梯级鱼脊型水石分离系统及设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种泥石流工程结构及工程设计方法，特别是设及一种梯级鱼脊型水 石分离结构及其设计方法，属于泥石流防治领域。
【背景技术】
[0002] 泥石流减灾工程结构在不断发展中，从传统的实体重力式拦砂巧到各式各样的透 水型拦砂巧，都是为了更好地对抗泥石流的危害。
[0003] 专利号为化201120352219. X，名称为"一种泥石流水石分离系统"的中国实用新型 专利公开了一种鱼脊型泥石流水石分离系统，该系统主要由引流巧、水石分离格栅、泄流槽 和停积场组成;进一步在专利号为化201310738319.X的专利中公开了该系统主要结构参数 的设计方法，包括水石分离格栅跨度B、水石分离格栅高度H、水石分离格栅长度L的确定方 法。然而，该系统还有两个关键的参数:肋梁间距也即设计分离粒径D和停积场容量V是没有 确定的，使得该结构的设计不完整。同时，根据传统工程经验，对于一条泥石流沟而言，需针 对流域不同的区段采取不同的措施组成有机的系统来减小泥石流的危害。而且，即使同一 种工程措施如拦砂巧，均是布置成多座形成系列来抵御泥石流的危害。单个的鱼脊型水石 分离系统分离能力与储存空间有限，限制了该结构的应用。因此亟需开发设计一种新型的 鱼脊型水石分离系统，W提高该结构的分离能力与储存空间。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有单个鱼脊型水石分离系统分离能力与储存空间有限的 问题，科学合理地布置多个鱼脊型水石分离结构形成梯级系统，更有效地减轻泥石流的危 害。
[0005] 为实现上述目的，本发明提出了一套梯级鱼脊型水石分离系统，所述梯级鱼脊型 水石分离系统，从上游至下游的泥石流沟床上分级布置n级鱼脊型水石分离结构，每一级均 包括引流巧、鱼脊型水石分离格栅、泄流槽及相应的停积场;在引流巧的背水面连接着鱼脊 型水石分离格栅，鱼脊型水石分离格栅横跨泥石流沟床两岸，前部顶端与引流巧的引流口 顶端紧接。
[0006] 上述引流巧优选为重力式实体拦砂巧。
[0007] 上述鱼脊型水石分离格栅可为双面鱼脊型或单面鱼脊型，双面鱼脊型格栅结构即 为前述谢涛专利(ZL201120352219.X，一种泥石流水石分离系统)所述;单面鱼脊型格栅结 构主要是考虑到沟道地形条件不允许的情况下或泥石流主流线偏向一侧时，则仅需布置单 面格栅结构即可；如图3所示，单面鱼脊型格栅结构从引流口开口的一端开始倾斜，仅设置 倾斜方向一侧停积场，其作用原理同双面鱼脊型格栅结构。
[000引上述梯级鱼脊型水石分离系统的主要参数有:梯级级数n，各级结构的设计分离粒 径Dw,各级结构对应的停积场容量Vw W及各级结构的其他结构参数如引流巧高度、格栅 跨度、格栅长度等，从上游至下游j分别取1，2,...，n。
[0009] 本发明还提供了上述梯级鱼脊型水石分离系统的设计方法，用于梯级鱼脊型水石 分离系统的设计，包括W下步骤：
[0010] (1)收集原始数据:现场调查，根据泥石流工程勘察和设计规范确定基本参数，可 分为两大类:一类是用于确定梯级鱼脊型水石分离系统的主要参数(n、Dw和Vu):包括需保 护的建筑结构类型及强度、一次冲出物质总量M、完整的物源颗粒级配，另一类是用于各级 结构的细部参数设计的基本参数:包括设计泥石流流量Qc、容重Pc、固体颗粒天然休止角W 及沟道宽度B'。
[0011] (2)设计物质分离率Po、级数n的确定
[0012] 设计物质分离率Po是梯级鱼脊型水石分离系统物质调控效果的控制性指标，其值 可根据设计泥石流规模、一次冲出物质总量和被保护对象来确定。根据水槽模拟实验，当n =3时，物质分离率可达50~80%，因此可W50%作为设计物质分离率Po的下限，对应的n可 初步取3~5;
[0013] (3)造成冲击力破坏的最小颗粒粒径Dmin的确定
[0014] 根据大块石冲击力与建筑物抗冲击能力计算来确定建筑物在一定条件下能抵抗 的最大块石冲击力，也即所需分离的造成冲击力破坏的最小颗粒粒径Dmin,具体如下：
[0015] 泥石流危害的建筑物一般为房屋建筑、桥梁W及拦砂巧结构本身，一般的房屋建 筑结构构件如柱、梁、桥梁的桥墳均可看作是简支梁或悬臂梁构件，拦砂巧巧体、房屋墙体 等则可简化为刚性墙体，则式1、式2分别为大块石对简支梁和悬臂梁的冲击力公式，式3为 大块石对刚性墙体的冲击力公式：
[0016] Fc=(48EJv2w/gLi3)i/2 式 1
[0017] Fc=(3EJv2w/gLi3)i/2 式 2 [001 引 Fc = kcma3/2 式 3
[0021]其中，F。为泥石流大块石的冲击力，E为构件材料弹性模量(M化）；J为受力断面惯 性矩(m4) ;v为泥石流流速(m/s) ;W为大石块质量化g) ;g为重力加速度(m/s2)山为梁的计算 跨度(m)(悬臂梁时，Li为冲击点至固定端的距离；简支梁时，Li为梁长），k。为修正系数，取 0.1~0.2;ki、k2为与大块石和拦砂巧材料相关的系数;式中的m和a为式3的中间变量(周必 凡，1991)。将公式中大块石的质量W按等效球体计算，可W得出冲击力计算公式中含有块石 直径d的表达式，其中，等效球体的计算公式如式6所示：
[002；3] 式6中，Ps为块石密度，单位为g/cm3，取2.65~2.75g/cm3。
[0024]不同构件在冲击力作用下产生不同的破坏模式(如弯曲破坏、剪切破坏、冲切破坏 等），分析不同破坏模式下力的极限平衡条件(见参考文献4)，可W得出在不同速度条件下 构件可承受的最大块石粒径的冲击；
[0025] 蒋家沟泥石流是目前观测时间最长和观测统计资料最完整的泥石流，根据蒋家沟 泥石流流速观测资料显示，泥石流流速大多时候小于lOm/s，因此对其他泥石流进行处理 时，参考蒋家沟泥石流的流速数据，可取流速为lOm/s时对应的块石粒径作为界限粒径，也 即系统必须分离出去的有害大块石的最小粒径Dmin;
[0026] (4)其他设计分离粒径D(j)的确定
[0027] 根据物源颗粒级配取值，具体做法如下：
[00%]首先通过现场调查，获得泥石流沟完整的颗粒级配分布资料，颗粒粒径分段如下： 对于粒径d<60mm的粒径，根据《±工试验方法标准》筛分实验标准粒径(60、40、20、10、5、 2mm)分级（最小可只分到2mm，因研究表明，2mm可作为粗颗粒与细颗粒的分界粒径，本发明 主要关注对粗颗粒的分离）；对于60含cKSOOmm的粒径，参照《铁路桥涵低级和基础设计规 范》对±的颗粒分类标准（参见表1);粒径d含800mm的大块石，可进一步按整数分如1000、 2000、3000mm等分类;D(j)从运些分界粒径中取值，最后一级结构的分离粒径D(n)含Dmin; [0029]表1《铁路桥涵低级和基础设计规范》±颗粒分类标准
[0031] (5)梯级系统物质总分离率P(n)及各级停积场容量Vw的确定
[0032] 此步骤检验初步设计取值的n和D(j)的合理性。如果P(n)<<P〇,或V(j)的计算值与现 场地形条件不符，则调整n的取值或设计分离粒径Dw的取值，直至P(n)接近或达到设计物 质分离率Pd,各级停级场Vw满足设计需求和场地条件。方法如下：
[0033] 定义P(j)为前j级结构的物质分离率，即前j级水石分离结构分离出的物质总量占 泥石流一次冲出物质总量M的百分比，贝化(n)为n级鱼脊型水石分离系统的物质总分离率； Vw为第j级停积场的容量；
[0034] P(j)与物源颗粒级配、水石分离粒径组合之间的关系如式7所示：
[0036]式7中:Dw为第j级结构的设计分离粒径;iw为物源颗粒粒径组成中小于Dw的物 质占总物质的累计百分比；daveW为物源颗粒组成中小于Dw的颗粒加权平均粒径，具体计 算方法为：
[0038]其中：荒表示按上述标准对物源颗粒粒径段进行划分，小于Dw的每个粒径段的算 数平均粒径值，如40~20mm粒径段，则卒=(40 + 20Y2 = 30min ;最小粒径段取该粒径段上限 值，如最小粒径段为<1111111，则取^ = Imm ;f康示上述粒径段占物源总量的比例；
[0039] Vw的计算公式如式9所示：
[0040] V(j) = [P(j)-P(j-l)]XM，（j = l，2，...，n)式 9
[0041] 其中，P(j)为分离率，通常用百分比表示，但在式9中，W小数的形式代入计算，如P (j) =80%，则在式9中按0.8计算;P(O)=Od
[0042] (6)确定了分级数n、各级分离粒径D(j)和各级停积场容量V(j)之后，可对每级鱼脊 型水石分离结构进行细部设计，包括引流巧高度H、格栅跨度B、格栅长度L等主要结构参数 的确定，具体可参照专利化201310738319.X。
[0043] 与现有的其他方法相比，本发明通过科学合理地布置多个鱼脊型水石分离结构形 成梯级系统，逐步将泥石流中具有破坏力的大颗粒分离出来，使泥石流转化成含沙水流，逐 级减轻泥石流的危害，从经济上和减灾效果上达到最优。
[0044] 参考文献；
[0045] [ 1 ]中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所.一种泥石流水石分离系统：中 国，21201120352219.乂[口]..
[0046] [2]中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所.鱼脊型水石分离系统设计方 法：中国，ZL201310738319.X[P].2015-07-08.