一种泥石流拦砂坝附属装置及尺寸确定方法
阅读说明：本技术 一种泥石流拦砂坝附属装置及尺寸确定方法 (Debris flow sand blocking dam attachment and size determination method ) 是由 谢湘平 王小军 鲍森 杨莉明 付裕 冯磊 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种泥石流拦砂坝附属装置,属于山地灾害技术领域。该附属装置可持续分离山洪、泥石流粗颗粒,以最大程度地发挥拦砂坝的功能。该装置安置于已有拦砂坝下游,与拦砂坝溢流口连接,包括：正面斜格栅、正面水平格栅、侧面斜格栅和侧面水平格栅；本发明还提供了一种该装置修建尺寸的确定方法,针对不同的实际情况需确定装置的合理修建尺寸,使该装置具有良好的粗颗粒调控效果。(The invention relates to an auxiliary device for a debris flow sand dam, and belongs to the technical field of mountain disasters. The auxiliary device can continuously separate the mountain torrents and debris flow coarse particles so as to exert the function of the sand dam to the maximum extent. The device is settled and has had sand blocking dam low reaches, is connected with sand blocking dam overflow mouth, includes: the device comprises a front inclined grating, a front horizontal grating, a side inclined grating and a side horizontal grating; the invention also provides a method for determining the building size of the device, and the reasonable building size of the device needs to be determined according to different practical situations, so that the device has a good coarse particle regulation effect.)
技术领域
本发明涉及泥石流拦砂坝，具体涉及可分离漂木及粗颗粒的泥石流拦砂坝附属装置及该装置尺寸的确定方法，属于山地灾害
技术领域
。背景技术
泥石流是发生在山区的一种饱含泥沙、石块的固液两相流体，通常暴发突然、历时短暂，同时固相物质含量多、级配宽，具有强大的冲淤能力。
拦挡坝是泥石流防治工程中的重要措施，按结构和功能又可分为实体拦砂坝与开口式格栅坝。其中，实体拦砂坝主要功能是全部或部分拦截上游来水来沙，降低泥石流的浓度，改变输水、输沙条件，控制下泄输沙粒径；减缓河床坡降，降低泥石流运动速度，并减少沟床纵向侵蚀和两岸或横向的重力侵蚀。提高局部沟床的侵蚀基准面，起到稳坡稳谷的作用，是修建最大的拦砂坝类型。
泥石流格栅坝按照结构形式又可分为梁式格栅坝、钢管格子坝、梳子坝、桩林等。这些格栅坝具有相同的特点：在坝体上设置一定尺寸的排泄孔，允许细颗粒及泥石流浆体透过拦挡坝，有分选地将泥石流粗颗粒拦挡在坝前，从而减小泥石流粗颗粒含量、容重、规模和冲击力，达到减轻泥石流危害的目的。
实体拦砂坝由于分选性差，通常库容很快被於满，导致其失去了继续拦截泥沙的功能。部分实体拦砂坝甚至溃决后形成溃决洪峰，增大泥石流危害。
常规泥石流格栅坝(图1(a))的缺陷主要在于被拦挡的泥石流粗颗粒直接堆积在结构体内，堵塞排泄孔(图1(b))，使其不能持续地实现“拦粗排细”功能；其次，被堵塞的开口型格栅坝类似于实体坝，会进一步库容被於满后也失去泥沙拦截功能。
发明内容
针对现有泥石流拦砂坝於满后不能很好发挥拦截泥沙、拦粗排细等功能的问题，本发明提出了一种具有可持续分离山洪、泥石流粗颗粒的泥石流拦砂坝附属装置，以最大程度地发挥已有拦砂坝的功能，并且在新建拦砂坝时可以常规拦砂坝组合形成功能性更好的新型拦砂坝。
为了实现上述目的，本发明提供了一种泥石流拦砂坝附属装置，其是在已有泥石流拦砂坝基础上可实现持续分离分离漂木及泥石流粗颗粒的附属装置，该装置安置于已有拦砂坝下游，与拦砂坝溢流口连接，包括：正面斜格栅、正面水平格栅、侧面斜格栅、侧面水平格栅和支撑墩；所述正面斜格栅一端与拦砂坝溢流口连接，其功能为分离粗颗粒，调节泥石流固体物质浓度、容重、流量等；所述正面斜格栅另一端与正面水平格栅连接，所述正面水平格栅的位置低于拦砂坝溢流口，所述正面水平格栅用来停淤正面斜格栅分离出的粗颗粒物质；所述侧面斜格栅对称分布于正面斜格栅两边，两个所述侧面斜格栅的一端与正面斜格栅的两侧端边分别连接，侧面斜格栅的另一端与侧面水平格栅相连接，所述侧面斜格栅与侧面水平格栅用来辅助分离从正面斜格栅滚落至两侧的泥石流粗颗粒，且能拓宽停淤空间；所述正面水平格栅与侧面水平格栅均由支撑墩支撑高于坝底。
进一步地，所述侧面水平格栅与正面水平格栅水平连接。
进一步地，所述侧面斜格栅与正面斜格栅斜向下游交角为45°～60°。
本装置的工作原理：当泥石流经过已有拦砂坝溢流口流入本发明所述附属装置的正面斜格栅，粒径小于格栅间距的细颗粒及浆体部分垂直落入沟道底部向下游排泄，粒径大于格栅间距的粗颗粒及漂木将沿着格栅滚落至正面水平格栅，在正面水平格栅上运动一段距离后停止，停积于水平格栅上；当粗颗粒及漂木在正面斜格栅上运动时，若有部分泥石流体向两侧滚落，则可沿着侧面斜格栅继续运动，细颗粒及浆体通过侧面格栅间隙落入沟道向下游排泄，粒径大于侧面斜格栅间距的粗颗粒及漂木等继续沿着侧面斜格栅运动至侧面水平格栅并停积于此。通过本发明所述装置，原本没有拦粗排细功能的实体拦砂坝和已失去拦粗排细功能的开口型格栅坝重新具备了拦粗排细功能，从而能更好发挥泥石流减灾效果。
为了使该装置具有良好的粗颗粒调控效果，针对不同的实际情况需确定装置的合理修建尺寸，本发明还提供了一种该附属装置的尺寸确定方法，通过更准确地计算和控制装置的修建尺寸，以最低的成本实现理想的调控效果，所述方法为：
按式(1)确定设计固体物质分离率p:
按式(2)确定格栅间距D：
D＝dp (2)
按式(3)确定正面斜格栅坡度θ1：
按式(4)-(5)确定正面水平格栅支撑墩高度Hh：
按式(6)-(7)确定正面斜格栅的垂直高度Hs和长度Ls：
Hs＝H-Hh (6)
按式(8)确定正面水平格栅长度Lh1：
按式(9)确定侧面斜格栅与正面斜格栅的交角β：
β＝90-θ1-α (9)
按式(10)确定侧面斜格栅坡度θ2：
侧面水平格栅长度：其取值可以从侧面斜格栅交点直抵沟道两岸侧壁的范围，为充分发挥停淤作用以及成本最优，该值取值范围为
其中：
γct：格栅结构调控后的目标容重，g/cm3；假设调控目标：通过格栅结构调控后实现泥石流的变性，由高容重的泥石流变成低容重的泥石流或水石流，即调控后目标流体的容重γct已知；
D：格栅间距；
dp：泥石流颗粒级配曲线中小于该粒径的累积百分率为p所对应的粒径值；
粗颗粒的静止休止角；
Qc、Qc'：分别为经格栅调控前后的泥石流流量，m3/s；
γs：固体物质容重，一般可取2.6～2.7g/cm3；
γc：格栅结构调控前的泥石流容重，g/cm3；
Cv：固体物质浓度，与泥石流容重满足关系式γw为水的容重，取1.0g/cm3；
b：泥石流拦砂坝溢流口宽度；
H：拦砂坝溢流口距坝底的总高度；
vc：泥石流经过溢流口断面的设计流速；
vc'：经过格栅调控后向下游排泄的泥石流速度，m/s，一般可取vc'≈vc；
μ：粗颗粒与格栅之间的滑动摩擦系数，根据格栅材料确定；
g：重力加速度；
θ1：正面斜格栅坡度；
Hh：正面水平格栅支撑墩高度；
Ls：正面斜格栅斜长度；
Lh1：正面水平格栅长度；
α：拦砂坝下游面倾角，一般取3°～11°；
θ2：侧面斜格栅坡度；
B：泥石流沟道宽度。
本发明具有很好的社会经济效益和工程实践意义：
1.本发明适用范围广，能持续发挥泥石流粗颗粒分离能力。本发明既能安装在已有拦砂坝的下游，使原本没有拦粗排细功能的实体拦砂和已失去拦粗排细功能的开口型格栅坝重新具备了拦粗排细功能，从而能更好发挥泥石流减灾效果；又能与新建拦砂坝组合，大大增强拦砂坝对泥石流的调控能力。
2.本发明能增大泥石流停淤能力。通过下游和两侧的水平格栅停淤，即不挤占原有泥石流沟道的排泄通道，又能增大泥石流停淤空间。且该停淤区域方便清理，停淤空间可重复利用。通过本发明提供的参数确定方法，可以在获得理想的泥石流调控的同时，实现成本最优化。
3.通过模型实验研究表明，本装置尤其对泥石流中携带的漂木具有较好的分离效果，尤其是对漂木长度与拦砂坝溢流口开口宽度比值大于1.5以上的长漂木，其分离效果达60％～80％，能有效减轻漂木的灾害效应。
4.本发明具有保护已有拦砂坝坝址的功能。由于正面和两侧斜格栅的存在，过坝的粗颗粒不能直接落于坝后，从而能减小泥石流掏蚀坝址的能力。
5.本发明可实现装配式施工，安装方便，可操作性强。
附图说明
图1为开口型泥石流格栅坝被泥石流固体颗粒堵塞前(a)和堵塞后(b)的情形；
图2为本发明附属装置的俯视图；
图3为本发明附属装置的正视图；
图4为本发明附属装置的侧视图；
其中：1：拦砂坝，2：正面斜格栅，3：侧面斜格栅，4：正面水平格栅，5：侧面水平格栅，6：支撑墩。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本发明提供了一种泥石流拦砂坝附属装置，其结构如图2-4所示，该装置安置于已有拦砂坝1下游，与拦砂坝溢流口连接，包括：正面斜格栅2、正面水平格栅4、侧面斜格栅3、侧面水平格栅5和支撑墩6。
所述正面斜格栅向上的一端与拦砂坝溢流口连接，比如抵靠并固定在拦砂坝溢流口处，其向下的另一端与正面水平格栅连接，所述正面水平格栅的位置低于拦砂坝溢流口，用来停淤从正面斜格栅滚落分离出的粗颗粒物质；所述侧面斜格栅对称分布于正面斜格栅左右两边，两个所述侧面斜格栅的一端与正面斜格栅的左右两侧端边分别连接，侧面斜格栅的另一端与相应的侧面水平格栅相连接，所述侧面斜格栅与侧面水平格栅用来辅助分离从正面斜格栅滚落至两侧的泥石流粗颗粒，且能拓宽停淤空间；所述正面水平格栅与侧面水平格栅均由支撑墩支撑高于坝底，以便经格栅空隙分离的细颗粒物质落下。
侧面水平格栅与正面水平格栅水平连接，侧面斜格栅与正面斜格栅斜向下游交角为45°～60°。
实施例2
泥石流拦砂坝附属装置的尺寸确定方法：首先通过野外地质调查和试验获取以下设计参数：
沟道宽度B＝20m，泥石流拦砂坝坝底至溢流口高度为H为12m，拦砂坝下游坡度α＝10°，溢流口宽度b为10m；泥石流设计断面的设计流速vc为8m/s，设计流量Qc＝300m3/s，泥石流初始容重γc为1.8g/cm3，固体物质浓度Cv＝0.47，泥石流固体物质粗颗粒休止角为35°，泥石流固体物质颗粒级配资料如下表1所示，固体物质容重γs取值为2.65g/cm3，采用钢材建造格栅，滑动摩擦系数μ取0.47。
表1泥石流固体物质颗粒全级配数据
则附属装置的各参数确定步骤如下：
调控目标：通过装置调控后，泥石流变为含沙水流，目标流体容重γct＝1.45g/cm3。
(1)确定设计固体物质分离率p
(2)格栅间距D
根据设计固体物质分离率p，格栅开口的间距可取d60，根据泥石流固体物质颗粒级配资料可得：
D＝d60＝100mm＝0.1m
(2)正面斜格栅坡度θ1
正面斜格栅的坡度影响着颗粒在其上运动的速度及堵塞情况，正面斜格栅的坡度θ1按下式取值：
(3)正面水平格栅支撑墩高度Hh
根据已知条件及式(4)-式(5)，按下式计算：
(4)正面斜格栅的垂直高度Hs和长度Ls
根据已知条件及式(6)、式(7)，正面斜格栅的垂直高度Hs和长度Ls分别为：
Hs＝12-2.7＝9.3m
(5)正面水平格栅长度Lh1
根据已知条件及式(8)，可以计算得到正面水平格栅长度Lh1：
Lh1＝16.7m
(6)侧面斜格栅与正面斜格栅的交角β
根据已知条件及式(9)，侧面斜格栅与正面斜格栅的交角β取值为：
β＝90-10-35＝45°
(7)侧面斜格栅坡度θ2
根据已知条件及式(10)：
同时考虑到预留给侧面水平格栅一定的停淤空间，θ2取值70°。
(8)侧面水平格栅长度
根据已知条件，该值变化范围为
因此侧面水平格栅长度取值为1.62～5m。
侧面水平格栅与正面水平格栅修建在一个平面。