布设3 座拦沙坝、5道谷坊坝，在出山口后的沟口至大渡河之间布置1条排导槽。根据 出山口后下游堆积区的实际地形条件，选择采用斜墙v型排导槽，排导槽的槽 底纵比降Ic-0.079,侧墙边坡系数rm取O.l，槽底横坡系数m2取为5.0。下面 设计斜墙v型排导槽水力最佳断面的尺寸。
首先将侧墙边坡系数m, = 0.1、槽底横坡系数m2 = 5.0代入①式中求得最 大泄流横断面时的水力最佳断面尺寸参量/ =4.533。将水力最佳断面尺寸参量
〃 =4.533、侧墙边坡系数m, =0.1、槽底横坡系数m2 = 5.0代入②式，求得水 力最佳断面特征参量S-7.117。将S-7.117及上述其它参数代入③式，求解得 到斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径R=1.531m。将- 、 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 到该沟斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度为2.470m,槽底深度为0.545m, 从而确定排导槽水力最佳断面形状和尺寸。
权利要求
1. 一种粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面设计方法，其特征在于所述水力最佳断面设计方法步骤如下(1)计算斜墙v型排导槽的水力最佳断面尺寸参量β，计算式如下式中m1—斜墙v型排导槽的侧墙边坡系数； m2—斜墙v型排导槽的槽底横坡系数，根据排导槽布置地实际地形特征取值；β—水力最佳断面尺寸参量；(2)计算斜墙v型排导槽的水力最佳断面特征参量S，计算式如下式中S—水力最佳断面特征参量； 其他符号同前面一致；(3)计算斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径R，计算式如下式中R—斜墙v型排导槽水力最佳断面相应的水力半径，单位m； Q—泥石流设计流量，单位m3/s，通过通用的调查或计算方法求得； Cv—泥石流体积比含砂浓度，通过野外调查确定； D50—颗粒级配曲线上50％颗粒较之为小的粒径，单位mm，通过实地取样分析确定； Ic—斜墙v型排导槽的槽底纵比降，根据实际具体地形情况确定； 其他符号同前面一致；(4)计算斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度h1和槽底深度h2，计算式如下式中h1—斜墙v型排导槽水力最佳断面的边坡深度，单位m； h2—斜墙v型排导槽水力最佳断面的槽底深度，单位m； 其他符号同前面一致。
2. 如权利要求1所述粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面设计方法，应用 于重度大于等于20KN/m3，粒径小于0.005mm的粘粒含量大于1 %的粘性 泥石流的防治。
3. 根据权利要求2所述粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面设计方法的应 用，其特征在于在泥石流流域中上游沟道内布置3-5座拦砂坝工程和5-8 道谷坊坝工程，与根据所述排导槽水力最佳断面设计方法设计的排导槽配合 使用。
全文摘要
本发明公开了一种粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面设计方法及其应用。针对现有技术中斜墙v型排导槽断面形态及尺寸多根据个人经验设计，无法确定水力最佳断面的缺陷，本发明提供一种粘性泥石流斜墙v型排导槽水力最佳断面设计方法。该方法首先计算排导槽水力最佳断面尺寸参量β；再计算水力最佳断面特征参量S；然后计算排导槽水力最佳断面相应的水力半径R；最后计算水力最佳断面的边坡深度h<sub>1</sub>和槽底深度h<sub>2</sub>。该方法适用于粘性泥石流的防治，且可与其他骨干型拦挡工程配合使用。与现有技术相比，本发明能够合理确定斜墙v型排导槽水力最佳断面的形状和尺寸，使其具有最大泄流能力，且计算方法有效快速简便，适应实际工程需要。
文档编号E02B3/10GK101435191SQ20081014779
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者柳金峰, 欧国强, 勇 游, 潘华利, 陈晓清 申请人:中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所