本发明属于泥石流灾害防治及水利工程领域，具体涉及一种自然清淤的泥石流拦砂坝及其应用。
背景技术
泥石流是山区常见的地质灾害，大量固体物质对沟道及主河地形形成强烈的改造，我国山区极端气候频现，特大规模的泥石流灾害爆发频率越来越高，防灾形势愈加严峻。因此，解决特大规模泥石流防治工程中防灾效益最大化及工程后期维护管理等难题是当前防灾工作中的关键问题。
拦砂坝是泥石流治理技术中应用最广泛的工程，具有拦蓄泥沙、调峰控流的作用，根据结构型式分为重力坝、桩林坝、开放式拦砂坝、潜坝等，然而，拦砂坝运行一定年限或经历一定规模的泥石流灾害后，会出现库区淤满以及库区泥沙在工程出现损毁时发生溃决产生二次灾害的可能性；同时，拦挡工程库区淤满后，失去拦沙效益，对后期的泥石流灾害难以起到控流作用。为了实现拦挡工程防灾效益的持续性，传统拦挡工程常需要在满库后开展清淤工作，经济投入较大，此外，如何处置超出设计年限的拦挡工程库区的泥沙也是现阶段防灾工程中的难题。因此现有拦挡技术对大规模、高频率的泥石流灾害治理具有较大的局限性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种自然清淤的泥石流拦砂坝及其应用，利用泥石流爆发间歇期的集中水流快速冲刷库区泥沙进行自然清淤，解决了现有泥石流拦挡坝满库后库区清淤难度大、财力物力投入大以及拦砂坝设计年限到达极限时库区泥沙处置的难题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种自然清淤的泥石流拦砂坝，包括主坝体以及位于主坝体背水面一侧的防冲辅助结构，所述主坝体由左右两侧的非溢流段和中间的溢流段组成，所述非溢流段采取混凝土浇筑方式一体成型，溢流段采用组装坝体的结构；所述防冲辅助结构为副坝与护坦的组合。
进一步的，所述拦砂坝的安全储备是传统整体式拦砂坝安全储备的1.2倍以上。
进一步的，所述主坝体的迎水面为台阶状，迎水面坝体坡度为1:0.75-1:1，背水面为垂直状。
进一步的，所述溢流段的宽度根据泥石流流量以及沟谷条件计算确定，当宽度不超过20米时，仅采用组装坝体的结构，当宽度超过20m时，采用桩结构对溢流段坝体进行分隔，以加强组装坝体的强度。
进一步的，所述组装坝体由数个预制构件采用卯榫结构拼接而成，所述预制构件包括长方体状主体，在主体一侧或者两侧设有连接部。
进一步的，所述预制构件的主体上设有锚固孔，所述预制构件的主体上设有锚固孔，在锚固孔内设有尺寸匹配的锚杆对组装坝体进行连接加固，锚固孔中布设套管，锚杆通过灌浆固定在套管中，锚杆的底端固定于非溢流段上，上端为锚固端；
所述预应力n采取以下公式计算
式中：n—锚杆预应力
τmax—计算剖面最大剪应力
a—混凝土预制构件连接处的接触面积。
进一步的，在溢流段的上表面设有增加坝体整体防冲刷能力的防冲钢板。
自然清淤的泥石流拦砂坝在清淤中的应用，首先在清淤作业前，根据泥沙动力学分析计算自然冲淤的最大粒径、冲刷深度，并计算库区堆积物可冲走的比例，确定清淤规模；其次，根据清淤规模拆卸掉溢流段匹配数量的预制构件，然后在库区开挖过流通道，再利用泥石流爆发间歇期的集中水流，快速冲刷库区泥沙进行自然清淤，清淤完成后重新安装拆卸下的预制构件，完成一道拦砂坝的清淤工作。
进一步的，所述清淤工作采取由上游往下游逐级清淤的顺序进行，且在最后一道拦砂坝未满库时开展，以最后一道拦砂坝作为预留安全储备；在拆卸预制构件前，在库区开挖沟槽或修建临时导流堤，采用束水攻沙的方式加速库区整体清淤速度。
进一步的，在拆卸组装坝体时，最下游的拦砂坝一次拆卸高度控制在总坝高的0.1-0.2倍范围内，其余拦砂坝一次拆卸高度控制在有效坝高的0.2-0.5倍范围内，拆卸后的缺口断面设计为v型，加速泥沙的冲刷；拆卸时，解开锚杆的锚固端，将预制构件拆卸下来，再取掉整体式锚杆结构，并在溢流段两侧施加临时锚杆，形成v型泄流口；待清淤完成后，将临时锚杆拆卸下来，将预制构件按照表面破坏程度重新组装，表面破坏严重的装载在中下部，而表面完好的预制构件则装载在拦砂坝过流面处。
本发明的有益效果：
本发明通过将溢流段拦砂坝建造成可装卸的组装式结构，方便利用泥石流间歇期的水流冲刷掉库区堆积的泥沙，解决了传统拦砂坝库区堆积满泥沙后投入大量人力财力进行低效清理的不足，同时，传统拦砂坝达到设计年限时，需要重新修建，成本很高，而利用本发明的可装卸式拦砂坝，当某些拦挡结构损坏时，方便更换新的预制构件，延长了拦砂坝运行周期、减少工程维护费用、减小环境扰动。
预制构件为标准件，方便更换使用以及拆卸作业。
在清淤时，利用溢流段的组装式结构的便捷性，容易形成v型泄流口，提高冲刷效率和清淤效果。
附图说明
图1是本发明拦砂坝组成部分平面示意图；
图2是本发明拦砂坝立面图；
图3是本发明拦砂坝剖面图；
图4是溢流段卯榫结构竖向连接示意图；
图5是四种结构的预制构件示意图；
图6是预制构件拼接示意图(含锚杆)；
图7是预制构件拼接示意图(不含锚杆)；
图中，1、预制构件，2、锚杆，3、护坦，4、副坝，5、钢板。
具体实施方式
实施例
以青林沟泥石流灾害治理为例，对该沟道实施了自动清淤治理。
陈家坝乡为汶川地震极重灾区，发育多处大规模泥石流灾害，如青林沟、张家沟、杨家沟等。青林沟位于都坝河右岸，流域汇水面积23.7km2，流域形态呈口袋形，主沟道全长6.8km，相对高差880m，平均纵比降142.3‰，平均坡度为6°。受地震影响，沟内发育特大规模滑坡，并形成了堰塞湖，后期遇到暴雨时，堰塞湖溃决口多次溃决，诱发多次特大规模泥石流灾害：2008年“9.24”总冲出量达80.5×104m3，2010年“8.13”总冲出量达160.5×104m3，2013年“7.9”总冲出量达135.5×104m3。目前，沟内采取传统拦砂坝工程进行治理，拦砂坝库区已经淤满，近年政府部门对于拦砂坝清库等后期维护工作投入大量资金和人力。
针对青林沟的拦砂坝运行情况，以现行勘查设计规范为依据，结合泥石流灾害特征参数(泥石流运动特征、沟谷洪峰流量及输沙能力、泥石流爆发频率、拦砂坝库容)和工程结构参数(拦砂坝坝高、拦砂坝稳定性、拦砂坝强度、拦砂坝溢流口尺寸)，设计了本发明的能够自然清淤的可装卸式泥石流拦砂坝。
具体结构为：主坝体的迎水面为台阶状，迎水面坝体坡度为1:0.75，背水面为垂直状，溢流段拦砂坝的宽度为60m，溢流口深2.5m，桩结构总长4m，坝顶宽度2.0m，有效坝高12m。溢流段利用桩结构分隔成3部分，分别长度20m，高12m，桩结构为悬臂桩，桩深24m，其中嵌固段12m，悬臂端12m，桩截面为2.0m*2.0m。立面上每排构件采取错层布置，如图1～3所示。所述溢流段坝体预制构件结构尺寸及数量见表1所示，预制构件的结构和组装形式如图4～7所示。
表1溢流段预制构件尺寸及数量
在组装时，对加固连接的纵向锚杆和横向锚杆均施加预应力76kn，之后采用本发明的拦砂坝进行拦砂运行，待库区填满泥沙后进行清淤作业。
在清淤作业前，首先根据泥沙动力学分析计算自然冲淤的最大粒径、冲刷深度，并计算库区堆积物可冲走的比例，确定清淤规模。青林沟泥石流堆积物最大粒径0.5m，d90＝0.27m，拦砂坝处最小单宽清水流量为2.5m3/s，因而绝大部分库区泥沙均可被冲刷。
然后，根据确定的清淤规模，在溢流段的顶部，拆卸下预算好数量的预制构件，其中，拆卸高度(h)＝清淤规模(v)/库区面积(s)，拆卸时，解开锚杆的锚固端，取掉整体式锚杆结构和顶面的防冲钢板，再将设计拆卸高度段的预制构件拆卸下来，并在拆卸段施加临时加固锚杆。拆卸宽度从上往下逐步缩减，形成类“v”字型泄流口。
随后使用小型挖掘机在库区开挖过流通道，之后等待水流对库区进行快速冲刷，清淤完成后，将临时锚杆拆卸下来，将预制构件和防冲钢板重新组装，预制构件按照表面破坏程度排列，表面破坏严重的装载在坝体中下部，而表面完好的预制构件则装载在拦砂坝过流面处。若出现严重损坏的预制构件，需及时替换新的构件。
此次自然清淤过程中，仅仅通过对拦砂坝体拆卸组装来实现库区的清理，与传统清淤手段相比，大大减小清淤工作中的装载、运输、弃渣堆砌等工作量，节约大量维护经费，同时可以有效控制拦砂坝坝体的结构强度，延长拦砂坝使用寿命。
本发明设计方法成熟，计算简单，施工简易且小型机械化，针对山区交通条件差、活跃期高、规模大的泥石流灾害具有很高的实用价值和经济价值，可广泛应用于各种山区沟谷型特大泥石流灾害治理，尤其是对具有爆发规模大、拦挡库容大等、主河泥沙输移能力较强特点的泥石流灾害治理具有较强适宜性。