格子坝拦挡粘性泥石流闭塞临界综合判断方法与流程

本发明涉及泥石流防治工程技术领域，特别涉及一种格子坝拦挡粘性泥石流闭塞临界综合判断方法。

背景技术：

泥石流工程措施是最有效的泥石流防治手段，它包括谷坊、拦砂坝、排导槽、渡槽、明硐等，其中拦砂坝是最常用的一种工程措施。按结构形式，拦砂坝可分为实体型拦砂坝和透水型拦砂坝两大类。而透水型拦砂坝排水性能优良，能在较短的时间内使泥石流体水土分离，且在非泥石流爆发时期，拦砂坝内部部分泥砂可被水流携带通过坝体缝隙，进而增加拦砂坝有效库容。可以说，透水型拦砂坝集拦排功能于一体，拦粗排细性能优良，因而日益受到广泛应用。

目前，我国对于透水型拦砂坝研究取得了一定进展，在汶川地震灾区逐渐修建了一些透水型拦砂坝，如窗口坝、缝隙坝、梁式格栅坝、格子坝等，其拦粗排细的性能，能有效减少泥石流中粗大颗粒，改善坝体受力条件，具有良好的结构强度和稳定性，同时削弱泥石流对于下游的冲击和破坏，相比实体型拦砂坝具有广阔的发展空间。

如图1所示，格子坝1属于透过型格栅坝的一种，其包括钢制作的平面格子坝和用钢管、组合钢构件制作的立体格子坝，以及预制钢筋混凝土构件制作的立体格子坝。在透过型拦砂坝中，格子坝又与其他透水型拦砂坝(如窗口坝、缝隙坝、梳齿坝)存在区别，其开口率一般较大。平面型格子坝相比梁式格栅坝增加有竖梁，整体为钢制结构，而相比于窗口坝其开口率更大；国内对格子坝拦挡粘性泥石流性能进行系统研究的较少。

《泥石流防治指南》中提到，格子坝可用于拦蓄含巨石、大漂砾的水石流、稀性泥石流和挟带大量推移质的高含沙洪水，也可布置在粘性泥石流与洪水相间出现的沟道；格子坝包括平面型与立体型，平面型格子坝主要用于沟道狭窄、坝体较低、泥石流规模和作用荷载均较小的情况，立体型格子坝则主要用于坝体较高、泥石流规模较大、作用荷载和格栅的空间尺寸较大的情况。可以说，格子坝应用于泥石流防治工程的适用范围较广。

格子坝与其他透水型拦砂坝相比，还有以下特点：其大部分构件可由工厂预制后装配，既缩短了工期，又保证了工程质量，节省材料，节约投资，有利于坝体维护管理。同时，对于西藏地区以及大部分位于山区的风景区，多含有漂木，格子坝对于减少漂木堵塞溃坝带来的次生危害，具有较好的防治效果。关于格子坝拦挡粘性泥石流闭塞临界综合判据公式，是格子坝设计开口间距的重要参考指标，是目前亟待解决的关键问题。

公开号为CN 103343526A，公开日为2013年10月9日的中国发明专利公开了一种窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法及其应用。该方法是仅针对窗口坝坝型，其判据仅考虑坝体开口参数对闭塞的影响，未考虑泥石流性质、沟道纵坡对坝体闭塞情况的影响；公开号为CN 106096216A，公开日为2016年11月9日的中国发明专利公开了一种梁式格栅坝闭塞表现判别方法、应用。该方法是仅针对梁式格栅坝坝型，其判据没有考虑沟道纵坡对闭塞的影响。以这两个专利为代表的现有技术，其判据公式主要是用于判断窗口坝、梁式格栅坝的闭塞类型，对于格子坝闭塞情况并不适用；而国外主要研究格子坝拦挡水石流，对于我国的粘性泥石流的闭塞情况研究较少。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种考虑泥石流体积浓度、泥石流特征粒径、格子坝开口间距和沟道纵坡的格子坝闭塞临界综合判据，为合理确定格子坝闭塞情况和格子坝开口间距设计提供依据，适应工程应用的需求。

本发明提供了一种格子坝拦挡粘性泥石流闭塞临界综合判断方法，包括：

步骤1，通过野外实地调查确定泥石流的容重γc，单位kN/m³，通过现场取样确定泥石流全粒径级配曲线从而得出特征粒径d95的取值，单位m；现场测量沟道的纵坡tanθ，选取实测或设计的格子坝开口间距b，单位m；

步骤2，根据下式计算格子坝闭塞临界综合判据F：

其中，Cv为泥石流体积浓度；b为格子坝开口间距，单位m；d95为泥石流特征粒径，即全粒径级配曲线中累积含量为95％对应的粒径值，单位m；tanθ为沟道纵坡，取值为0.10～0.25；γc为泥石流容重，单位kN/m³，取值为18～22；γw为泥石流中水的容重，单位kN/m³，取值10；γs为泥石流中固体颗粒的容重，单位kN/m³，取值26.5。

步骤3，如果F≤0.99，则判定格子坝为全闭塞类型；如果0.99<F≤2.92，则判定格子坝为半闭塞类型；如果F>2.92，则判定格子坝为未闭塞类型。

优选地，将所述方法应用于格子坝的闭塞情况预测、校核，以及指导格子坝开口间距的设计。

本发明综合考虑多因素影响，选取体积浓度、相对开口度、沟道纵坡等无量纲参数，结合室内水槽模型实验数据，给出格子坝闭塞临界综合判据公式，能够为合理确定格子坝闭塞情况和格子坝开口间距设计提供依据，可以进一步为实际工程应用提供依据。

附图说明

图1是格子坝结构示意图；

图2是泥石流全粒径级配曲线；

图3是格子坝闭塞临界判据实验值。

具体实施方式

本发明公开了一种格子坝拦挡粘性泥石流闭塞临界综合判据公式及其应用。该公式充分考虑粘性泥石流的体积浓度Cv、泥石流特征粒径d95、格子坝开口间距b、沟道纵坡tanθ等主要因素的影响，进而判断格子坝的闭塞情况；可用于格子坝闭塞情况的预测、校核以及格子坝开口间距的设计。

与现有技术相比，本发明综合考虑多因素影响，选取体积浓度、相对开口度、沟道纵坡等无量纲参数，消除尺寸效应，结合室内水槽模型实验数据，给出格子坝闭塞临界综合判据公式，能够为合理确定格子坝闭塞情况和格子坝开口间距设计提供依据，适应工程应用的需求。

实施例一

某泥石流沟位于白龙江流域陇南武都地区角弓镇年家村北部，其流域面积为2.54km²，主沟长度1.71km，相对高差为1451m，沟床纵坡比降22％。流域内滑坡、崩塌发育，坡积物及泥石流堆积物丰富，沟道内跌水坎发育，块石分布，极易爆发泥石流，严重威胁居住在泥石流堆积扇的村民以及房屋、农田，直接威胁人口达1180人，财产约8000万元，危害程度大。

通过野外实地调查，确定泥石流的容重为19.3kN/m³；现场取样，分析泥石流全粒径级配曲线(如图2所示)，得到特征粒径d95为1.0m；现场测量沟道纵坡为0.22；格子坝的开口间距为2.0m。

根据格子坝闭塞临界综合判据公式，确定Cv为0.56，b/d95为2.0，tanθ为0.22，带入公式得到判据F为1.57，预测格子坝为半闭塞状态。

实施例二

某泥石流沟位于白龙江流域陇南武都地区两水镇后坝村北侧，其流域面积为11.56km²，主沟长度5.97km，相对高差为998m，沟床纵坡比降17％。流域内岩体节理发育，土体松散、破碎，滑塌、崩塌十分发育，两侧支沟切割强烈,极利于降雨的迅速汇集,极易爆发泥石流，严重威胁着沟口居民生命、财产和212国道交通的安全。

通过野外实地调查，确定泥石流的容重为20.5kN/m³；现场取样，分析泥石流全粒径级配曲线(如图2所示)，得到特征粒径d95为1.0m；现场测量沟道纵坡为0.17；根据需要，设计格子坝为全闭塞状态，需要确定格子坝的开口间距设计值。

根据格子坝闭塞临界综合判据公式，需要格子坝为全闭塞状态，判据F需小于0.99，带入公式得到b/d95需小于1.93，即格子坝开口间距b需小于1.93m。综上，格子坝开口间距设计值取1.93m以下。