阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段深度测算方法与流程

本发明涉及一种适用于很大沟床纵比降泥石流沟的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽深潭段深度测算方法，属于泥石流防治工程、建筑工程设计领域。

背景技术：

泥石流是山区特有的一种多相混合体在重力作用下的地表过程或突发性的灾害现象。我国山地面积广阔，地质构造复杂，在山区发育着许多泥石流沟，极大地威胁着山区人民的生产生活。尤其是“5.12”汶川ms8.0级大地震之后，震区泥石流活动因物源丰富、地形地貌条件优越，具有易堵溃、低临界雨量、高频率、高容重等特点，震后有相当数量的泥石流活动集中在流域面积＜5km²、沟道纵比降＞20％，甚至达50％的沟道或坡面上。这类多物源、大比降泥石流沟在形成条件上与东川蒋家沟泥石流和成昆铁路沿线众多泥石流沟有着明显差异，目前常用的泥石流防治工程技术已经不能满足当前泥石流工程治理需求。

针对沟床比降很大的泥石流沟，目前常用的全衬砌型泥石流排导槽(俗称v型槽)和肋槛软基消能型泥石流排导槽(俗称东川槽)均不太适用。陈晓清等人以消能的观点为指导思想，提出了一种适用于很大沟床纵比降泥石流沟的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽(申请号201410001807.7)，其中描述了“梯-潭”槽的结构特征，分析了“梯-潭”槽的排导原理，但对其结构特征关键参数的确定方法并未涉及。此后，李云等人又提出了阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降测算方法(申请号201510317601.x)和深潭段长度测算方法(申请号201510520560.4)，但对深潭段深度参数的确定均未涉及。

合理确定深潭段深度，能够充分利用梯-潭结构的强消能特性来减小泥石流对排导槽的冲击磨蚀破坏，保障其正常排导功能发挥，减少后期维护成本，延长其使用寿命。目前，针对梯-潭结构型泥石流排导槽深潭段深度的确定还没有科学可靠的设计方法，这也一定程度上限制和阻碍了该新型排导槽结构在实际工程中的推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段深度测算方法，该方法从泥石流在梯-潭结构中的运动过程出发，基于水跃理论推导，并结合试验验证，能够合理确定梯-潭结构型泥石流排导槽的深潭段深度，为梯-潭结构型泥石流排导槽的设计提供依据与参考。本发明方法原理可靠，计算过程科学简便，式中参数容易获取，计算结果精度高，特别适用于实际工程的需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段深度测算方法，所述阶梯-深潭型泥石流排导槽包括排导槽槽底及其两侧的排导槽侧墙，所述排导槽槽底包括若干按一定间距设置的全衬砌的阶梯段和充填于上下游阶梯段之间的深潭段。所述阶梯段包括位于上游的上端齿槛、位于下游的下端齿槛、及连接上端齿槛和下端齿槛的全衬砌底板；所述深潭段包括钢索网箱体护底，设于钢索网箱体护底上方、紧贴下游阶梯段上端齿槛的钢索网箱体缓冲层，以及设于侧墙、钢索网箱体护底、上游阶梯段下端齿槛和钢索网箱体缓冲层包围空间内的块石；钢索网箱体护底和钢索网箱体缓冲层的结构均为钢索网包裹块石。钢索网箱体缓冲层顶面与下游阶梯段的最高处平齐，块石顶面与钢索网箱体缓冲层顶面之间存在高差；所述阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段深度是指两个高度，即块石顶面与钢索网箱体缓冲层顶面之间的高差h和块石顶面与上游阶梯段最低处之间的高差h。

本发明提出的阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段深度测算方法，其理论推导如下：如说明书附图3所示，泥石流体在阶梯-深潭结构型排导槽中的运动过程为渐变流段(进潭)-跌落段-水跃段-渐变流段(出潭)。

从水流在排导槽中的运动出发，对水流在单个深潭内的水跃过程运动进行分析(如说明书附图4所示)，基于水跃理论，根据动量方程对跃前断面1-1`和跃后断面2-2`之间的水跃段沿水平方向有

ρq`(β2v`2-β1v`1)＝fp1-fp2-ff-fr公式一

公式一中，q`为水流流量；ρ为水流密度；v`1和v`2分别为水跃前、后断面处的水流平均流速；β1和β2分别为水跃前、后断面处的水流动量修正系数，可均取为1；fp1和fp2分别为水跃前、后断面上的动水总压力，fp1＝ρga`1h`c1，fp2＝ρga`2h`c2，ρ为水流密度，g为重力加速度，a`1和a`2分别表示水跃前、后断面的面积，h`c1和h`c2分别表示水跃前、后断面形心距水面的距离；ff为水跃中水流与槽璧接触面上的摩阻力，由于水跃段中的边界切应力较小，同时跃长不大，与fp1-fp2相比一般较小，可忽略不计；fr为钢索网箱体缓冲层的反击力，fr＝ρga`h`c0，ρ为水流密度，g为重力加速度，a`和h`c0分别表示块石顶面以上钢索网箱体缓冲层的面积和块石顶面以上钢索网箱体缓冲层形心距钢索网箱体缓冲层顶面的距离。

全过程流量不变，且流量与流速、流深等满足连续方程为排导槽宽度，h`1和h`2分别为水跃前、后断面处的平均流深，h`为排导水流时块石顶面与钢索网箱体缓冲层顶面之间的高差，其他参量同前，将q`＝v`1bh`1、q`＝v`2bh`2、a`1＝bh`1、a`2＝bh`2、a`＝bh`代入公式一中整理简化后可得，

又代入公式二可得，

对于跌落段，设水流进入梯-潭前流速为v`c、进入梯-潭前流深为h`c，当水流跌落至潭底时，垂向速度为0，则跃前流速为跃前流深代入公式三得，

公式四中，h`是排导水流时块石顶面与钢索网箱体缓冲层顶面之间的高差，其他参量同上。当阶梯-深潭型泥石流排导槽排导泥石流时，引入泥石流修正系数ξc，即

公式五中，h为排导泥石流时块石顶面与钢索网箱体缓冲层顶面之间的高差，根据试验实测数据，ξc一般可取1.0～2.0，ξc的取值主要受泥石流性质的影响，容重越大，其值越大，高含沙水流时可取值1.0，即可看作为一般水流。

又根据梯-潭结构型泥石流排导槽几何结构特征，可得块石顶面与上游阶梯段最低处之间的高差h计算式：

h＝(l+l)i0+h-li1公式六

本发明在上述理论分析的基础上，从泥石流在梯-潭结构中的运动过程出发，提出了一种梯-潭结构型泥石流排导槽深潭段深度的测算方法。具体而言，阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段深度(即块石顶面与钢索网箱体缓冲层顶面之间的高差h和块石顶面与上游阶梯段最低处之间的高差h)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和全衬砌底板设计纵比降i1；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定排导槽设计宽度b、单位m，阶梯段设计长度l、单位m，深潭段设计长度l、单位m，及排导槽设计流量q、单位m³/s。其中，排导槽设计宽度b与原沟道宽度收束比应在1/3以下，并应考虑泥石流中最大颗粒粒径、原沟道上游流通段以及下游桥涵等因素的影响进行综合确定排导槽宽度；深潭段设计长度l可根据李云等人提出的深潭段长度测算方法(申请号201510520560.4)进行确定，也可根据一般设计建议值确定，

取2～4m为宜。

(二)选定排导槽阶梯段材料，根据阶梯段材料确定排导槽阶梯段糙率n；通过泥石流容重计算公式计算或实际取样实测容重，确定泥石流体容重γc，单位t/m³；将排导槽阶梯段糙率n和泥石流体容重γc代入公式确定泥石流进入深潭段时的泥深hc、单位m，式中，q为排导槽设计流量、单位m³/s、由步骤(一)确定，为泥石流泥砂修正系数、通过《dz/t0239-3004泥石流灾害防治工程设计规范》中查表确定，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。

(三)通过现场调查，并结合工程实际情况，根据设计要求，确定泥石流跃出深潭段时的泥深h2、单位m；或，通过现场调查，并结合工程实际情况，根据设计要求，确定泥石流跃出深潭段时的流速v2、单位m/s，然后将泥石流跃出深潭段时的流速v2代入公式确定泥石流跃出深潭段时的泥深h2、单位m，式中，q为排导槽设计流量、单位m³/s、由步骤(一)确定，b为排导槽设计宽度、单位m、由步骤(一)确定。

(四)通过以下公式确定块石顶面与钢索网箱体缓冲层顶面之间的高差h

式中，h—块石顶面与钢索网箱体缓冲层顶面之间的高差，单位m；

ξc—修正系数，取值1.0-2.0；

q—排导槽设计流量，单位m³/s，由步骤(一)确定；

b—排导槽设计宽度，单位m，由步骤(一)确定；

hc—泥石流进入深潭段时的泥深，单位m，由步骤(二)确定；

i1—全衬砌底板设计纵比降，由步骤(一)确定；

h2—泥石流跃出深潭段时的泥深，单位m，由步骤(三)确定。

(五)通过以下公式确定块石顶面与上游阶梯段最低处之间的高差h

h＝(l+l)i0+h-li1

式中，h—块石顶面与上游阶梯段最低处之间的高差，单位m；

l—阶梯段设计长度，单位m，由步骤(一)确定；

l—深潭段设计长度，单位m，由步骤(一)确定；

i0—排导槽设计纵比降，由步骤(一)确定；

i1—全衬砌底板设计纵比降，由步骤(一)确定；

h—块石顶面与钢索网箱体缓冲层顶面之间的高差，单位m，由步骤(四)确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于水跃理论推导，并结合试验验证，得到了阶梯-深潭型泥石流排导槽深潭段深度计算公式，设计方法原理可靠，计算过程科学简便，式中参数容易获取，计算结果精度高，特别适用于实际工程的需要，能够充分利用梯-潭结构的强消能特性来减小泥石流对排导槽的冲击磨蚀破坏，保障其正常排导功能发挥，减少后期维护成本，延长其使用寿命，使该型排导槽在实际工程中更好地推广应用。

附图说明

图1是阶梯-深潭型泥石流排导槽的纵剖面示意图。

图2是阶梯-深潭型泥石流排导槽的俯视示意图。

图3是泥石流在阶梯-深潭型泥石流排导槽单个深潭段内的运动过程示意图。

图4是水流在单个深潭段内的水跃过程分析示意图。

图中标号如下：

1侧墙2阶梯段

3上端齿槛4下端齿槛

5全衬砌底板6钢索网箱体护底

7钢索网箱体缓冲层8块石

h块石顶面与钢索网箱体缓冲层顶面之间的高差

h块石顶面与上游阶梯段最低处之间的高差

i0排导槽设计纵比降i1全衬砌底板设计纵比降

l阶梯段设计长度l深潭段设计长度

b排导槽设计宽度

fp1水跃前断面上的动水总压力fp2水跃后断面上的动水总压力

ff水跃中水流与槽璧接触面上的摩阻力

fr钢索网箱体缓冲层的反击力

h`排导水流时块石顶面与钢索网箱体缓冲层顶面之间的高差

h`1水跃前断面处的平均流深

h`2水跃后断面处的平均流深

h`c1水跃前断面形心距水面的距离

h`c2水跃后断面形心距水面的距离

v`1水跃前断面处的水流平均流速

v`2水跃后断面处的水流平均流速

具体实施方式

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。某泥石流沟位于四川省汶川震区绵远河的一级支流左岸，是绵(竹)茂(县)公路交通干线沿线的一条活动频繁的泥石流沟。该沟流域面积约为1.36km²，主沟长度约2.59km，主沟沟床平均纵比降361‰，流域最高点海拔1987m，最低点海拔810m，相对海拔高差达1177m。沟内曾暴发大规模泥石流，堵断主河并淹没上游部分城镇和公路，造成严重的经济损失和人员伤亡。

为保证公路交通的正常运行和沿线城镇居民的生命财产安全，对泥石流沟拟建一系列的防治工程，其中包括位于泥石流堆积扇上拟建的一条长200m的阶梯-深潭型泥石流排导槽，设计标准为p＝5％(20年一遇)。所述阶梯-深潭型泥石流排导槽包括排导槽槽底及其两侧的排导槽侧墙1，所述排导槽槽底包括若干按一定间距设置的全衬砌的阶梯段2和充填于上下游阶梯段2之间的深潭段；阶梯段2包括位于上游的上端齿槛3、位于下游的下端齿槛4、及连接上端齿槛3和下端齿槛4的全衬砌底板5；所述深潭段包括钢索网箱体护底6，设于钢索网箱体护底6上方、紧贴下游阶梯段2上端齿槛3的钢索网箱体缓冲层7，以及设于侧墙1、钢索网箱体护底6、上游阶梯段2下端齿槛4和钢索网箱体缓冲层7包围空间内的块石8；钢索网箱体缓冲层7顶面与下游阶梯段2的最高处平齐，块石8顶面与钢索网箱体缓冲层7顶面之间存在高差，深潭段深度包括块石8顶面与钢索网箱体缓冲层7顶面之间的高差h和块石8顶面与上游阶梯段2最低处之间的高差h，阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段深度测算方法步骤如下：

第一步，通过现场调查实测，确定排导槽断面形态为矩形，排导槽设计纵比降i0为0.12，全衬砌底板5设计纵比降i1为0.09；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定排导槽设计宽度b为10m，阶梯段2设计长度l为12m，深潭段设计长度l为3m，20年一遇的排导槽设计流量q为60m³/s。

第二步，选定浆砌石作为排导槽阶梯段2材料，根据阶梯段2材料查表确定排导槽阶梯段2糙率n为0.032；通过野外调查实际取样实测容重，确定p＝5％(20年一遇)时泥石流体容重γc为2.0t/m³，属于粘性泥石流；通过《dz/t0239-3004泥石流灾害防治工程设计规范》中查表，确定泥石流泥砂修正系数为1.67，将排导槽阶梯段2糙率n、泥石流体容重γc和泥石流泥砂修正系数代入公式确定泥石流进入深潭段时的泥深hc为1.25m。

第三步，通过现场调查，并结合工程实际情况，根据设计要求，确定泥石流跃出深潭段时的泥深h2为1.50m。

第四步，根据泥石流体容重对修正系数ξc取值为1.90；通过公式确定块石8顶面与钢索网箱体缓冲层7顶面之间的高差h为0.51m。

第五步，通过公式h＝(l+l)i0+h-li1＝(3+12)×0.12+0.51-12×0.09，确定块石8顶面与上游阶梯段2最低处之间的高差h为1.23m。

综上所述，该泥石流沟拟建的阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计参数分别为：排导槽设计纵比降i0＝0.12，全衬砌底板5设计纵比降i1＝0.09，排导槽设计宽度b＝10m，排导槽长度200m，阶梯段2设计长度l＝12m，深潭段设计长度l＝3m，块石8顶面与钢索网箱体缓冲层7顶面之间的高差h＝0.51m，块石8顶面与上游阶梯段2最低处之间的高差h＝1.23m。

实施例二

如图1、图2、图3所示。某泥石流沟位于四川境内大渡河某支流右岸，是区域内一条活动较为频繁的暴雨诱发型泥石流沟，汶川地震后多次爆发泥石流灾害。该沟流域面积约为1.45km²，主沟长度约2.41km，主沟平均纵比降378‰。该泥石流沟的危险区主要分布在泥石流沟口城镇地区、公路交通干线等基础设施。

为了有效治理泥石流，减轻泥石流灾害，保护区域基础设施建设和当地居民的生命财产安全，拟在堆积扇上修建一条总长度为280m的阶梯-深潭型泥石流排导槽，设计标准为p＝5％(20年一遇)。所述阶梯-深潭型泥石流排导槽包括排导槽槽底及其两侧的排导槽侧墙1，所述排导槽槽底包括若干按一定间距设置的全衬砌的阶梯段2和充填于上下游阶梯段2之间的深潭段；阶梯段2包括位于上游的上端齿槛3、位于下游的下端齿槛4、及连接上端齿槛3和下端齿槛4的全衬砌底板5；所述深潭段包括钢索网箱体护底6，设于钢索网箱体护底6上方、紧贴下游阶梯段2上端齿槛3的钢索网箱体缓冲层7，以及设于侧墙1、钢索网箱体护底6、上游阶梯段2下端齿槛4和钢索网箱体缓冲层7包围空间内的块石8；钢索网箱体缓冲层7顶面与下游阶梯段2的最高处平齐，块石8顶面与钢索网箱体缓冲层7顶面之间存在高差，深潭段深度包括块石8顶面与钢索网箱体缓冲层7顶面之间的高差h和块石8顶面与上游阶梯段2最低处之间的高差h，阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段深度测算方法步骤如下：

第一步，通过大比例尺地形图测量计算，确定排导槽设计纵比降i0为0.20，全衬砌底板5设计纵比降i1为0.12；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定排导槽设计宽度b为8m，阶梯段2设计长度l为12m，深潭段设计长度l为3m，20年一遇的排导槽设计流量q为40m³/s。

第二步，选定c15混凝土作为排导槽阶梯段2材料，根据阶梯段2材料查表确定排导槽阶梯段2糙率n为0.018；通过野外调查实际取样实测容重，确定p＝5％时泥石流体容重γc为1.7t/m³；通过《dz/t0239-3004泥石流灾害防治工程设计规范》中查表，确定泥石流泥砂修正系数为0.778，将排导槽阶梯段2糙率n、泥石流体容重γc和泥石流泥砂修正系数代入公式确定泥石流进入深潭段时的泥深hc为1.71m。

第三步，通过现场调查，并结合工程实际情况，根据设计要求，确定泥石流跃出深潭段时的流速v2为3.33m/s，然后将泥石流跃出深潭段时的流速v2代入公式确定泥石流跃出深潭段时的泥深h2为1.50m。

第四步，根据泥石流体容重对修正系数ξc取值为1.50；通过公式确定块石8顶面与钢索网箱体缓冲层7顶面之间的高差h为0.76m。

第五步，通过公式h＝(l+l)i0+h-li1＝(3+12)×0.20+0.76-12×0.12，确定块石8顶面与上游阶梯段2最低处之间的高差h为2.32m。

综上所述，该泥石流沟拟建的阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计参数分别为：排导槽设计纵比降i0＝0.20，全衬砌底板5设计纵比降i1＝0.12，排导槽设计宽度b＝8m，排导槽长度280m，阶梯段2设计长度l＝12m，深潭段设计长度l＝3m，块石8顶面与钢索网箱体缓冲层7顶面之间的高差h＝0.76m，块石8顶面与上游阶梯段2最低处之间的高差h＝2.32m。