泥石流拦砂坝坝基扬压力计算方法与流程

本发明涉及一种泥石流拦砂坝坝基扬压力计算方法，特别是涉及一种基于坝前泥石流浆体细颗粒浓度计算扬压力折减系数的方法，属于测算技术、山地灾害防治领域。

背景技术

实体拦砂坝作为防治泥石流的关键工程，具有结构形式简单，耐久性好，拦挡效率高等优点，在泥石流治理工程中应用最广。实体拦砂坝防灾机理在于逐级拦挡减少泥石流流量和流速，且同时起到稳沟固坡，抬高侵蚀基准面的功效。在拦砂坝结构设计和稳定性计算中，涉及到一种重要的竖向荷载——扬压力，其本质是由于坝前水渗入坝基土中产生的竖直向上的浮托力。扬压力的存在减小了拦砂坝自重，降低了坝体稳定性和抗倾覆性，进而威胁到坝体安全。因此，如何确定扬压力的大小，选取合适的设计参数是拦砂坝设计和计算的重点。

借鉴于水工坝坝底扬压力的计算方法，根据扬压力沿坝基轴线呈线性分布的特点，一般按式1计算拦砂坝扬压力合力：

式中fy——扬压力合力，单位kn；

ky——坝踵处扬压力折减系数，为坝踵处扬压力与该处静水压力的比值；

δh——坝前坝后水头差，单位m；

b——拦砂坝基底宽(沿流线方向)，单位m；

γw——水的重度，n/m³，取10。

式(1)中折减系数ky是计算扬压力的关键参数。目前对于ky的取值一般凭经验取0～1，取值范围太大，且均未建立与某一因素的量化关系式，工程设计者无法根据具体条件计算ky的值，ky过大导致工程浪费，ky偏小导致稳定性不足。

实体拦砂坝工程设计时，一般考虑泥石流快速来临至满库过坝泥石流冲击为最危险工况，此时对于特定坝基土的情况下，扬压力的大小和变化主要受坝前来临泥石流水力扩散特性影响，而水力扩散特性又主要受泥石流性质控制。因此本发明提出一种针对不同性质泥石流来临时的坝基扬压力折减系数计算方法。该方法通过确定泥石流细颗粒含量百分比和密度，计算泥石流浆体细颗粒浓度并作为反映泥石流性质的指标参数，通过对36组不同性质泥石流进行模拟坝前沉积渗透实验获得泥石流浆体细颗粒浓度与扬压力折减系数的经验关系，最终得到扬压力折减系数的计算方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有关于拦砂坝扬压力计算的不足，提供一种扬压力折减系数计算方法，该方法能充分考虑坝前来临泥石流密度和细颗粒含量对坝基扬压力的影响，计算简便，所需参数少，能适用实际工程需要。

本发明提供了一种泥石流拦砂坝坝基扬压力计算方法，包括以下步骤：

步骤1，确定泥石流密度；

步骤2，确定细颗粒含量百分比；

步骤3，根据所述泥石流密度及细颗粒含量百分比确定泥石流浆体细颗粒浓度；

步骤4，根据所述泥石流浆体细颗粒浓度计算扬压力折减系数；

步骤5，根据下式计算扬压力合力：

式中，fy——扬压力合力，单位kn；ky——坝踵处的扬压力折减系数，为坝踵处扬压力与该处静水压力的比值；δh——坝前坝后水头差，单位m；b——拦砂坝基底宽(沿流线方向)，单位m；γw——水的重度，n/m³，取10。

优选地，所述泥石流密度通过现场调查或实地取样或相关规范确定。

优选地，所述细颗粒含量百分比为通过室内颗分实验确定的小于0.1mm以下细颗粒含量百分比。

优选地，所述泥石流浆体细颗粒浓度通过下式确定：

式中，cvf——泥石流中小于0.1mm以下细颗粒浓度；pf——泥石流中小于0.1mm以下颗粒含量百分比，可通过野外取样再进行室内颗分实验获得；cvt——泥石流固体颗粒浓度；

其中，式中，ρw——水的密度，单位g/cm³，取值1；ρm——泥石流密度，单位g/cm³，可通过野外实测得到；ρs——泥石流固体密度，单位g/cm³，一般取2.6～2.8g/cm³，经验值取2.65g/cm³。

优选地，所述扬压力折减系数由下式计算得到：

优选地，所述扬压力折减系数的计算公式基于多组不同密度和细颗粒含量泥石流坝前沉积渗透模拟和坝基扬压力测试实验，通过对模型实验结果进行数据拟合得到。

优选地，所述扬压力折减系数是泥石流来临最初的峰值扬压力折减系数。

优选地，常系数0.367为细颗粒浓度接近0时对应的扬压力折减系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了依据泥石流性质指标参数——浆体细颗粒浓度——计算峰值扬压力折减系数的方法，充分考虑了坝前来临泥石流密度和细颗粒含量对峰值扬压力的影响机制。相比于传统依靠人为主观经验选取扬压力折减系数，该方法具有更科学的测算原理，且计算形式简单，参数获取容易，具有更高的工程实用价值。

附图说明

图1是泥石流拦砂坝坝基扬压力作用示意图。

图2是坝前泥石流浆体细颗粒浓度cvf与峰值扬压力折减系数ky之间的关系图。

图中标号如下：

δh坝前坝后水头差ky坝踵处扬压力折减系数

b坝底宽fy扬压力合力

具体实施方式

本发明基于泥石流浆体细颗粒浓度估算扬压力折减系数的方法，用于计算不同密度和细颗粒含量泥石流作用在坝前时的坝底扬压力折减系数，依如下步骤实施：

步骤s1、前期数据获取

通过现场调查或实地取样或相关规范确定泥石流密度，通过室内颗分实验确定小于0.1mm以下细颗粒含量百分比；

步骤s2、通过相关规范计算泥石流浆体细颗粒浓度

式(2)中，cvf——泥石流中小于0.1mm以下细颗粒浓度；

pf——泥石流中小于0.1mm以下颗粒含量百分比，可通过野外取样再进行室内颗分实验获得；

cvt——泥石流固体颗粒浓度，根据式(3)计算:

式(3)中，ρw——水的密度，单位g/cm3，取值1；

ρm——泥石流密度，单位g/cm3，可通过野外实测得到；

ρs——泥石流固体密度，单位g/cm³，一般取2.6～2.8g/cm3，经验值取2.65g/cm³；

步骤s3、根据式(3)计算扬压力折减系数ky

由式(4)得到扬压力折减系数后再代入式(1)即可计算出扬压力合力。

本发明基于36组不同密度和细颗粒含量泥石流坝前沉积渗透模拟和坝基扬压力测试实验，通过对模型实验结果进行数据拟合，得到泥石流浆体细颗粒浓度cvf与坝基扬压力折减系数ky的经验关系式，适用于拦砂坝结构设计和计算中对扬压力取值的确定。

本发明方法的主要技术原理在于：

第一：泥石流在坝前来临后发生沉积固结，沉积过程中坝前水渗透到坝基产生扬压力。不同性质泥石流作用下扬压力的大小和变化过程差别很大，原因在于不同性质泥石流沉积过程中的孔隙水压力扩散强弱的差异。粘性泥石流水石一体沉积，内部水力扩散能力极弱，故产生的坝基扬压力很小；稀性泥石流水石分离沉积，内部水力扩散作用较强，产生的坝基扬压力较大。泥石流性质由稀变粘，扬压力值逐渐减小。为了具体衡量泥石流性质对扬压力的影响机制，需选取一个可以代表泥石流性质的指标参数。泥石流密度ρm和细颗粒含量pf(特别是小于0.1mm以下参与浆体溶液组成的粉粘土等细颗粒含量)是决定泥石流性质的关键因素，而细颗粒浆体浓度cvf又由这两者共同决定(见式2)，因此选取细颗粒浆体浓度cvf作为泥石流性质指标参数。cvf值越大代表泥石流浆体细颗粒浓度越高，泥石流性质越粘，坝前沉积后水力扩散作用越弱，因此扬压力值越小。

第二：泥石流来临后，伴随泥石流在坝前沉积过程，扬压力呈现出先快速增大至峰值而后逐渐减小最终消失的变化趋势，考虑泥石流来临最初扬压力最大，对坝体稳定性威胁最大，本发明所述扬压力折减系数取泥石流来临最初的峰值扬压力折减系数ky。峰值扬压力折减系数ky通过分析每组泥石流作用在坝前的扬压力变化曲线获取峰值扬压力换算而得。

第三：式(4)中常系数0.367为细颗粒浓度cvf接近0时对应的扬压力折减系数，与泥石流拦砂坝坝基土渗透性有关。拦砂坝通常修建在渗透性较强的松散沟道堆积层上，本发明实验采用强渗透性粗砂作为坝基土，其渗透系数为1.09×10-1cm/s，通过模型实验结果确定在坝前来流浆体细颗粒浓度为0时对应的扬压力折减系数0.367。

下面对本发明的优选实例作进一步的描述。

实施例一

将本发明应用于白龙江流域某泥石流沟拦砂坝稳定性计算的扬压力计算。

某泥石流沟为甘肃省白龙江流域的一级支沟，流域面积为12.47km²，主沟长度为7.84km，该沟曾多次爆发泥石流，造成沟口淤埋和堵河，带来较严重的经济损失和人员伤亡。为防治该沟泥石流，在主沟修建了多座泥石流拦砂坝，逐级拦挡泥石流减小流速流量，同时稳沟固坡。其中4号主坝海拔高度1220±5m，为一浆砌石重力式实体坝，该坝有效坝高7.6m，坝顶宽2m，迎水面坡比为1:0.6，背水面坡比为1:0，坝基土为渗透性良好的砂砾土。对所述泥石流拦砂坝坝基扬压力采用本发明计算方法进行计算，步骤如下：

(一)通过对该沟泥石流进行实地取样，确定泥石流密度为1.6g/cm³；

(二)对该沟泥石流原样进行室内颗分实验，确定0.1mm以下细颗粒含量百分比为5％；

(三)通过式(3)计算得到泥石流固体颗粒浓度为0.364；

(四)通过式(2)计算得到泥石流中小于0.1mm以下浆体细颗粒浓度为：

(五)通过式(4)计算得到扬压力折减系数ky：

(六)通过式(1)计算得到该坝单位宽度坝基所受扬压力合力fy：

由以上步骤计算得到坝体所受扬压力，加上坝体所受重力和其他水平荷载组合，可计算得到稳定性系数和抗倾覆系数等，最终判断坝体稳定性。

实施例二

将本发明应用于川藏沿线某泥石流沟拦砂坝结构设计中的扬压力计算。

某泥石流沟为川藏铁路沿线典型的特大型冰水泥石流沟，该沟流域面积25.41km²，主沟长7.9km，沟床平均坡降381‰，拟建川藏铁路从该沟通过。沟内曾爆发特大规模冰水泥石流，泥石流体运移至山外形成大规模堆积扇，阻断主河形成堰塞坝。现为治理该沟泥石流，防治泥石流堵河造成大规模灾害，拟在沟内修建数座拦砂坝拦挡泥石流。实体拦砂坝因其具有结构形式简单，耐久性好，拦挡效率高等优点，应用于该沟拦挡工程中可以充分拦挡泥石流，并起到减小泥石流流量和流速，稳沟固坡，抬高侵蚀基准面的功效。

现初步设计实体拦砂坝坝高10m，坝顶宽2m，迎水面坡比为1:0.6，背水面坡比为1:0，坝基土为渗透性良好的碎石角砾土，现针对拟建设拦砂坝按照本发明计算扬压力：

(一)通过对该沟泥石流进行实地取样，确定泥石流密度为1.7g/cm³；

(二)对该沟泥石流原样进行室内颗分实验，确定0.1mm以下细颗粒含量百分比为3％；

(三)通过式(3)计算得到泥石流固体颗粒浓度为0.424；

(四)通过式(2)计算得到泥石流中小于0.1mm以下浆体细颗粒浓度为：

(五)通过式(4)计算得到扬压力折减系数ky：

(六)通过式(1)计算得到拟建坝体单位宽度坝基所受扬压力合力fy：

通过以上步骤计算得到扬压力合力，可进一步计算得到稳定性系数，若安全系数过高，可对坝体尺寸进行调整，最终达到坝体结构最优化设计的目的。