阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段长度测算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种适用于很大沟床纵比降泥石流沟的阶梯-深潭结构型泥石流排 导槽深潭段长度测算方法。
【背景技术】
[0002] 我国地质灾害多发，泥石流作为主要的山地灾害之一，给人民生命财产安全和生 产生活带来了严重影响，对山区经济发展也产生了一定的制约作用。尤其是"5. 12"汶川 Ms8. 0级大地震之后，震区泥石流活动因物源丰富、地形地貌条件优越，具有易堵溃、低临界 雨量、高频率、高容重等特点，震后有相当数量的泥石流活动集中在流域面积< 5km2、沟道 纵比降> 20%，甚至达50%的沟道或坡面上。这类多物源、大比降泥石流沟在形成条件上 与东川蒋家沟泥石流和成昆铁路沿线众多泥石流沟有着明显差异，目前常用的泥石流防治 工程技术已经不能满足当前泥石流工程治理需求。
[0003]针对沟床比降很大的泥石流沟，目前常用的全衬砌型泥石流排导槽（俗称V型槽） 和肋槛软基消能型泥石流排导槽（俗称东川槽）均不太适用。陈晓清等人以消能的观点为 指导思想，提出了一种适用于很大沟床纵比降泥石流沟的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽 (申请号201410001807. 7)，其中描述了"梯-潭"槽的结构特征，分析了"梯-潭"槽的排 导原理，但对关键参数一一深潭段长度的确定方法并未涉及。
[0004] 合理确定深潭段长度，能够确保泥石流龙头入射深潭内，从而控制流速，使能量有 效耗散，消能充分，同时避免龙头直接冲击下游阶梯段，使梯-潭系统长期运行。深潭段长 度的确定可以参考泥石流过坝后的抛射距离公式，但该公式是统计经验性公式，且考虑因 素较少；此外，阶梯-深潭结构型泥石流排导槽的阶梯段具有一定的纵坡，这也使得泥石流 过坝后的抛射距离公式无法适用。因此，目前尚未有能合理确定深潭段长度的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种阶梯-深潭型泥石流排导槽的 深潭段长度测算方法，该方法从流体在槽内的运动全过程出发，基于严格理论推导，并结合 试验考虑了泥石流性质对抛程的影响，能够合理确定阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段 长度，为该型排导槽设计提供依据，计算结果精度高，适应实际工程需要。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0007]本发明提出一种阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段长度测算方法，所述阶 梯-深潭型泥石流排导槽包括排导槽槽底及其两侧的排导槽侧墙，所述排导槽槽底包括若 干按一定间距设置的全衬砌的阶梯段和充填于上下游阶梯段之间的深潭段；所述阶梯段 包括位于上游的上端齿槛、位于下游的下端齿槛、及连接上端齿槛和下端齿槛的全衬砌底 板；所述深潭段包括钢索网箱体护底，设于钢索网箱体护底上方、紧贴下游阶梯段上端齿槛 的钢索网箱体缓冲层，以及设于侧墙、钢索网箱体护底、上游阶梯段下端齿槛和钢索网箱体 缓冲层包围空间内的块石；钢索网箱体护底和钢索网箱体缓冲层的结构均为钢索网包裹块 石；所述深潭段顶面与下游阶梯段的最高处平齐。
[0008] 本发明提出的阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段长度测算方法，其理论推导如 下：流体在阶梯-深潭型泥石流排导槽中的过流过程为进潭-跌落-旋滚-流深的跃起-出 潭，泥石流在槽中以反复"加速-减速"的方式运动，与之相适应流深则相应的"减少-增 加"，实现流体在槽内不冲不淤均衡排泄。
[0009] 从水在槽内的运动过程出发，对水在单潭内的运动过程进行深入分析，如说明书 附图1所示，由质点抛射理论，结合水力学挑射距离公式：
[0010]
[0011]
[0012] 对公式1和2分别积分，得：
[0013]vx-v〇cos0 〇=c!公式 3
[0014]vy-v〇sin0〇=gt+c2 公式 4
[0015] 公式3、4中，V。为水的入潭初速度，下同；0。为水的抛射角度，下同。由初始条件： t= 0 时，将vx=v(jcos0。、vy=vpin0。代入公式 3 和 4，得cc2= 0，则：
[0016]vx=v0cos9。公式 5
[0017]vy=v〇sin0 〇+gt公式 6
[0018] 根据运动学原理，同时代入公式5和6,得：
[0021] 对公式7和8分别积分，得：[0022] x=v〇tcos9 〇+c3 公式 9
[0019]
[0020]
[0023]
[0024] 由初始条件：t= 0时，x= 0,y= 0,代入公式9和10，得c3=c4= 0,则：
[0025]x=vQtcos9。公式 11
[0026]
[0027] 将公式11和12联合消去参数t，得：
[0028]
[0029] 取水的质心位置（即说明书附图1中0点位置），y= 0. 5hQ+H，此时，X=L。，代入 公式13,得：
[0030]
[0031] 公式14中，L。为水的抛程、单位m，h。为水的流深、单位m，H为阶梯段设计悬空高 度、单位m，v。为水的入潭初速度、单位m/s，0。为水的抛射角度、单位度，g为重力加速度、 单位m/s2。
[0032] 引入泥石流修正系数也，则L1=itL。，根据试验实测泥石流抛程，对水的抛程理论 推导值（公式14)进行考虑泥石流性质的修正；对于粘性泥石流，0. 55彡也彡0. 70 ;对于 稀性泥石流，0.70彡也彡0.88;容重越小，则也取值越大。
[0033] 又考虑泥深跃起段的完整底流消能长度，试验中一般为抛程的0.3-0. 6倍， 容重越小则取值越大，以满足有足够的长度发生泥深跃起。因此，潭长设计值为L= 边L0+(0? 3 ~0? 6)也L0= (1. 3 ~1. 6)也L0。
[0034] 本发明在上述理论分析与试验基础之上，提出了一种基于过流过程的阶梯-深潭 型泥石流排导槽深潭段长度测算方法。具体而言，阶梯-深潭型泥石流排导槽的深潭段长 度测算方法步骤如下：
[0035]( -）通过泥石流容重计算公式计算或实际取样实测容重，确定泥石流体容重 Y。，单位kN/m3;通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定排导槽设计纵比降i; 将排导槽设计纵比降i代入公式0 =arctani，确定泥石流抛射角度0，单位度；通过现场 调查，并结合工程实际情况，确定阶梯段设计悬空高度H、取值3-5m，排导槽设计宽度B、单 位m，及排导槽设计峰值流量Q、单位m3/s。对于粘性泥石流，H取较小值，对于稀性泥石流， H取较大值。排导槽设计宽度B按照2. 0~3. 0倍最大块石粒径并应考虑原沟道流通段、民 房挟持、桥涵等因素进彳丁确定。
[0036](二）选定排导槽材料，根据排导槽材料查表确定排导槽糙率n。，和容许流速、 单位m/s;将容许流速代入公式
确定泥石流过流泥深h。、单位m，式中，Q 为排导槽设计峰值流量、单位m3/s、由步骤（一）确定，B为排导槽设计宽度、单位m、由步骤 (一）确定。
[0037](三）针对稀性泥石流：通过公岁
，确定泥石流水力半径R。、单位m， 式中，B为排导槽设计宽度、单位m、由步骤（一）确定，h。为泥石流过流泥深、单位m、由步 骤（二）确定；根据公式1，确定泥石流泥沙修正系数!D。，式中，Y。为泥石流体容 重、单位kN/m3、由步骤（一）确定，泥石流固体物质容重、通过实际取样实测得到、单 位kN/m3,yw为水的容重、取值10kN/m3;将泥石流水力半径R。、泥石流泥沙修正系数也。代 入公式
商定泥石流断面平均流速v。、单位m/s，式中，丫"为泥石流 固体物质容重、通过实际取样实测得到、单位kN/m3,n。为排导槽糙率、由步骤（二）确定，i为排导槽设计纵比降、由步骤（一）确定。 1 - ?-
[0038] 针对粘性泥石流：通过公式Ve = -，确定泥石流断面平均流速v。、单位m/s， .% 式中，n。为排导槽糙率、由步骤（二）确定，h。为泥石流过流泥深、单位m、由步骤（二）确 定，i为排导槽设计纵比降、由步骤（一）确定。
[0039] (四）将步骤（二）中得到的容许流速v容与步骤（三）中得到的泥石流断面平均 流速V。进行对比，如果
、于2%，则继续进行步骤（五）；如男
^ 于等于2%，则将V。作为新的v§，重新进行步骤（二）一步骤（四）。
[0040] 步骤（二）-(四）为迭代修改断面，直至容许流速与泥石流断面平均流速V。相 差小于2%，则停止计算。
[0041] (五）通过以下公式确定深潭段长度L
[0042]
[0043] 式中，L一深潭段长度，单位m:L取整数，即先筧
[0044]
-1] ,然后向上取整；
[0045] A一计算参量，取值1. 3-1. 6 ;泥石流容重越小，取值越大；
[0046] 也一泥石流性质修正系数，对于稀性泥石流、也取值0. 70-0. 88,对于粘性泥石 流、也取值0? 55-0. 70 ;
[0047] V。一泥石流断面平均流速，单位m/s，由步骤（三）确定；
[0048] 0 -泥石流抛射角度，单位度，由步骤（一）确定；
[0049] g-重力加速度，取值9. 8m/s2;
[0050] h。一泥石流过流泥深，单位m，由步骤（二）确定；
[0051] H一阶梯段（1)设计悬空高度，单位m，由步骤（一）确定。
[0052] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于过流过程分析，通过严格理论推导， 并通过试验针对不同性质泥石流进行公式修正，得到了阶梯_深潭型泥石流排导槽深潭段 长度计算公式，计算结果可靠，计算结果精度高，适应实际工程需要，能使得龙头入射潭内， 流速得到控制，进而能量有效耗散，消能充分，避免龙头直接冲击下游阶梯段，使梯-潭系 统长期运行。
【附图说明】
[0053] 图1是水在阶梯-深潭型泥石流排导槽深潭段内的运动过程分析示意图。
[0054] 图2是阶梯-深潭型泥石流排导槽的纵剖面示意图。
[0055] 图中标号如下：
[0056] 1阶梯段 2深潭段
[0057] L。水的抛程 h。水的流深
[0058] H阶梯段设计悬空高度 V。水的入潭初速度
[0059] L深潭段长度 i排导槽设计纵比降
[0060] 0泥石流抛射角度 h。泥石流过流泥深
[0061] V。泥石流断面平均流速
【具体实施方式】
[0062] 下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。
[0063] 实施例一
[0064] 如图2所示。某泥石流沟位于四川九寨沟县新城区，是嘉陵江上游支流白水江左 岸的一条支沟。沟域面积：23. 41km2;主沟纵长：8. 20km;最高点高程：3643m;沟口高程： 1402m;相对高差：2200m;平均纵比降：131%。。该沟流域"口细肚宽"，上游沟域宽阔，往下逐