泥石流排导槽及其优化设计研究.doc

T HE CHIN ESE J OU RNAL O F GEOL O GICAL HAZARD AND CON TROLDec. 1997泥石流排导槽及其优化设计研究张开平(云南省东川市水电局 , 654100)提要 泥石流排导槽是泥石流治理的一项重要工程措施 , 使用几十年来 , 效果良好 , 一直在治理中起着举足轻重的作用 。本文采用理论推导结合实际数据分析 , 得出一些重要的设计公式 , 把原来需凭经 验确定的参数通过公式进行确定 , 同时对各类型结构排导槽的应用通过优化分析 , 建立优化模型 , 找出 其内在联系及适宜范围 , 为泥石流排导槽的设计及推广应用确定了科学依据 。关键词 排导槽 设计参数 优化设计泥石流排导槽一般是兴建于泥石流沟堆积区的人工泄洪或泥石流河道 。主要起到束流 、固定河道 、安全顺畅排泄洪水或泥石流的作用 , 进而保护堆积区的建筑设施 、居民及 农田等不遭受泥石流威胁和危害 。排导槽是泥石流治理中的一项重要工程措施 。目前已建成的各类不同结构的排导槽 ,虽不完善但均取得成功 , 本文拟对其设计进行分析 , 建立优化设计分析模式 , 以利更好地 开展今后的泥石流防治工作 。一 、排导槽类型及特点排导槽类型 , 按槽底结构分为肋坎槽和浆底槽两大类 。按槽的侧墙分为梯形槽和矩形 槽两类 , 以槽底形式分为平底槽和凹底槽 , 其中凹底槽又分为 “V ”底槽 、园底槽 、弧底 槽及复合槽四类形式 。以上各类槽型各有优缺点 。按各类结构水力分析 , 从排泄能力看 “V ”型底 , 园形底 及弧形底在其它条件相同情况下相差在 111 %以内 , 属同一类排泄能力槽型 ; 平底槽则相 差达 212 %1612 % , 排泄能力较差 。反之 , 从流速看则平底槽流速小 , 在纵坡大时平底 槽防磨能力较好 , 肋坎槽河床糙率大流速最小 , 因之防磨性能最佳 , 但排泄能力最差 。从施工难易程度来看肋坎槽 、平底槽容易施工 , “V ”型槽次之 , 弧底槽及园底槽施工难度大 。目前弧底槽及园底槽仅用作试验 , 未能推广应用 。槽的侧墙分为重力直墙式和 护坡斜墙式两类 , 设计边墙应视地形 、水文 、泥砂情况综合经济及技术比选而定 。直墙重 力式适合填方及弯道地段 , 施工容易 , 安全性高 ; 斜墙护坡式适合于挖方直线段 , 有投资 省的特点 , 但施工技术要求高 。作者简介 : 张开平 , 男 , 1966 年出生 , 工程师 。主要从事地质环境保护与地质灾害防治研究 。表 1 槽形与水力特征计算示例Calculatio n example of flume shapes and hydraulic characteristicsTab11( m)说明 : 11 槽形与水力特征 , 按槽宽 810 m , 过流断面 4010 m2 , 排导槽纵坡 100 , 用粘性泥石流流速公式作示例计算 。21V 型槽水力特征仅次于圆形槽而优于弓形与梯 ( 矩) 形 。但圆形与弓形槽均不易于施工 , 故不容易推广 。V 型槽水力条件既优于平底更便于施工 。注 : 本表引自王继康 “V”型槽防治泥石流二 、排导槽设计参数拟定11 排导槽设计净宽确定一定面积的泥石流流域 , 随着泥石流暴发的规模 、频率不同而形成不同宽度的相应河 槽 。日本学者池谷浩找出了相应的计算公式 B = aQb , 说明了冲刷槽宽与流量成正比关系 ,同时也反映了河床的自然流宽与流量成正相关关系 。笔者根据现已建成的泥石流排导槽宽 与设计流量的统计进行非线性分析得出 :B = 0165Q(1)河槽宽的取值范围为 0147Q B 0186Q , 通过上式可由推求的设计流量求得需建排导槽的速流宽度 。表 2 排导槽统计表Tab12Statistic table of diversio n flumes沟 域大桥河老干沟黑水河达德河石羊沟德茂沟黑山沟大水沟田坝干沟尼拉姑沟南线河蒋家沟Qe ( m3/ s)170111102197111 . 218 . 9143 . 216081 . 818 . 989 . 41429B ( m)1066125361063624序 号槽形槽底 横坡1m边墙 坡度1m槽底宽( m)水深( m)过水 断面( m2)湿周 X ( m)槽底槽身总深水深 系数h1h2H1尖底 V 形14108101100415051501100040101712462圆底 半圆形圆形108104100118751871106740101612863弧底 弓形弧形108101100413351330196940101710934平底 梯形平11810031485314850163440101718575平底 矩形平10810051005100019094010181000序 号槽形水力 半径 R按 R 计 算按 H 计 算R2/ 3VcQe流量 误差H2/ 3VcQe流量 误差( m)( m/ s)( m3/ s)( m)( m/ s)( m3/ s)1尖底 V 形213191175111034411201003112171306921001002圆底 半圆形2145611821114745818+ 010431251714069610+ 0100063弧底 弓形2134011761110944316+ 01000531051711068410- 0101104平底 梯形2124011711017743018- 0123621301414957916- 0116245平底 矩形2122211701017142814- 0102921921619267618- 0102221 排导槽设计泥深及侧墙净高确定排导槽的设计泥深目前没有直接的计算公式确定 , 是通过试算法求得 。在此进行直墙 式排导槽设计泥深分析 。据康志成泥石流流速计算式 :V = 1/ nB1/H #. I (2)c结合流量计算式 Q = BHV 及式 (1) 可推求出排导槽设计泥深 :H = ( nB / 0165) 016 ( Q/ I) 013 K(3)(4)K =016012016 (1 +)c断面为 “V”型槽时 :H = ( nB / 0165) 016 ( Q/ I) 013 K -(1/ 4)式中 : Io “V”型槽底横纵坡比降 。式 (3) 可通过四个基本特征参数直接推求而得泥深 , 不需进行繁杂的试算 ,B Io(5)为方便今后的计算对于 K 值列表于下进行直接查询 。式 ( 3) 中泥石流流量取值为设计流量时 ,则为泥深计算式 ; 取值为校核流量时则为侧墙高计算式 。表 3 K 值计算结果表Tab13Calculatio n result s of value K31 排导槽基础深确定“V”型槽及平底槽侧墙基础深一般与底板厚等同 , 取值在 014018 m 之间 , 主要根 据设计流速及流量而确定 , 流速或流量大则磨损严重 , 底板尺寸增大 , 反之则减少 。肋坎槽的门坎埋深可根据下式确定 :H = Q/ (BV) - h +H目前所做的工程一般情况下假设冲刷前水深与设计安全深等同对消 , H = Q/ (BV) = h泥(6)则取 :(7)即肋坎基础埋设深度与设计泥深等同 , 其取值范围大多在 115215 m 之间 。侧墙基础深经济又安全的方式是采用门坎上段侧墙为门坎的 深 , 门坎下段侧墙深与门坎深等同 , 则 其平均深为 / 门坎埋设深度 。三 、排导槽优化设计模型建立泥石流排导槽工程优化设计遵行如下原则 , 首先要求它能安全顺畅地排泄泥石流 , 其次为节省投资并具有施工技术简便的特点 。据此可得优化模型如下 :V Q校Vo Vp = 10 % V V mf ( x) = dmix00cH K113 t / m3114 t / m3115 t / m3116 t / m3117 t / m3118 t / m3215 t / m3114011561176210021302166216 t / m3113711541172119321192150217 t / m3113611501168118721102138式中 : 过流断面面积 ;Q校 泥石流校核流量 ;V 设计流速 ;Vo 起动流速 , Vo = 5dm ;Vp = 10 % 10 年一遇频率流速 , 据对现有排导槽泥砂淤积情况观察 , 大多在 5 10年一遇频率情况下造成淤积 ; V m 工程耐磨限速 (815 m/ s) ; dmix 河床质最大平均粒径 ;f ( x) 工程投资目标函数 。本模型由三个限制条件组成 , 对于一指定流域排导槽设计 , 在必备的参数确定后 , 根 据模型第一条件确定各排导槽类型的泥深 , 过流断面及流速 , 并按挡土墙工程校核稳定后得出工程结构 、单位投资等数值 , 并根据计算结果依次满足第二 、第三条件 , 最后确定最优排导工程结构进行设计 。根据各槽型特点可知道 “V”型槽适合于纵坡较小情况 , 其浆底及速流横坡可加大流 速 , 提高排泄能力 。肋坎槽适用纵坡较大情况 , 它可降低流速 、减轻磨蚀 , 延长工程寿命 。平底满浆槽则为 “V”型槽横坡为零的特殊点 , 属过渡槽型 。在此应特别指出的是在肋坎槽与平底槽之间还应存在着一种过渡槽型 , 即浆底消力槽和浆底与肋坎复合槽形式 。目前在治理中还未通过实践 , 希望在今后的泥石流治理中得以实践 , 拓宽治理方法线路 ,完善排导槽的结构类型 , 使泥石流治理工程 排导槽的设计做到投资节省 、工程安全 、排 泄良好的优化状态 , 在今后的治理中发挥更大的效益作用 。四 、设计实例东川市汪家箐流域泥石流治理排导槽工程 ,已知参数如下 : I = 10 % ; Q2 = 4314 m3 / s ; Q5 = 3717 m3 / s 为设计流量 ; Q10 = 2617 m3 / s 为 10 年一遇泥石流量 ; c 为泥石流容重取 值为 115 t / m3 ; dmix = 016018 m 。原初步设计为经省国土办批准实施项目 , 设计排导槽为肋坎槽 , 槽净宽 B = 4 m ; 净 高 H = 210 m , 基础深为 2 m 。11 排导槽设计根据本文前述的方法进行计算 。首先计算排导槽设计净宽 B = 0165Q = 3199 m4 m ; 因之设计净宽为 4 m 。据式 (3) 式 (4) 进行计算肋坎槽 、浆平底槽及 “V”型槽各参数如下 :设计为肋坎槽时取 nB = 0104 则泥深 H = 1187 m , 墙高 H = 1195 m ; V = 5104 m/ s ; Vp = 10 % = 3196 m/ s ;设计 为 浆 平 底 槽 时 取 nB = 01025 则 泥 深 H = 1141 m , 墙 高 H = 1147 m ; V =6168 m/ s ; Vp = 10 % = 5124 m/ s ;设计为 “V”型槽时取 I横 = 10 % , nB = 01025 则泥深 H = 1140 m , 墙高 H = 1146 m ;V = 6168 m/ s ; Vp = 10 % = 5135 m/ s 。同时通过 dmix 可推求得 Vo = 31874147 m/ s , 取侧墙顶 厚 为 015 m , 边 坡 为 1 012 , 浆 底 厚 015 m , 则 侧 墙 高 分 别 : 3182 m ; 1197 m ;1196 m 。21 污工量及投资计算在此取断面面积进行计算 , 肋板间距为 15 m , 其污工量平担到断面上进行计算 , 单 价拟按现行实际价格支砌毛石 120 元/ m3 , 砼 200 元/ m3 , 则得结果如下 :肋坎槽 X = 6172 (支) + 01497 (砼) ;ff f( x)( x) ( x)= 90518 元/ m= 73112 元/ m= 73018 元/ m浆平底槽 X = 2176 (支)“V”型槽 X = 2174 (支)31 结论分析+ 2 (砼) ;+ 2101 (砼) ;通过以上计算可看出三类槽型均满足模型第一条件 ; 从投资来看 “V ”型槽最省 , 浆平底槽次之 , 但相差不大 , 属同一范筹优化投资结构设计 , 肋坎槽投资最大 ; 从第二条件 流速来看 , 肋坎槽易造成淤积 , “V ”型槽及浆平底槽满足条件 , 从以上分析可得出旺家 箐排导槽设计以 “V”型槽最优 , 同时浆平底槽可作为后备设计方案 , 均为优化结构槽 型 , 可选 “V”型槽为设计方案进行设计 。参 考 文 献杜榕桓等 1 云南小江泥石流综合考察与防治规划研究 1 科学技术文献出版社重庆分社 11986 : 141161姚令侃 1 泥石流防治工程优化设计方法初探 1 中国地质灾害与防治学报 11995 ( 4) : 18 詹文安 1 城镇泥石流防治规划基本内容和方法初探 1 区域开发研究 11990 , 9 , 总第十五期 杨文科等 1 云南东川泥石流排导槽技术总结 1 云南滑坡泥石流防治研究 11994 , 1 : 19 , 第八卷 王继康等 1 “V”型槽防治泥石流 1 云南滑坡泥石流防治研究 11990 , 10 : 3541 , 第四卷1 2 3 4 5 STUDY O N D IVERSIO N FL UM E OF D EBRIS FLOWA ND ITS OPTIM IZATIO N D ESI GNZhang Kaiping( Don gch u a n Hy d roelect rici t y B u rea u of Y u n n a n Prov i nce , 654100)AbstractDiversio n