山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝及其建造方法

1.本发明涉及泥石流减灾工程技术领域，尤其涉及一种山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝及其建造方法。


背景技术：

2.泥石流（debris flow）是山区灾害的主要类型之一。泥石流对公路、桥梁、房屋以及防护结构等建筑物的破坏主要表现为固相颗粒的接触摩擦，缩短35-50%的使用寿命，降低建筑结构的安全性能。泥石流是由固-液两相流组成，固相为粗颗粒，液相为细颗粒和水组成，在泥石流运动过程中，固相体颗粒如巨砾、块石等与混凝土表面产生碰撞与滚动摩擦，是泥石流造成结构破坏的主要原因。因此，在源头将泥石流中的固相颗粒与液相体进行分离，不仅可以降低固相颗粒的冲刷磨蚀破坏效果，而且可以收集液相水实现其资源化利用。
3.泥石流松散体主要是由水、土和岩石等物质组成。西南山区地处偏远、地形陡峭，通过层层设计的格栅将泥石流中固相颗粒进行筛分、收集，用于灾害区域的灾后快速恢复重建的混凝土建筑材料是可能。因此，在认识灾后松散体资源化属性的基础上，将灾害治理与资源利用的思路结合起来，在降低泥石流冲击力之后，利用天然地形高差实现泥石流灾害体固相颗粒与液相水的分离、运输与再利用，不仅降低泥石流对城镇的危害，还可以实现泥石流体的资源化，造福于人类。
4.当前泥石流防治工程主要以预防、治理为主，主要以拦砂坝、格栅坝、排导槽、渡槽、沉砂池等拦挡、排导工程。普通格栅坝的应用也比较少，且目的主要以固液分离为主，未充分考虑地形因素，而且可以拦截过滤石块，但是石块的收集与利用很难，特别针对高陡山区。考虑到泥石流体的颗粒分布范围广，粒径分布从几厘米到几米的范围，并且伴随着泥浆的运动，急需一种可以在降低泥石流灾害，而且可以实现不同粒径颗粒分选与泥砂分离的山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝及其建造方法。


技术实现要素：

5.针对现有拦挡坝不能实现泥石流体不同粒径颗粒自动分选与收集的缺陷，本发明的目的在于提供一种山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝及其建造方法，降低泥石流灾害的影响。本发明将灾害治理与资源利用结合，实现泥石流灾害体中固相颗粒的分选收集与液相水资源化利用。
6.首先，本发明提供了一种山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝。
7.所述山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝，包括沿山区沟谷地形由上向下依次设置的拦石防护区域、固相颗粒分选区域、固液分离汇集区域、颗粒与水再利用区域；所述颗粒与水再利用区域包括颗粒收集池和集水池；用于将泥石流中的大粒径石块拦截的拦石防护区域、用于将泥石流中的中小粒径固相颗粒按照粒径分选的固相颗粒分选区域、用于将泥石流中泥砂和水分离的固液分离汇集区域、用于将分选的固态颗粒和水分别收集的颗粒
与水再利用区域沿泥石流流向依次设置；所述拦石防护区域的出水端、所述固液分离汇集区域的出水端分别通过排水管与所述集水池连接。
8.进一步地，所述拦石防护区域包括石笼拦挡结构和设置在石笼拦挡结构下游的拦石坝。
9.一种石笼拦挡结构，包括由绑扎铁丝捆绑成的石笼网和用于固定石笼网的石笼基座；所述石笼网中装入石块；所石笼基座设置有接引泥石流的石笼进水口和排出水的石笼出水口，所述石笼出水口通过排水管与所述集水池连接。
10.另一种石笼拦挡结构，包括由混凝土制成的框架和设置在框架中间的隔板；所述隔板将框架的中空部分分割成上层空腔、下层空腔；所述上层空腔填充有石块；所述框架、所述隔板均设置有渗水孔，从渗水孔排出的水通过排水管与所述集水池连接。
11.所述拦石坝包括坝体、拦石柱、钢丝网、支撑杆、钢丝绳、固定栓；所述坝体设置有供泥石流穿过的过流通道；所述支撑杆的下端与所述坝体的中下部铰接，所述支撑杆的上端离开所述坝体一段距离，并通过钢丝绳与安装在坝体上的固定栓连接；所述钢丝网套装在支撑杆，共同形成一个安装在过流通道下游端的网兜结构。
12.进一步地，所述固相颗粒分选区域包括多个颗粒分选结构和设置在颗粒分选结构下游的拦砂坝。所述颗粒分选结构包括均为倾斜设置的颗粒分选格栅、颗粒收集空腔和颗粒滑动收集槽；所述颗粒分选格栅位于所述颗粒收集空腔的上部。所述颗粒滑动收集槽位于所述颗粒收集空腔的外部，将分选后的颗粒从颗粒滑动收集槽输送到颗粒收集池。所述拦砂坝的中间设置多个排砂孔。
13.多个颗粒分选结构竖向叠合布置，或者多个颗粒分选结构呈阶梯状布置。
14.更进一步地，所述颗粒分选结构还设置有便于将分选出的颗粒从所述颗粒滑动收集槽输送到所述颗粒收集池的颗粒转移机构。所述颗粒转移机构包括多组传输单元和驱使传输单元工作的驱动装置。
15.进一步地，所述固液分离结构包括由混凝土基础和安装在混凝土基础中的固液分离格栅；所述混凝土基础的顶部设置有接引流体的固液分离进水口，所述混凝土基础的底部设置有排出水的固液分离出水孔；多个固液分离结构竖向叠合布置，或者多个固液分离结构呈阶梯状布置；按水的流向，前一个固液分离结构的固液分离出水孔与后一个固液分离结构的固液分离进水口连通，最后一个固液分离结构的固液分离出水孔作为固液分离出水口，且固液分离出水口通过排水管与所述集水池连接。
16.多个固液分离结构竖向叠合布置，或者多个固液分离结构呈阶梯状布置。
17.所述颗粒与水再利用区域中颗粒收集池、集水池分开布置，或者所述颗粒与水再利用区域中颗粒收集池、集水池竖向叠合布置且位于上部的颗粒收集池与位于下部的集水池竖向之间设置排水格栅。
18.更进一步地，所述排水格栅倾斜布置。
19.其次，基于上述山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝，本发明还提供了一种山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝的建造方法。
20.所述建造方法，包括以下步骤：步骤s1：根据山区沟谷的地形条件，判别是平缓山区还是高陡山区，选用对应的山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝的布置模式；
步骤s2：沿着沟谷由上游往下游，分段布置拦石防护区域、固相颗粒分选区域、固液分离汇集区域、颗粒与水再利用区域；步骤s3：在拦石防护区域建造石笼拦挡结构与拦石坝，石笼拦挡结构的出水口通过排水管与集水池的进水口连接起来，拦石坝的顶部和中间设置有拦石柱，中间外侧设置有钢丝网和支撑杆，通过钢丝绳与坝体上的固定栓连接起来；步骤s4：在固相颗粒分选区域建造多个依次设置的颗粒分选结构和拦砂坝，颗粒分选结构的上部设置带倾斜角度的颗粒分选格栅，在外侧设置颗粒滑动收集槽，颗粒滑动收集槽为倾斜设计，拦砂坝的中间设置多个排砂孔；步骤s5：在固液分离汇集区域建造固液分离结构和拦水坝，固液分离结构的上部设置固液分离格栅，最下层设置固液分离出水口，与排水管连接，拦水坝设置在固液分离结构的下游；步骤s6：在颗粒与水再利用区域建造颗粒收集池和集水池，颗粒收集池内设置排水格栅，集水池上设置进水口和出水口。
21.本发明的有益效果如下。
22.（1）本发明基于“拦石-筛选-除泥-集水”的思路，利用天然沟谷高差，从上游往下游依次布置拦石防护区域、固相颗粒分选区域、固液分离汇集区域、颗粒与水再利用区域，将泥石流颗粒由大到小分离，实现了泥石流减灾与灾害体的资源化的有机结合。
23.（2）本发明的多个颗粒分选结构与颗粒滑动收集槽采用带倾角设计，实现了不同粒径颗粒的自动收集与运输，在降低灾害的同时，实现了颗粒的自动分选功能，降低后期对灾害体筛分的财力物力，提升了灾害体自动收集与再利用效率。
24.（3）本发明采用逐级或者分层设计的固液分离结构，可以进行泥砂与水的自动分离，并通过拦砂坝将过滤的泥砂沉淀起来，降低泥砂运动对下游的冲刷破坏，有效降低灾害程度，保护了下游城镇、农田。
25.（4）本发明采用“拦石-拦砂-集水”的技术思路依次布置的各类型拦挡坝，从上游源头降低大粒径石块滚动过程中的破坏，在中游进行颗粒的分选与固液分离，降低泥砂与水的危害，在下游实现分选后的灾害体的资源化利用；并结合高陡与平缓地形分别设计了不同的布置方式，满足大多数山区地形的施工条件。
附图说明
26.图1为本发明中平缓山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝剖面结构示意图；图2为本发明中高陡山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝剖面结构示意图；图3为本发明中山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝结构纵向布置示意图；图4为本发明中石笼拦挡结构的第一种具体结构示意图；图5为泥石流经过图4所示的石笼拦挡结构的原理示意图；图6为本发明中石笼拦挡结构的第二种具体结构示意图；图7为泥石流经过图6所示的石笼拦挡结构的原理示意图；图8为本发明中拦石坝结构示意图；图9为泥石流经过图8所示的拦石坝结构时石块被拦截的示意图；图10为本发明中三个颗粒分选结构呈阶梯状布置的正向结构示意图；
图11为本发明中三个颗粒分选结构竖向叠合布置的正向结构示意图；图12为本发明中一个颗粒分选结构的左向结构示意图；图13为本发明中拦砂坝结构示意图；图14为本发明中三个固液分离结构呈阶梯状布置的正向结构示意图；图15为本发明中三个固液分离结构竖向叠合布置的正向结构示意图；图16为本发明拦水坝结构示意图；图17为本发明中与集水池分开而独立设置的颗粒收集池的结构示意图；图18为本发明中与颗粒收集池分开而独立设置的集水池的结构示意图；图19为本发明中颗粒收集池与集水池一体化设置时整体的正向结构示意图；图20为本发明中颗粒收集池与集水池一体化设置时整体的左向结构示意图。
27.图中，200、泥石流；1、石笼拦挡结构；1.1、绑扎铁丝；1.2、石笼基座；1.3、石笼进水口；1.4、石笼出水口；1.5、渗水孔；2、拦石坝；2.1、拦石柱；2.2、钢丝网；2.3、支撑杆；2.4、钢丝绳；2.5、固定栓；3、颗粒分选结构；3.1、颗粒分选格栅；3.2、颗粒收集空腔；3.3、颗粒滑动收集槽；3.4、颗粒转移机构；4、拦砂坝；4.1、排砂孔；5、固液分离结构；5.1、固液分离格栅；5.2、固液分离出水口；6、拦水坝；7、颗粒收集池；7.1、排水格栅；8、集水池；8.1、集水池进水口；8.2、集水池出水口；9、排水管；10、小粒径石块；11、泥砂颗粒；12、大粒径石块；13、泥石流的流向；14、水的流向；15、运输车；a、拦石防护区域；b、固相颗粒分选区域；c、固液分离汇集区域；d、颗粒与水再利用区域。
具体实施方式
28.以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再做进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段作出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
29.实施例1：本实施例提供了一种山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝，包括拦石防护区域a、固相颗粒分选区域b、固液分离汇集区域c、颗粒与水再利用区域d。
30.如图1所示是一种典型的山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝结构；比较适用于平缓的山区沟谷地形环境。
31.如图2所示是另一种典型的山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝结构；比较适用于高陡的山区沟谷地形环境。
32.一、拦石防护区域a用于拦石减灾的拦石防护区域a，包括石笼拦挡结构1、拦石坝2。所述石笼拦挡结构1、所述拦石坝2的主要目的是拦截泥石流200中大粒径石块12，减少泥石流200灾害的危害性。
33.所述石笼拦挡结构1有两种典型结构。
34.第一种石笼拦挡结构1结构：如图4所示，所述石笼拦挡结构1包括石笼网和石笼基座1.2；装入石块并通过绑扎铁丝1.1固定成立方体形的石笼网固定在石笼基座1.2上。所述石笼基座1.2设置有石笼进水口1.3和石笼出水口1.4。如图5所示的泥石流的流向13和水的流向14，泥石流200从石笼进水口1.3流入石笼拦挡结构1结构，经过放入石块的石笼网时，固相的大粒径石块12被石笼网拦截，降低泥石流200危害，而夹杂了小粒径石块10、泥砂颗粒11的液相的水可以从石笼网穿过并流向固相颗粒分选区域b，同时经石笼拦挡结构1过滤后部分水从石笼出水口1.4经排水管9汇集到颗粒与水再利用区域d的集水池8中。此处，绑扎铁丝1.1也可以用钢丝代替。
35.第二种石笼拦挡结构1结构：如图6所示，所述石笼拦挡结构1包括混凝土制成的框架和设置在框架中间的隔板。所述隔板将框架的中空部分分割成上层空腔、下层空腔；所述上层空腔填充有石块；所述框架、所述隔板均设置有渗水孔1.5。如图7所示的泥石流的流向13和水的流向14，泥石流200从上游流入框架，经过填充石块的上层空腔时，固相的大粒径石块12被石笼网拦截，降低泥石流200危害，而液相的夹杂了小粒径石块10、泥砂颗粒11的水可以从框架穿过并流向固相颗粒分选区域b，同时框架过滤后部分水从渗水孔1.5渗出，经排水管9汇集到颗粒与水再利用区域d的集水池8中。
36.如图8、图9所示，所述拦石坝2包括坝体、拦石柱2.1、钢丝网2.2、支撑杆2.3、钢丝绳2.4、固定栓2.5。所述坝体设置有供泥石流200穿过的过流通道；所述拦石坝2的顶部和中间设置有拦石柱2.1，作用都是拦截小粒径石块10。沿泥石流的流向13或者水的流向14，拦石坝2位于靠近固相颗粒分选区域b的一侧安装网兜结构。所述网兜结构主要由套装钢丝网2.2的支撑杆2.3组成。所述支撑杆2.3的下端与所述坝体的中下部铰接，所述支撑杆2.3的上端离开所述坝体一段距离，并通过钢丝绳2.4与安装在坝体上的固定栓2.5连接。所述拦石坝2的目的与所述石笼拦挡结构1一样，主要是拦截大粒径石块12，小粒径石块10和泥砂颗粒11可以通过拦石坝2上的钢丝网2.2，落入下游的固相颗粒分选区域b。
37.二、固相颗粒分选区域b所述固相颗粒分选区域b包括多个颗粒分选结构3和拦砂坝4。
38.如图3、图12所示，所述颗粒分选结构3包括均为倾斜设置的颗粒分选格栅3.1、颗粒收集空腔3.2和颗粒滑动收集槽3.3；所述颗粒分选格栅3.1位于所述颗粒收集空腔3.2的上部。如图3所示，所述颗粒滑动收集槽3.3位于所述颗粒收集空腔3.2的外部，将分选后的颗粒从颗粒滑动收集槽3.3输送到颗粒与水再利用区域d的颗粒收集池7。
39.在平缓山区，多个颗粒分选结构3呈阶梯状布置，如图10所示，上一排颗粒分选结构3的底部与下一排颗粒分选结构3的顶部对接，且竖向上多排颗粒分选结构3错位形成阶梯状。在高陡山区，多个颗粒分选结构3竖向叠合布置，如图11所示，上一排颗粒分选结构3和下一排颗粒分选结构3在竖向上层次叠加排列。
40.更进一步地，如图3、如图12所示，所述颗粒分选结构3还设置有便于将分选出的颗
粒从所述颗粒滑动收集槽3.3输送到所述颗粒收集池7的颗粒转移机构3.4。所述颗粒转移机构3.4包括多组传输单元和驱使传输单元工作的驱动装置。本实施例中颗粒转移机构3.4可以采用自动生产线的皮带传输线结构，本实施例仅采用现有的成熟的技术方案按传输路线需求进行布置即可，故不再赘述。
41.设置多个颗粒分选结构3，目的是通过层层设置的颗粒分选结构3将进入该区域的泥石流200中的固相颗粒按照粒径大小进行分选并收集，然后转移到下游的颗粒收集池7中，分级收集。
42.如图13所示，所述拦砂坝4的中间设置多个排砂孔4.1。拦砂坝4为普通拦砂坝4，中间设置的多个排砂孔4.1用于拦截大的块石并排出小粒径石块10、泥砂颗粒11等物质。
43.三、固液分离汇集区域c用于泥砂分离的固液分离汇集区域c包括多个固液分离结构5和拦水坝6。固液分离汇集区域c主要目的是将泥砂与水分离；水被收集再利用，泥砂被沉积在固液分离结构5内和拦水坝6的坝区。
44.如图14、图15所示，所述固液分离结构5包括由混凝土基础和安装在混凝土基础中的固液分离格栅5.1；所述混凝土基础的顶部设置有接引流体的固液分离进水口，所述混凝土基础的底部设置有排出水的固液分离出水孔；多个固液分离结构5竖向叠合布置，或者多个固液分离结构5呈阶梯状布置；按水的流向14，前一个固液分离结构5的固液分离出水孔与后一个固液分离结构5的固液分离进水口连通，最后一个固液分离结构5的固液分离出水孔作为固液分离出水口5.2，且固液分离出水口5.2通过排水管9与所述集水池8连接。
45.在平缓山区，三个固液分离结构5呈阶梯状布置，如图14所示。在高陡山区，三个固液分离结构5竖向叠合布置，如图15所示。此处多个固液分离结构5与多个颗粒分选结构3的设计思路相似。
46.四、颗粒与水再利用区域d如图1、图2所示，颗粒与水再利用区域d包括颗粒收集池7和集水池8。如图17所示，所述颗粒收集池7的目的是收集颗粒分选结构3输送过来的分选颗粒。如图18所示，所述集水池8的目的是收集石笼拦挡结构1和固液分离结构5过滤的水。分选的颗粒可以收集利用作为建筑材料，过滤的水可以用于灌溉等农业用水，实现灾害堆积体的自动化收集与循环利用。
47.如图1、图17、图18所示，在平缓山区，颗粒收集池7与集水池8可以分开布置，这种情况下，颗粒收集池7外侧设置排水格栅7.1，过滤到颗粒表面的水，集水池8上设置集水池进水口8.1和集水池出水口8.2。
48.如图2、图19、图20所示，在高陡山区，颗粒收集池7优选地布置在集水池8上部，排水格栅7.1设置在颗粒收集池7与集水池8之间。
49.进一步地，所述排水格栅7.1呈倾斜布置方式，有利于颗粒的滚动收集。
50.山区沟谷泥石流200发生的时候都是沿其地形自上而下运动，因此本实施例根据泥石流200运动特性及泥石流200中混合松散砂石的特性设计了固相颗粒分选格栅3.1坝。所述固相颗粒分选格栅3.1坝，沿泥石流的流向13，依次设置石笼拦挡结构1、拦石坝2、颗粒分选结构3、拦砂坝4、固液分离结构5、拦水坝6，将固液分离、将固相颗粒按粒径大小分级分离。如图3所示，分离的水汇入集水池8；分离的固相颗粒汇入颗粒收集池7，再由运输车15运
走，实现资源回收利用。
51.整个固相颗粒分选格栅3.1坝需要定期清理、维护，可以人工进行清理、维护，也可以借助自动化技术通过设备进行清理、维护。此内容不是本发明的改进点，故不再赘述。
52.实施例2：本实施例提供了一种建造实施例1所述山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝的方法，具体包括依次实施的步骤s1-步骤s6。
53.步骤s1：根据山区沟谷的地形条件，判别是平缓山区还是高陡山区，选用对应的山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝的布置模式。平缓山区时，选用如图1所示的山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝进行后续施工。高陡山区时，选用如图2所示的山区沟谷泥石流固相颗粒分选格栅坝进行后续施工。
54.步骤s2：沿着沟谷由上游往下游，分段布置拦石防护区域a、固相颗粒分选区域b、固液分离汇集区域c、颗粒与水再利用区域d。布置方式的主要思路如图1-图3所示。
55.步骤s3：在拦石防护区域a建造石笼拦挡结构1与拦石坝2，石笼拦挡结构1的出水口通过排水管9与集水池8的进水口连接起来，拦石坝2的顶部和中间设置有拦石柱2.1，中间外侧设置有钢丝网2.2和支撑杆2.3，通过钢丝绳2.4与坝体上的固定栓2.5连接起来。所述石笼拦挡结构1参考图4-图7的结构。所述拦石坝2参考图8、图9的结构。
56.步骤s4：在固相颗粒分选区域b建造多个依次设置的颗粒分选结构3和拦砂坝4，颗粒分选结构3的上部设置带倾斜角度的颗粒分选格栅3.1，在外侧设置颗粒滑动收集槽3.3，颗粒滑动收集槽3.3为倾斜设计，拦砂坝4的中间设置多个排砂孔4.1。所述颗粒分选结构3参考图10-图12的结构。所述拦砂坝4参考图13的结构。
57.步骤s5：在固液分离汇集区域c建造固液分离结构5和拦水坝6，固液分离结构5的上部设置固液分离格栅5.1，最下层设置固液分离出水口5.2，与排水管9连接，拦水坝6设置在固液分离结构5的下游。所述固液分离结构5参考图14、图15的结构。所述拦水坝6参考图16的结构。
58.步骤s6：在颗粒与水再利用区域d建造颗粒收集池7和集水池8，颗粒收集池7内设置排水格栅7.1，集水池8上设置进水口和出水口。所述颗粒与水再利用区域d参考图1、图2及图17-图20的结构。
59.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。