窗口坝坝下冲刷最大深度测算方法、应用

1.本发明涉及泥石流防治工程构筑体技术，特别是涉及一种泥石流拦砂坝的设计方法及其应用，属于泥石流灾害防治工程、建筑工程设计技术领域。


背景技术：

2.拦砂坝是调控泥石流运动的关键防治工程。凭借其拦砂节流、降低泥石流动力、抬高局部沟床的侵蚀面、控制沟道重力侵蚀、增加沟床稳定性等功能特点，以及造价经济、构筑技术要求低、工程见效迅速等技术特点，拦砂坝在泥石流灾害防治中应用极为广泛，成为最重要的泥石流防治工程手段。根据拦砂坝溢流段结构可以划分为透过性(open-type) 与非透过型(closed-type)(也称实体坝)两大类。窗口坝透过型拦砂的一种，基本特征是坝体溢流段的“大开孔”式开放结构。
3.坝下冲刷的本质是越坝泥石流及其裹挟的大块石对沟床的冲刷冲击，属于无法消除的自然现象。坝下冲刷形成冲刷坑，同时溯源侵蚀坝基土加剧破坏，极易造成坝基悬空导致拦砂坝主体的失稳倾覆或冲毁失效，因而成为拦砂坝工程中需要解决的延伸问题。相关研究表明，65％的拦砂坝失稳原因是由于坝后冲刷不断发展，导致坝体失稳破坏。在拦砂坝工程中一般采用在坝下增设护坦、副坝、潜坝等坝下防冲消能设施来保护沟床，延缓上述问题的发生。但随着拦砂坝运行时间增长，消能设施会逐渐损毁失效，无法阻挡坝下冲刷坝的形成。因而，在窗口坝设计中，对坝下冲刷深度的准确预估，是坝基埋深设计的重要参考或依据。
4.现有技术一般借鉴《t/caghp021-2018泥石流防治工程设计规范 (试行)》，综合采用伏谷伊一公式、落石冲击深度和山洪泥石流的局部冲刷深度来确定坝下冲刷深度(石胜伟等，小口径钢管桩修复加固拦砂坝坝基土的技术方法研究，《工程科学与技术》，vol.51no.5，2019年9 月)。该方法综合考虑泥石流单宽流量、泥石流流速、床质砂标准粒径、溢流口泥深、坝上下泥位差等对坝下冲刷深度的影响，但并未考虑窗口坝开口(孔)形式对坝下冲刷深度的影响。窗口坝的主要特征是“大开孔”，其最为核心的功能是利用不同形式的大开口(孔)实现对泥石流的削峰减流、拦蓄泥砂的一系列调控功能。由于不同开口(孔)/条件的窗口坝的泥石流越坝过程与动力学特征存在较大差异，因而，一方面，不同开口形式(孔)/条件的窗口坝泥石流调控功能存在差异，另一方面，不同开口形式(孔)/条件的窗口坝坝下冲刷现象也存在较大差异。这意味着，在测算坝下冲刷深度时，若不考虑开口(孔)形式/条件，则测算原理与坝实际调控原理可能存在不一致，则限制了测算结果在工程中的实际参考价值。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种窗口坝坝下冲刷最大深度测算方法及其在拦砂坝工程设计中的应用。
6.为实现上述目的，本发明首先提供窗口坝坝下冲刷最大深度测算方法，其技术方
案如下：
7.一种窗口坝坝下冲刷最大深度测算方法，其特征在于：首先完成窗口坝选址，实施现场调查获取基本资料；其次，依式1、式2测算窗口坝坝下冲刷最大深度hd，
8.hd/h＝0.076i 1.975i-0.209c
v-0.096r 0.234
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式1
9.i＝b/d
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式2
10.式中，hd/h—无量纲冲刷深度，
11.h—窗口坝有效坝高，单位m，基本资料确定，
12.i—窗口坝相对开度，
13.b—窗口坝开口宽度，单位m，基本资料确定，
14.d
max
—泥石流固体物质最大粒径，单位m，基本资料确定，
15.i—窗口坝位置沟床比降，％，基本资料确定，
16.cv—泥石流泥沙体积浓度，无量纲量，基本资料确定，
17.r—窗口坝开口率，基本资料确定。
18.上述测算方法测算得到窗口坝坝下冲刷最大深度hd，更完整的表述是窗口坝的越坝泥石流在坝下沟床冲刷面上冲刷形成的冲刷坑的最大可能深度。测算方法是在大量实验测试数据与野外观测调查数据之上建立方程，通过量纲分析完成。测算方法的意义在于综合考虑了窗口坝开口形式的条件下，提出了了一种新的无量纲坝下冲刷深度计算方法，该方法不仅计算简洁、且能反映各参数的影响规律。该方法中，新引入的i是反映单个窗口开口大小的衡量指标；新引入的r是反映整个窗口坝开口特征的衡量指标。这两个指标是窗口坝区别于实体坝的核心参数。i和r 的引入，使得该测算方法与窗口坝实际运行过程更为接近，测算结果更能指导窗口坝设计。
19.为保证测算结果的有效性，在优选条件下，上述窗口坝坝下冲刷最大深度测算方法适用于开口率r＝0.08～0.32的窗口坝，以及适用于自然泥石流沟道沟床底质的一般特征，即沟床底质物质级配与泥石流固体物质级配相似。
20.窗口坝坝下冲刷最大深度hd是窗口坝设计中完成窗口坝坝基埋深参数设计的重要参考指标，故而本发明同时提供：
21.上述窗口坝坝下冲刷最大深度测算方法在窗口坝设计中的应用。
22.窗口坝坝下冲刷最大深度hd是窗口坝防治工程系统中护坦、副坝、潜坝等坝下防冲消能设施厚度参数设计的重要参考指标，故而本发明同时提供：
23.上述窗口坝坝下冲刷最大深度测算方法在窗口坝防治工程系统设计中的应用。更具体的是在坝下防冲消能设施设计中的应用。
24.本发明窗口坝坝下冲刷最大深度测算方法引用了沟床比降i指标。在窗口坝投入运行后，随着运行年限的增长，淤填、回淤等现象的积累，沟床形态会发生变化，直接结果是沟床比降i指标变化。因而，对于沟床比降i发生变化的运行中的窗口坝，可以利用本发明测算方法测算最大冲刷深度hd并与窗口坝坝基埋深设计参数相比较，粗略评估窗口坝的运行安全稳定性。故而，本发明还提供：
25.上述窗口坝坝下冲刷最大深度测算方法在窗口坝/窗口坝防治工程系统运行安全评估中的应用。
26.根据本发明窗口坝坝下冲刷最大深度测算方法构建的实验设计，本发明上述两项
涉及窗口坝坝下冲刷最大深度测算方法应用的技术方案，优先的限制条件是应用于开口率r＝0.08～0.32的窗口坝。
27.本发明各技术方案中，实施的现场调查，包括了针对工程所在山洪泥石流沟道现场的各种测绘、测量、模拟实验测试，以及历史灾害记录获取，以及有参照借鉴作用的经验数据获取等。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)相较于现有技术对坝下冲刷深度的测算思路是参考水利工程公式并辅以设计人员进行经验取值的方法，本发明测算方法是一种以规范调查数据为基础的科学计算方法，是完整的科学解决方案。(2)现有技术最主要缺陷在于未将窗口坝开口形式纳入深度测算的考虑条件。本发明测算方法将窗口坝开口形式作为影响因素，并将其分解为窗口坝相对开度i与窗口坝开口率r两个测算变量，本质上是将因开口形式不同所致的泥石流越坝与冲刷的动力学过程特征的不同作为测算冲刷深度约束条件，保证窗口坝“大开孔”特征的结构意义充分体现在冲刷最大深度的测算原理中，使测算方法原理更符合自然规律。(3)本发明测算方法计算过程简便、各参数取值简单，且能反映各参数对计算结果的影响规律，能为窗口坝设计提供更为可靠的依据。(3)本发明还提供了测算方法在窗口坝设计、窗口坝防治工程系统、安全评估中的应用方案。
具体实施方式
29.下面对本发明的优选实施例作进一步的描述。
30.实施例一
31.在某窗口坝设计中用本发明方法测算某窗口坝坝下冲刷最大深度hd。
32.某泥石流沟位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县境内，属岷江右岸一级支流。该沟流域面积54.26km2，主沟纵长15.74km，主沟床平均纵比降为201
‰
。流域的平面形态呈“树叶”状，沟谷上游狭窄多呈“v”型，中下游宽缓呈“u”型，局部宽窄相间，沟域内山高坡陡，沟谷纵坡较大，有利于降雨的汇集，为泥石流的爆发提供了基础。国道g213和都汶高速公路工程从该沟沟口通过，流域中下游有017乡道通过，都汶高速公路在沟口为桥梁形式通过。此外，该沟沟口分布有数十户居民区并修建有水电站。该沟多次暴发泥石流，对沟口的水电站、居民区、交通工程造成了严重威胁。为了满足防灾减灾的需求，拟在该沟内新建一座窗口坝工程，设计标准为p＝2％(50年一遇)。
33.1、选址及现场调查
34.根据泥石流防治工程设计修建规范在沟内完成窗口坝选址，并开展现场调查，获取各项基本资料。包括：
35.p＝5％(20年一遇)时：沟内泥石流体密度ρc＝1.81t/m3、泥石流固体物质密度σ＝2.65t/m3、泥石流中清水密度ρ＝1.0t/m3，泥石流固体物质最大粒径d
max
＝1.0m，拟设窗口坝位置沟床比降i＝100
‰
。
36.窗口坝设计平均宽度b＝40m、有效坝高h＝7m、窗口坝开口宽度 b＝0.8m、开口高度h＝1.0m、开口个数n＝20。
37.依现有技术(式3、式4)计算确定泥石流泥沙体积浓度cv＝0.49(单位)、窗口坝开口率r＝5.71％。
[0038][0039][0040]
上式3中，ρc为泥石流体密度(t/m3)、ρ为泥石流中清水密度(t/m3)、σ为泥石流固体物质密度(t/m3)，式4中，n为开口个数、b为开口宽度(m)、h为开口高度(m)、b为窗口坝平均宽度(m)；h为窗口坝有效坝高(m)。
[0041]
2、测算坝下冲刷最大深度hd[0042]
由上述参数依式1、式2计算得窗口坝相对开度i＝1.0、无量纲冲刷深度hd/h＝0.384、坝下冲刷最大深度hd＝2.69m。
[0043]
实施例二
[0044]
用本发明方法校核某窗口坝坝下冲刷最大深度hd。
[0045]
某泥石流沟位于四川省凉山州普格县普基镇下坝村4组，属黑水河右岸一级支沟。该沟流域面积23.30km2，主沟纵长10.47km，主沟床平均纵比降为195
‰
。流域的整体形态呈“树叶”状，沟域内山高坡陡，沟谷纵坡较大，沟域内富含泥石流堆积物，沟域两侧均存在多处崩滑点和松散坡积物，为泥石流的爆发提供了物源条件。沟口为典型少数民族村寨。该沟曾暴发大型泥石流，泥石流冲毁沟口公路，并造成堵河，对沟口村寨造成严重威胁。为了满足防灾减灾需求，沟内在数十年时间内前后修建三座拦砂坝，均为窗口坝。目前，1#坝运行良好；2#坝已倾倒损坏；3#坝运行数十年，接近损毁状态，坝下冲刷最为严重，现场测量冲刷面与冲刷坑结果显示，最大冲刷位置冲刷深度达1.9m。查阅相关资料，三座坝设计标准为p＝2％(50年一遇)。
[0046]
1、现场调查
[0047]
根据3#坝现场调查，获取各项基本资料。包括：
[0048]
p＝5％(20年一遇)时：沟内泥石流体密度ρc＝1.84t/m3、泥石流固体物质密度σ＝2.65t/m3、泥石流中清水密度ρ＝1.0t/m3，泥石流固体物质最大粒径d
max
＝1.0m，3#窗口坝位置沟床比降i＝89
‰
。
[0049]
3#窗口坝平均宽度b＝30m，有效坝高h＝5.5m，窗口坝开口宽度b ＝0.8m、开口高度h＝1.0m、开口个数n＝8。
[0050]
采用与实施例一相同的现有技术计算确定泥石流泥沙体积浓度cv＝ 0.48(单位)、窗口坝开口率r＝3.88％。
[0051]
2、测算坝下冲刷最大深度hd[0052]
由上述参数依式1、式2计算得窗口坝相对开度i＝1.0、无量纲冲刷深度hd/h＝0.365、坝下冲刷最大深度hd＝2.01m。
[0053]
现场调查结果显示3#坝接近损坏程度，坝下冲刷面上已形成多处冲刷坑，坑内积水深度平均约1.4m。若再发生泥石流，即使坝体能继续运行，越坝泥石流也主要发生对冲刷坑的填埋现象，难以进一步加大冲刷深度。故现场调查的坝下最大冲刷位置冲刷深度数据能够被视为 3#窗口坝的坝下冲刷最大深度。采用本发明方法的测算结果2.01m与实测值1.9m接近。