V型排导槽内泥石流流速横向分布探讨.docx

1、水文地质工程地质HYDROCEOLOCY&ENGINEERINGGEOLOGYV型排导槽内泥石流流速横向分布探讨王盘，徐林荣，苏志满，陈瞩飞，韩征(中南大学土木建筑学院，长沙410075)摘要：V型排导槽内泥石流流速的横向分布是一个与设计密切相连的非线性分布，直接关系到排导横横断面各位置泥石流冲击力、磨蚀力等特征参数的定量计算。但目前流速公式多针对矩形槽.规范中没有关于该流速横向分布相应条款，因而导致部分已建V型排导槽因磨蚀或淤积而防治失效。鉴于此，本文试图通过合理假设.推导出泥石流流速横向分布计算公式，并以在建稚(安)泸(沽)高速公路沿线的某沟泥石流防治为工程背景.验证其只有一定的适

2、用性，可供相关研究与设计参考。关键词：泥石流；流速；横向分布；V型排导槽；磨蚀；淤积中图分类号：P642.23文献标识码：A文章编号：1000-3665(2010)06*0112*04V型排导槽由王继康等专家在20世纪80年代成昆铁路沿线泥石流治理中立题，并进行了系统研究,90年代在云南泥石流治理中推广使用和发展。游勇对梯形、矩形、三角形排导槽断面进行了比较,推导出V型排导槽的最佳水利断面；陈晓清等通过工程考察对泥石流的两种排导槽(东川槽和V型槽)的设计、投资及运营现状进行了比较，分析总结rv型槽优缺点；在此基础上张开平建立了V型槽的优化模型"；张红兵在云南31条泥石流防治工程实践中

3、，泥石流排导槽突破了最小纵坡和最小曲线半径的理论限制3。在以上理论的指导下，中国西部公路沿线修建了数百个泥石流防治工程，有效减轻了泥石流对线路工程设施的损毁，但部分V型槽因泥石流淤积和槽底磨蚀而导致防治失效.严重影响防治结构使用年限。而V型槽内泥石流流速分布并不均匀，槽中心流速大，槽边缘流速较小，势必导致槽中心的磨损更严重。鉴于此，对V型排导槽内泥石流流速横向分布的研究成为V型排导槽设计又一关键问题。1V型排导槽内泥石流流速横向分布1.1假设收稿日期：2009-12-14；修订日期：2010X)3-20基金项目：西部交通建设科技项目(200831800087)、四川省交通厅课题(2006A24

4、582)；铁道部重点项目(2005TO24)作者简介：王赫(1983-),男，硕士研究生，主要从事地质灾害防治研究工作。E-mail:wlgdwl(1) 泥石流在V型排导槽内处于冲淤平衡的状态，进口流量与排导槽内任意断而流量相等；(2) 将V型排导槽断面横向分成2n个小过流面(图1),假设断面的总流量等于2几个梯形过流量之和，即：Q=£。,盘=】，5+I，,2/1(1)图1断面有限分割Fig.1Limiteddividedcross-section12泥石流流速公式选取目前，国内外确定泥石流流速的方法很多，得出的计算公式不下数十种，在同一断面流速仅随泥深变化，考虑流速公式的适用性，本

5、文选取DZ/T0239-2004泥石流灾害防治工程设计规范中的流速公式进行计算：,1.【矿.Jl/2(2)+1几，式中：一固体物质重度(g/cm1)；Hc计算断面的平均泥深(m);J泥石流水力坡度(%)；乞一泥石流沟床的糙率系数；<P泥石流泥砂修正系数(见规范表6-Do1.3流速分布计算目前泥石流的计算公式中，泥痕多为平均泥深，不适用于V型槽的流速分布计算。为了获取V型槽内泥石流流速横向分布，把断面无限分割，使流速公式适用于这些近似于矩形断面的流速计算，由形态断面法可得：2nQ=£Q=削£E(3)式中：x距槽边距离（m）；h,距槽边处的泥深（m）；h槽中心最大泥深（m

6、）；i排导槽的横坡（）;其余符号同前。把式（5）代入式（4）可得：lhi/3-（A-位/2）5h>Bin_"J+1Q=3产hi/3h<Bi几+1（5）由式（5）可知h是关于B、i、J、Q的函数，这四个参数中，排导槽设计流量Q是定值，排导槽的纵坡J一般与沟道近似纵坡相等，确定了其余二个排导槽断面参数，就可以求出人，把方代入式（4）可求出奴，把农代入式（2）得到泥石流流速沿横断面分布。2实例应用本文以在建的雅（安）泸（沽）高速公路沿线的某沟为例，分析计算排导槽内流速分布，在此基础上分析判断泥石流在原设计排导槽内是否会淤积，并分析计算排导槽底部磨蚀和侧壁的侵蚀情况，将其与调查结

7、果作对比分析。2.1研究区概况该沟汇流面积0-77km2,主沟道K1.6km,流域相对高差400m（图2）,主沟道平均纵比降较大，达256务（图3）。流域沟道呈V型，在海拔2100m处汇入安宁河支流；流域整体呈浅沟峡谷，径流的侵蚀作用较强。图例匕二J等高线曰河流最近一次泥石流堆积腐匚口坑探点日地质派达测线ES滑坡四松散坡积物E取洋点水文断面宓堆枳区宓形成波通区匚二清水区图2综合平面图Fig.2Comprehensiveplanargraph水平距高（m）图3沟床比降图Fig.3Gradientratioofaditchbed流域主沟平均Q,aaM暴雨洪泥石流固体颗泥石流排导槽流通区泥面快长度坡

8、降瓢阳建uw比Jlifr"c,峰流或容重粒容画流址处坡降石流流速(km2)(km)g(m5/s)(kN/mJ)(kN/mJ)(m3/«)（务）(m/s)0.771.602560.78170.000.359.9616.426.058.11804.2表1某沟泥石流参数调查成果表Table1Investigationresultsofdebrisflow*sparameters注：24为最大24小时暴雨ft均（ft（mm）;c,为最大24小时暴雨蛾变差系数，泥石流物源主要为坡面残坡积物形成的崩滑体、沟道两侧的松散坡积物以及沟床物质，经过实地勘察，在流域中游有-堆积物台地，台地左侧

9、已经被径流下切，形成深几米的沟道，在暴雨和地震等因素的作用下，滑坡堆积物还可能进入主沟道，随流水一起形成泥石流。该沟所处流域年平均降水量为1095mm,干湿季节不甚分明，69月的夏季降雨量占全年降雨量的58.7%，年降雨量;中夜雨占76%,其暴发时间和规模均受暴雨的影响与控制，属于暴雨型稀性泥石流，其余调查参数见表1。2.2应用于泥石流在排导槽内是否淤积预测为了对该沟道进行治理，修建了V型排导槽，V型排导槽采用的是侧墙加防冲肋板即分离式结构，槽内深3.65m,下口宽26m,横向坡度为10%,纵向坡度23.58%（图4、5）。在流通区有一断面的泥深为4.0m,宽3m,断面处比降为26.45%，该

10、处糙率系数为4.5O流域内最大石块粒径为L5mxl.4mxl.0m,排导槽对应的糙率系数11,设计流量为58.13m3/SoC20卵石磔图4原有排导槽横断面设计图Fig.4Thecross-sectionaldesigngraphoftheexistingdrainagecanal注：图内数据单位为m图5排导槽平面图Fig.5TheplanargraphofV-shapeddrainagecanal，按照式（1）（6）,计算泥石流在排导槽中心处的流速分布，如图6。图6从槽边到槽中心的流速变化Fig.6Changeinvelocityfromtheedgetothecenter由图6可知，泥石流

11、在排导槽内最大流速为3.38m/s,小于泥石流在流通区的流速（4.12m/s）,根据规范中类比法的设计原理，预测泥石流可能会在排导槽内淤积。2008年9月17日某暴发泥石流淤堵了刚修建好的排导槽（图7），验证预测准确性。2.3应用于泥石流对排导槽磨蚀计算该泥石流沟颗粒平均直径0.10m,颗粒容重图7被淤堵的排导槽Fig.7Thedrainagecanalburiedinsiit20kN/m5,速流槽倾角26.5。，泥石流浆体与混凝土壁面的动摩擦角为12。，颗粒的体积浓度为0.05,排导槽最大泥深1.5m,槽宽26m,泥石流冲击力实验系数为13,泥石流浆体在排导槽中心流速3.38m/s,边缘流速

12、为lm/s,颗粒在排导槽中心的流速为3.02m/s,边缘流速0.83m/so据此按照两相流流速计算理论：9-，0计算分析泥石流对排导槽的磨蚀，其中排导槽中心槽底磨蚀厚度为134.5mm,边缘槽底磨蚀度为10.3mm（图8）。其中边缘磨蚀计算结果与调查结果（12mm）较接近，槽中心底部磨蚀厚度与调查结果（500mm）相差较大，从排导槽的施工人员了解到槽底浇注完成不足7h,混凝土强度尚未达到初凝强度，而在磨蚀量的计算中，认为混凝土强度均达到材料最大强度，造成磨蚀量计算值偏小。图8排导槽泸沽倒边缘磨蚀Fig.8AbrasionofthedrainagecanalontheedgeintheLugus

13、ide3结论（1）有限分割排导槽的过流断面，并假设泥石流流量在排导槽内流动过程不发生变化，基于此运用极限思想推导出泥石流泥深横向分布表达式，进而可得泥石流流速横向分布表达式。（2）以在建的雅（安）泸（沽）高速公路沿线的某沟为研究对象，分析计算排导槽内泥石流流速横向分布，在此基础上预测泥石流会在原设计排导槽内淤积,2008年9月17日某暴发泥石流，淤满了刚修建好的排导槽，验证预测准确性；依据排导槽内泥石流流速分布，计算该沟排导槽底部中心磨蚀量和边缘磨蚀量，其中边缘磨蚀量(10.3mm)与调查结果(12mm)相近，槽中心底部磨蚀厚度(134.5mm)因铺底混挺土未达到初凝强度较调查结果(500mm

14、)偏小。(3) 依据流速分布计算所得的磨蚀址和淤积判断与调查结果相吻合，但流速分布计算精准程度尚需实验验证，方法可供相关研究和设计参考。参考文献：1王继康.泥石流防治工程技术M.北京：中国铁道出版社,!996：80-85.2游勇.泥石流排导槽水力最佳断面J.山地学报，1999,17(3)：255-258.3陈晓清，王士革，李德基.等.两种主要泥石流排导槽的比较J.灾害学,2001,16(3):12-16.4张开平，吕态能.泥石流排导槽冲淤规律观察研究J.水土保持研究,2002.9(4):61-63.5张红兵，周道银.泥石流V型排导槽防治理论及应用研究J.中国地质灾害与防治学报,2006,17(

15、3):1-4.6陈洪凯，唐红梅，马永泰，等.公路泥石流研究及治理lMJ.北京：人民交通出版社,2004:130-139.7欧阳猛，徐林荣.泥石流泥痕深度的计算J.地质灾害与环境保护，2008,19(1)：62-65.8DZ/T0239-2004泥石流灾害防治工程设计规范S.9陈洪凯，唐红梅，陈野鹰.公路泥石流力学M.北京：科学出版社,2OO7：58-68.10费祥俊.舒安平.泥石流运动机理与灾害防治M.北京：清华大学出版社,2003：43-88.AstudyofthetransversevelocitydistributionofdebrisflowinaV-shapeddrainagecan

16、alWANGLei,XULin-rong,SUZhi-man,CHENPeng-fei,HANZheng(CivilEngineeringDepartment,CenterSouthUniversity,Changsha410075,China)Abstract:ThetransversevelocitydistributionofdebrisflowinaV-shapeddrainagecanalisaunlineddistributioncontactedwiththedesignclosely.Itdirectlyrelatestothecalculationoftheimpactfor

17、ce,theabrasionstrengthandothercharacteristicparameters,whicharedifferentlylocatedinthetransversesectionofthedrainagecanal.However,thereishardlymethodtocalculatethetransversevelocitydistribution；thereisnoyetcorrespondingprovisiononthestandard.ThusitleadstothefailureofthebuiltV-shapeddrainagecanalpreventionduetotheerosionandthesiltation.Inviewofthis,thispaperattemptstocalculatetheformulaofthetransversevelocitydistributionofdebrisflowthroughthereasonableassumptions.Takingthedebrisflowpreventional