专利名称：一种消能排导兼顾的泥石流排导槽及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种泥石流防治技术，特别是涉及一种基于阶梯消能和凹槽排导的泥石流排导槽，及其在任意坡降和任意流体性质情况下的应用。
背景技术：
我国是一个多山的国家，山区的地形地质条件复杂，在一些极端气候条件下形成的山洪泥石流给当地人民的生产和生活带来了严重影响。因此，泥石流防治工作对于保障人民生命财产安全，促进社会经济发展具有重要意义。泥石流排导槽是泥石流防治工程中的一类重要工程，根据当地泥石流流通区的地形地貌条件并结合泥石流自身的特点，许多专家和学者提出了各种类型的排导槽结构。目前，泥石流排导槽常用的结构形式为东川槽(软基消能槽)和V型槽，但是这两种槽型在实际工程运用中存在明显的不足。东川槽是利用横向肋槛拦挡部分泥石流，通过泥石流与沟床物质之间的强烈搅拌、混掺，消去其大部分动能，从而降低泥石流下泄过程中的流速；但由于泥石流在向下游运动过程中，其能量得到了大部分的消减，流速逐渐降低，导致极有可能发生淤积，进而导致排导槽功能的失效；因此，东川槽存在排导不足、无法适用于坡降小于5%的缺陷。V型槽则采用全衬砌方式，降低了泥石流与槽底的摩擦阻力，有利于泥石流行进过程中的提速，使得泥石流能够顺利通过，所以槽内淤积的现象很少发生；但是由于缺少必要的消能设施，泥石流排导过程中流速不断增大，泥石流流体内的大颗粒对排导槽具有强烈的磨蚀作用，易于导致槽底的破坏失效；因此，V型槽存在消能不足、无法适用于坡降大于20%的缺陷。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于阶梯消能和凹槽排导、同时具有较高消能率和良好排导能力、消能排导兼顾的泥水流排导槽，及其在任意坡降、任意流体性质的泥石流防治中的应用。为实现上述目的，本发明的技术方案是本发明提出的一种消能排导兼顾的泥石流排导槽，包括全衬砌的排导槽底板及其两侧的排导槽侧墙。所述排导槽底板为若干级台阶连续相连构成的阶梯状，台阶上设有凹槽，凹槽在台阶顶面上的宽度沿泥石流流向逐渐变大，凹槽在台阶竖直面上的宽度从高向低逐渐变小，凹槽在台阶顶面上的最大宽度与凹槽在台阶竖直面上的最大宽度B重合。当泥石流流经本发明的排导槽时，在垂直方向上，由于存在台阶，泥石流流线出现巨大的调整，通过泥石流内部颗粒之间的相互作用及泥石流与槽底之间的相互作用，能够消去泥石流所具有的大部分能量；在流向方向上，由于台阶上设有凹槽，因此在同一级台阶上，不同位置处的泥石流具有不同的流速，泥石流内部存在明显的剪切运动，有助于泥石流能量的消减。同时，由于凹槽截去了台阶的部分甚至全部高度，凹槽内的泥石流能量消减有限，因此台阶上的凹槽可以防止泥石流在阶梯状槽底上的淤积。凹槽采用上宽下窄、沿泥石流流向前宽后窄的结构主要是为了防止泥石流中的大块石卡于凹槽内而影响泥石流的过流能力。每一级台阶上均设有一个凹槽。凹槽沿排导槽中心线对称。凹槽的形状优选为两种凹槽的横断面(即与台阶竖直面平行的所有平面)为梯形，凹槽在台阶顶面上呈梯形，凹槽在台阶竖直面上也呈梯形；或凹槽的横断面(即与台阶竖直面平行的所有平面)为三角形，凹槽在台阶顶面上呈三角形，凹槽在台阶竖直面上也呈三角形。当槽底坡降α大于10%时，凹槽的横断面为梯形，凹槽在台阶顶面上呈梯形；当槽底坡降α小于等于10%时，凹槽的横断面为三角形，凹槽在台阶顶面上呈三角形，此时凹槽是一个三棱锥，可以有效防止泥石流游积，提闻排导能力。当凹槽的横断面为梯形、凹槽在台阶顶面上呈梯形时，凹槽在台阶竖直面上的最大宽度B大于等于1/3排导槽宽度Btl、同时小于等于排导槽宽度Btl ;凹槽在台阶竖直面上的最小宽度bl大于等于1/4排导槽宽度Btl、同时小于排导槽宽度Btl ;凹槽在台阶顶面上的最小宽度b2等于凹槽在台阶竖直面上的最小宽度bl ;凹槽在台阶竖直面上的高度h大于等于1/2台阶高度H、同时小于等于台阶高度H ;凹槽在台阶顶面上的长度等于台阶长度L。当凹槽的横断面为三角形、凹槽在台阶顶面上呈三角形时，凹槽在台阶竖直面上的最大宽度B等于排导槽宽度Btl ;凹槽在台阶竖直面上的高度h等于台阶高度H ;凹槽在台阶顶面上的长度等于台阶长度L ;凹槽在台阶竖直面上的最小宽度bl和凹槽在台阶顶面上的最小宽度b2均为O。此时，台阶中心线不存在台阶，在重力作用下泥石流一直处于加速状态，可有效防止泥石流淤积。台阶顶面的坡降β大于等于0，同时小于槽底坡降a (即台阶顶面保持水平或存在小于槽底坡降a的较小倾角)。各级台阶顶角的连线与沟床床面平行。在上下游排导槽高差一定的情况下，可以通过调整单级台阶的长度和高度来控制排导槽的台阶数量，以提高消能率。台阶长度L和台阶高度H主要由槽底坡降a、泥石流流体性质、流体内颗粒物质的含量及颗粒大小等因素决定。由于两级台阶之间存在竖直落差，当流体内部存在粒径较大的固体颗粒(如漂石等)，应该对下一级台阶面进行加固处理，避免因大颗粒撞击台阶顶面造成的槽底破坏。本发明的消能排导兼顾的泥石流排导槽对于不同沟床比降条件下的粘性泥石流、稀性泥石流及高含砂水流等不同性质的流体，均具有良好的排导效果和较高的消能率；适用于任意坡降、任意流体性质的泥石流防治。所述任意流体性质的泥石流可以是含砂水流，或稀性泥石流，或粘性泥石流等。对于粘性较低(含砂水流或稀性泥石流)、槽底坡降较大(大于10%)的情况，可以适当减小台阶长度L和台阶高度H，增加台阶的数量，有助于泥石流能量的消减；同时，还应减小凹槽所占空间，采用横断面为梯形、在台阶顶面和台阶竖直面上均呈梯形的凹槽，充分发挥阶梯消能的优势，消减泥石流动能，降低泥石流流速，从而达到安全泄流的目的。而在粘性较高、沟床比降较小(小于等于10%)的情况下，通过增大台阶长度L和台阶高度H，减少台阶数量，同时增大凹槽空间，采用横断面为三角形、台阶顶面和台阶竖直面上均呈三角形的凹槽，充分发挥凹槽排导的优势，保证排导槽具有较高的泄流能力，有效地解决泥石流的淤积难题。与现有技术相比，本发明的有益效果是采用阶梯设计沿程消耗泥石流能量，同时采用凹槽设计助于泥石流的排导，使得本发明的泥石流排导槽既具有较高的效能率，又具
4有良好的排导能力；通过调节台阶高度和长度、调节凹槽大小和形状，使得本发明的泥石流排导槽可用于任意坡降、任意流体性质的泥石流防治。与东川槽相比，本发明采用阶梯消能形式，槽内无横向突起的肋槛，能够有效防止高速运动的泥石流对排导槽局部的冲击破坏；由于采用全衬砌底板,使得本发明具有良好的抗冲耐磨能力，使用寿命更加长久，同时确保了泥石流具有合理的流速，提高了排导槽的排导能力。与V型槽相比，本发明采用阶梯状设计，使得泥石流从上一级台阶跌落到下一级台阶时存在泥石流与台面之间相互摩擦、碰撞作用，能量得到部分消减，同时由于凹槽的设计使得同一级台阶上泥石流也存在流速差，从而增加了泥石流内部之间的相互摩擦、混掺，有助于能量的消减，而不像V型槽中泥石流那样一直处于加速状态。
图I是凹槽横断面为梯形、凹槽在台阶顶面上呈梯形时的泥石流排导槽俯视示意图。图2是图I中A-A的剖视示意图。图3是图I中C-C的剖视示意图，也即横断面示意图。图4是凹槽横断面为梯形、凹槽在台阶顶面上呈梯形时的泥石流排导槽立体示意图。图5是凹槽横断面为三角形、凹槽在台阶顶面上呈三角形时的泥石流排导槽俯视示意图。图6是图5中A-A的剖视示意图。图7是图5中C-C的剖视示意图，也即横断面示意图。图8是凹槽横断面为三角形、凹槽在台阶顶面上呈三角形时的泥石流排导槽立体示意图。图中标号如下I台阶2排导槽侧墙3凹槽B凹槽在台阶竖直面上的最大宽度B0排导槽宽度h凹槽在台阶竖直面上的高度H台阶高度bl凹槽在台阶竖直面上的最小宽度L台阶长度b2凹槽在台阶顶面上的最小宽度α槽底坡降β 台阶顶面的坡降
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I、图2、图3、图4所示。针对流域面积O. 5km2、容重为1700kg/m3、沟床比降为25% (即槽底坡降α等于25%)的稀性泥石流，在P2st的设计标准下，泥石流流量为20m3/s，拟沿该泥石流沟道修建消能排导兼顾的泥石流排导槽。排导槽起始端与末端的竖直高差为48. 0m，排导槽总长度为198.0m。其结构包括全衬砌的排导槽底板及其两侧的排导槽侧CN 102926356 A
书
明
说
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墙2，所述排导槽底板为40级台阶I连续相连构成的阶梯状，各级台阶I顶角的连线与沟床床面平行；每一级台阶I上均设有一个凹槽3，凹槽3沿排导槽中心线对称，凹槽3在台阶I顶面上的宽度沿泥石流流向逐渐变大，凹槽3在台阶I竖直面上的宽度从高向低逐渐变小，凹槽3在台阶I顶面上的最大宽度与凹槽3在台阶I竖直面上的最大宽度B重合。由于稀性泥石流粘性较低，在向下游运动过程中加速较快，所以流体本身具有较高的动能，当其到达下游防护区域时，会造成严重的破坏作用，所以要将泥石流的大部分能量消耗于排导槽内，故采用带梯形凹槽的阶梯排导槽。凹槽3的横断面为上大下小的倒梯形，凹槽3在台阶I顶面上呈沿泥石流流向前大后小的梯形；排导槽宽度Btl为2. Om,凹槽3在台阶I竖直面上的最大宽度B为I. 2m,凹槽3在台阶I竖直面上的最小宽度bl和凹槽3在台阶I顶面上的最小宽度b2均为O. 8m ;台阶I高度H为I. 2m,凹槽3在台阶I竖直面上的高度h为O. 6m ;台阶I长度L为4. 8m,凹槽3在台阶I顶面上的长度为4. 8m ;台阶I顶面的坡降β为O. I。实施例二如图1、图2、图3、图4所示。与实施例一相同的地方不再重复叙述，不同之处在于泥石流容重为1300kg/m3，为了增强泥石流体的紊动，进一步提高排导槽消能率，将实施例一中台阶I高度和长度减小，增加台阶I数量，排导槽底板为60级台阶I连续相连构成的阶梯状。台阶I高度H为O. 8m,凹槽3在台阶I竖直面上的高度h为O. 4m ;台阶I长度L为3. 2m，凹槽3在台阶I顶面上的长度为3. 2m ;台阶I顶面的坡降β为O。实施例三如图5、图6、图7、图8所示。针对流域面积3. 5km2、容重为2200kg/m3、沟床比降为8% (即槽底坡降α等于8%)的粘性泥石流，在P2st的设计标准下，泥石流流量为60m3/s，拟沿该泥石流沟道修建消能排导兼顾的泥石流排导槽。排导槽起始端与末端的竖直高差为48. 0m，排导槽总长度为602. Om。其结构包括全衬砌的排导槽底板及其两侧的排导槽侧墙2，所述排导槽底板为24级台阶I连续相连构成的阶梯状，各级台阶I顶角的连线与沟床床面平行；每一级台阶I上均设有一个凹槽3，凹槽3沿排导槽中心线对称，凹槽3在台阶I顶面上的宽度沿泥石流流向逐渐变大，凹槽3在台阶I竖直面上的宽度从高向低逐渐变小，凹槽3在台阶I顶面上的最大宽度与凹槽3在台阶I竖直面上的最大宽度B重合。由于排导槽槽底坡降α小于10%，为了防止泥石流在阶梯内淤积，故采用带三角形凹槽的阶梯排导槽，以减小阶梯状槽底对泥石流的滞流作用。凹槽3的横断面为上大下小的倒三角形，凹槽3在台阶I顶面上呈沿泥石流流向前大后小的三角形；排导槽宽度B。为4. Om,凹槽3在台阶I竖直面上的最大宽度B为4. Om ;台阶I高度H为2. Om,凹槽3在台阶I竖直面上的高度h为2. Om ;台阶I长度L为25. Om,凹槽3在台阶I顶面上的长度为25. Om ;台阶I顶面的坡降β为O。
权利要求
1.一种消能排导兼顾的泥石流排导槽，包括全衬砌的排导槽底板及其两侧的排导槽侧墙(2)，其特征在于所述排导槽底板为若干级台阶(I)连续相连构成的阶梯状，台阶(I)上设有凹槽(3)，凹槽(3)在台阶(I)顶面上的宽度沿泥石流流向逐渐变大，凹槽(3)在台阶(I)竖直面上的宽度从高向低逐渐变小，凹槽(3)在台阶(I)顶面上的最大宽度与凹槽(3)在台阶(I)竖直面上的最大宽度B重合。
2.根据权利要求I所述的消能排导兼顾的泥石流排导槽，其特征在于每一级台阶(I)上均设有一个凹槽(3)。
3.根据权利要求2所述的消能排导兼顾的泥石流排导槽，其特征在于凹槽(3)沿排导槽中心线对称。
4.根据权利要求I至3任一所述的消能排导兼顾的泥石流排导槽，其特征在于凹槽(3)的横断面为梯形，凹槽(3)在台阶(I)顶面上呈梯形；或凹槽(3)的横断面为三角形，凹槽(3)在台阶(I)顶面上呈三角形。
5.根据权利要求4所述的消能排导兼顾的泥石流排导槽，其特征在于当槽底坡降α大于10%时，凹槽(3)的横断面为梯形，凹槽(3)在台阶(I)顶面上呈梯形；当槽底坡降α小于等于10%时，凹槽(3)的横断面为三角形，凹槽(3)在台阶(I)顶面上呈三角形。
6.根据权利要求5所述的消能排导兼顾的泥石流排导槽，其特征在于当凹槽(3)的横断面为梯形、凹槽(3)在台阶(I)顶面上呈梯形时，凹槽(3)在台阶(I)竖直面上的最大宽度B大于等于1/3排导槽宽度Btl、同时小于等于排导槽宽度Btl ;凹槽(3)在台阶(I)竖直面上的最小宽度bl大于等于1/4排导槽宽度Btl、同时小于排导槽宽度Btl ;凹槽(3)在台阶(I)顶面上的最小宽度b2等于凹槽(3)在台阶(I)竖直面上的最小宽度bl ;凹槽(3)在台阶(I)竖直面上的高度h大于等于1/2台阶(I)高度H、同时小于等于台阶(I)高度H;凹槽(3)在台阶(I)顶面上的长度等于台阶(I)长度L。
7.根据权利要求5所述的消能排导兼顾的泥石流排导槽，其特征在于当凹槽(3)的横断面为三角形、凹槽(3)在台阶(I)顶面上呈三角形时，凹槽(3)在台阶(I)竖直面上的最大宽度B等于排导槽宽度Btl ;凹槽(3)在台阶(I)竖直面上的高度h等于台阶(I)高度H;凹槽(3)在台阶(I)顶面上的长度等于台阶(I)长度L。
8.根据权利要求I至3任一所述的消能排导兼顾的泥石流排导槽，其特征在于台阶(I)顶面的坡降β大于等于0，同时小于槽底坡降α ;各级台阶(I)顶角的连线与沟床床面平行。
9.如权利要求I所述的消能排导兼顾的泥石流排导槽的应用，其特征在于适用于任意坡降、任意流体性质的泥石流防治。
10.根据权利要求9所述的消能排导兼顾的泥石流排导槽的应用，其特征在于所述任意流体性质的泥石流为含砂水流，或稀性泥石流，或粘性泥石流。
全文摘要
本发明公开了一种消能排导兼顾的泥石流排导槽及其应用。所述排导槽包括全衬砌的排导槽底板及其两侧的排导槽侧墙，所述排导槽底板为若干级台阶连续相连构成的阶梯状，台阶上设有凹槽，凹槽在台阶顶面上的宽度沿泥石流流向逐渐变大，凹槽在台阶竖直面上的宽度从高向低逐渐变小，凹槽在台阶顶面上的最大宽度与凹槽在台阶竖直面上的最大宽度B重合。与现有技术相比，本发明采用阶梯设计沿程消耗泥石流能量，同时采用凹槽设计助于泥石流的排导，使得本发明的泥石流排导槽既具有较高的效能率，又具有良好的排导能力；通过调节台阶高度和长度、调节凹槽大小和形状，使得本发明的泥石流排导槽可用于任意坡降、任意流体性质的泥石流防治。
文档编号E02B5/00GK102926356SQ201210473570
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者陈华勇, 崔鹏, 周公旦, 朱兴华, 唐金波, 洪勇 申请人:中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所