本發(fā)明涉及一種攔砂壩穩(wěn)定性測算方法及其應(yīng)用，特別是涉及一種粘性泥石流實(shí)體攔砂壩穩(wěn)定性測算方法及其應(yīng)用，屬于工程測量、山地災(zāi)害防治領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

攔沙壩是修建在泥石流溝道內(nèi)的一種橫斷溝床的人工建筑物，具有工程結(jié)構(gòu)簡單、防治效果好、就地取材、施工及維護(hù)方便、使用周期長、造價(jià)省等特點(diǎn)。實(shí)體攔砂壩不僅具有良好的攔蓄效果，還有降低泥石流動力，抬高侵蝕面，增加溝床穩(wěn)定性等功效，是目前泥石流災(zāi)害治理中使用最為廣泛的工程措施之一，尤其在城鎮(zhèn)、礦山、公路、鐵路等泥石流整治中被優(yōu)先采用。

實(shí)體攔砂壩的受力及穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)工程設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，需在多工況或荷載組合下進(jìn)行驗(yàn)算。目前工程應(yīng)用中普遍將首陣泥石流滿庫溢流(泥深h大于壩高)視為最危險(xiǎn)工況，將滿庫過流視為非地震條件下的最安全工況。在于粘性泥石流實(shí)體攔砂壩穩(wěn)定性測算中，現(xiàn)有技術(shù)中主要的《泥石流防治指南》、《震后泥石流治理工程設(shè)計(jì)簡明指南》均只考慮首陣滿庫過流工況，前者建議抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)一般為1.05～1.15，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)一般為1.30～1.60，后者(及相關(guān)規(guī)范)要求抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)一般為1.15，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)一般為1.30即可，過大則應(yīng)優(yōu)化壩的截面?？梢?，上述方法均只考慮到了最極端情況。在實(shí)際工程中，當(dāng)泥石流溝屬于高頻率小規(guī)模，或是攔砂壩壩高較高時(shí)，泥石流泥深h一般不會出現(xiàn)首陣泥石流滿庫過壩的情況，而多是連續(xù)流滿庫過流或多陣泥石流滿庫過流。因此上述方法可能使設(shè)計(jì)偏于保守，增大工程成本，且不能真實(shí)反映攔砂壩攔截泥石流的動態(tài)過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種粘性泥石流實(shí)體攔砂壩穩(wěn)定性測算方法，該方法能夠反映出實(shí)體攔砂壩攔截泥石流過程中壩體穩(wěn)定性的動態(tài)變化過程。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明首先提供一種粘性泥石流實(shí)體攔砂壩穩(wěn)定性測算方法，其技術(shù)方案如下：

粘性泥石流實(shí)體攔砂壩穩(wěn)定性測算方法，用于測算實(shí)體攔砂壩在空庫過流工況或半庫過流工況條件下的抗滑移穩(wěn)定性與抗傾覆穩(wěn)定性，其特征在于：

調(diào)查確定實(shí)體攔砂壩屬于空庫過流工況或半庫過流工況；

在空庫過流工況條件下，經(jīng)野外實(shí)地調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定工程參數(shù)，包括攔砂壩基底摩擦系數(shù)f、攔砂壩壩頂厚度b、攔砂壩壩高h(yuǎn)、迎水面坡比1:m、筑壩材料容重γb、泥石流容重γc、攔砂壩處初始狀態(tài)溝道底寬li、溝床糙率系數(shù)1:n、泥石流平均流量q、溝道左岸坡比1:m1、溝道右岸坡比倒數(shù)1:m2、溝道縱比降i、泥石流體內(nèi)摩擦角建筑物形狀系數(shù)λ；所述攔砂壩基底摩擦系數(shù)f的取值是：砂類土取0.4、碎石類土和泥石流堆積取0.5、軟質(zhì)巖取0.4～0.6、硬質(zhì)巖取0.6～0.7，所述建筑物形狀系數(shù)λ取值是根據(jù)泥石流所挾石塊最大顆粒粒徑d取值；

聯(lián)立式1.1～式1.10計(jì)算第n-1陣泥石流來流時(shí)抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)kc(n-1)、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)ky(n-1)：

式中，f——攔砂壩基底摩擦系數(shù)，

b——攔砂壩壩頂厚度，單位m，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

h——攔砂壩壩高，單位m，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

m——迎水面坡比倒數(shù)，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

γb——筑壩材料容重，單位t·m^-3，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

hi——平均泥深，單位m，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

γc——泥石流容重，單位t·m^-3，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

li——攔砂壩處初始狀態(tài)溝道底寬，單位m，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

n——溝床糙率系數(shù)倒數(shù)，無量綱數(shù)，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

q——泥石流平均流量，單位m³·s^-1，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

m1——溝道左岸坡比倒數(shù)，無量綱數(shù)，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

m2——溝道右岸坡比倒數(shù)，無量綱數(shù)，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

i——溝道縱比降，無量綱數(shù)，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

——泥石流體內(nèi)摩擦角，單位°，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

λ——建筑物形狀系數(shù)，根據(jù)泥石流所挾石塊最大顆粒粒徑d取值；

在實(shí)體攔砂壩在半庫過流工況條件下，進(jìn)一步確定工程參數(shù)，包括庫內(nèi)堆積物容重γ0、庫內(nèi)堆積厚度h0、庫內(nèi)堆積物內(nèi)摩擦角

聯(lián)立式1.1、式2.1～式2.7、式1.3、式1.5、式1.7～式1.10計(jì)算第n-1陣泥石流來流時(shí)抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)kc(n-1)、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)ky(n-1)：

式中，γ0——庫內(nèi)堆積物容重，單位t·m^-3，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

h0——庫內(nèi)堆積厚度，單位m，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定，

——庫內(nèi)堆積物內(nèi)摩擦角，單位°，根據(jù)野外調(diào)查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、攔砂壩設(shè)計(jì)工程確定。

上述攔砂壩穩(wěn)定性測算方法是在實(shí)體攔砂壩空庫過流工況或者半庫過流工況條件下，分別測算壩的抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)kc(n-1)與抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)ky(n-1)。方法在綜合考慮溝道條件、泥石流性質(zhì)、壩體結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，基于粘性泥石流過流時(shí)壩體受力分析，通過理論推導(dǎo)得到滿庫過流或與半庫過流工況下攔砂壩穩(wěn)定性系數(shù)測算方法。

本技術(shù)方案基于上述原理，在空庫過流工況條件下，如圖1、圖2所示，抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)kc(n-1)與抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)ky(n-1)的測算構(gòu)思在于：

(1)第一陣泥石流來流時(shí)壩體受力分析及穩(wěn)定性測算。此時(shí)有壩體自重(單寬)：土體重：壩體所受側(cè)壓力：泥石流產(chǎn)生沖擊力：根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算則有抗滑移穩(wěn)定系數(shù)：抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：且

(2)第二陣泥石流來流時(shí)壩體受力分析及穩(wěn)定性測算。此時(shí)有壩體自重(單寬)：土體重：壩體所受側(cè)壓力：泥石流產(chǎn)生沖擊力：同理，則有抗滑移穩(wěn)定系數(shù)：抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：及式1.10。

(3)假設(shè)第n陣滿庫過壩，第n-1陣泥石流來流時(shí)壩體受力分析及穩(wěn)定性測算。此時(shí)有壩體自重(單寬)：土體重：壩體所受側(cè)壓力：泥石流產(chǎn)生沖擊力：同理有，抗滑移穩(wěn)定系數(shù)：抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：及式1.10。

在半庫過流工況條件下，如圖3、圖4所示，設(shè)庫內(nèi)堆積物容重γ0，堆積厚度h0，堆積物內(nèi)摩擦角其他條件同空庫過流工況。從第一陣到第n-1陣(假設(shè)第n陣滿庫過壩)進(jìn)行疊加計(jì)算，即可得到半庫過流工況時(shí)抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)(式1.1)與抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)(式2.1)。

上述測算方法中，λ取值具體可以泥石流所挾石塊最大顆粒粒徑d為基礎(chǔ)，依照現(xiàn)有技術(shù)(參考文獻(xiàn)1)取值。

上述測算方法可以具體測算攔砂壩滿庫過流狀態(tài)下的穩(wěn)定性。當(dāng)某次泥石流來流時(shí)的平均泥深hi大于等于剩余壩高(壩高減去壩后淤積高度)時(shí)判斷攔砂壩將在該陣次泥石流到達(dá)滿庫過流狀態(tài)，則可根據(jù)滑移穩(wěn)定性系數(shù)kc(n-1)、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)ky(n-1)的動態(tài)數(shù)值確定滿庫過流狀態(tài)下的壩體穩(wěn)定性。

本發(fā)明粘性泥石流實(shí)體攔砂壩穩(wěn)定性測算技術(shù)方案是一種對實(shí)體攔砂壩穩(wěn)定性變化的動態(tài)測算方法，可以顯出連續(xù)流滿庫過流或多陣泥石流滿庫過流工況下攔砂壩穩(wěn)定性的動態(tài)變化過程與結(jié)果，真實(shí)地反映攔砂壩對泥石流的攔截過程及攔砂壩穩(wěn)定性變化過程，因此，該技術(shù)方案可以應(yīng)用于泥石流實(shí)體攔砂壩穩(wěn)定性動態(tài)預(yù)測，用于對擬建攔砂壩防治工程時(shí)的參數(shù)設(shè)計(jì)或已建攔砂壩防治工程的穩(wěn)定性檢算。

本發(fā)明泥石流實(shí)體攔砂壩到達(dá)滿庫過流狀態(tài)測算方法在泥石流實(shí)體攔砂壩工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本發(fā)明泥石流實(shí)體攔砂壩到達(dá)滿庫過流狀態(tài)測算方法應(yīng)用于泥石流實(shí)體攔砂壩工程設(shè)計(jì)時(shí)，能夠充分考慮多陣滿庫過流或連續(xù)流滿庫過流工況條件下壩體穩(wěn)定性的動態(tài)變化過程，避免現(xiàn)有技術(shù)在此方面考慮過于保守、造成成本浪費(fèi)的缺陷。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明粘性泥石流實(shí)體攔砂壩穩(wěn)定性測算方法是一種基于攔砂壩過流狀態(tài)動態(tài)變化分析實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性測算方法，能夠解決攔砂壩在滿庫過流與半庫過流工況條件下壩體穩(wěn)定性變化過程模擬的問題。(2)本發(fā)明測算方法是一種動態(tài)測算，因而能夠合理預(yù)測攔砂壩壩體穩(wěn)定性的動態(tài)變化趨勢，以及壩體到達(dá)滿庫過流狀態(tài)的時(shí)間。與現(xiàn)有技術(shù)僅將首陣泥石流到達(dá)滿庫過流工況作為攔砂壩設(shè)計(jì)參數(shù)確定條件相比，本發(fā)明方法能夠?yàn)槟嗍鞣乐喂こ虆?shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)安全檢算等提供科學(xué)依據(jù)與參考，避免建造成本浪費(fèi)，更貼合工程實(shí)際，適應(yīng)實(shí)際工程需要。

參考文獻(xiàn)1：蔣忠信編著.震后泥石流治理工程設(shè)計(jì)簡明指南.西南交通大學(xué)出版社,2014年10月1日.isbn:9787564335069

附圖說明

圖1是攔砂壩空庫過流工況示意圖。

圖2a、圖2b是攔砂壩空庫過流工況時(shí)壩體受力分析示意圖。

圖3是攔砂壩半庫過流工況示意圖。

圖4a、圖4b是攔砂壩半庫過流工況時(shí)壩體受力分析示意圖。

附圖中的數(shù)字標(biāo)記分別是：

①、②、③、…、——泥石流陣數(shù)，v1、v2、…、vn-1、vn——每陣泥石流平均流速，h1、h2、…、hn-1、hn——每陣泥石流泥深，l1、l2、…、ln-1、ln……——每陣泥石流底寬

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的描述。

實(shí)施例一

如圖1～圖2a、圖2b所示，用本發(fā)明方法測算甘肅武都地區(qū)某泥石流溝的擬建實(shí)體攔砂壩動態(tài)穩(wěn)定性。

某泥石流溝位于甘肅武都區(qū)白龍江左岸，近年來由于人類經(jīng)濟(jì)活動頻繁，泥石流趨于活躍。該溝流域面積約為12.4km²，主溝長度約7.84km，流域相對高差約1960m，主溝平均縱比降250‰。該泥石流溝的危險(xiǎn)區(qū)主要分布在泥石流溝口和主河上下游由于堵河造成的淹沒或淤埋的區(qū)域。

為有效治理泥石流，防治泥石流堵河，攔截泥石流并穩(wěn)固溝床，減輕泥石流災(zāi)害，保護(hù)區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全，擬在主溝內(nèi)修建一座漿砌石實(shí)體重力壩。攔砂壩的主要功能是攔截泥沙，降低泥石流動力，抬高侵蝕面，增加溝床穩(wěn)定性等。

新建實(shí)體攔砂壩屬于空庫過流工況。根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查與室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得相關(guān)工程參數(shù)數(shù)據(jù)：攔砂壩基底摩擦系數(shù)f＝0.5(基底摩擦系數(shù)為0.5)、攔砂壩壩頂厚度b＝3m、攔砂壩壩高h(yuǎn)＝12m、迎水面坡比1:m＝1:0.55、筑壩材料容重γb＝2.4t·m^-3、泥石流容重γc＝2.0t·m^-3(計(jì)算20年一遇(p＝5％)時(shí))、攔砂壩處初始狀態(tài)溝道底寬li＝8m、溝床糙率系數(shù)1:n＝1/0.043、泥石流平均流量q＝75m³·s^-1(計(jì)算20年一遇(p＝5％)時(shí))、溝道左岸坡比1:m1＝1:0.75、溝道右岸坡比倒數(shù)1:m2＝1:0.75、溝道縱比降i＝250‰、泥石流體內(nèi)摩擦角建筑物形狀系數(shù)λ＝2.085(泥石流所挾石塊最大顆粒粒徑d＝1.0m)。

將上述參量代入式1.1～式1.10，聯(lián)立計(jì)算得到每一陣來流時(shí)攔砂壩的抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)kc(n-1)、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)ky(n-1)。結(jié)果見表1。

表1擬建攔砂壩過流時(shí)壩體穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

測算結(jié)果顯示，前21陣泥石流泥深之和小于壩高，而前22陣泥石流泥深之和大于壩高(即第22陣泥石流的平均泥深hi將大于剩余壩高)，故判斷壩體將在第22陣泥石流發(fā)生時(shí)達(dá)到滿庫過壩狀態(tài)，且攔砂壩的穩(wěn)定性狀態(tài)是抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)kc(n-1)＝0.874、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)ky(n-1)＝5.932。

實(shí)施例二

如圖3～圖4a、圖4b所示，用本發(fā)明方法對四川境內(nèi)某泥石流溝的已建實(shí)體攔砂壩穩(wěn)定性檢算。

該泥石流溝位于四川省綿竹市境內(nèi)某河左岸，是某公路交通干線南段的一條活動頻繁但規(guī)模不大的泥石流溝。該溝流域匯水面積7.81km²，主溝全長約3.25km，流域相對高差約812m，溝床平均縱比降250‰。溝內(nèi)曾爆發(fā)泥石流造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，威脅公路橋墩。為保證公路交通的正常運(yùn)行和當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全，對泥石流溝修建了一系列的防治工程。本實(shí)施例測算目標(biāo)是該防治工程中的3#攔砂壩，屬于實(shí)體攔砂壩，位于泥石流溝上游，距公路交通干線約2000m的主溝。

3#攔砂壩已投入使用運(yùn)行，攔砂壩庫內(nèi)已有淤積，屬于半庫過流工況。根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查與室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得相關(guān)工程參數(shù)數(shù)據(jù)：攔砂壩基底摩擦系數(shù)f＝0.5、攔砂壩壩頂厚度b＝3m、攔砂壩壩高h(yuǎn)＝15.5m、迎水面坡比1:m＝1:0.6、筑壩材料容重γb＝1.9t·m^-3、泥石流容重γc＝2.0t·m^-3(計(jì)算20年一遇(p＝5％)時(shí))、攔砂壩處初始狀態(tài)溝道底寬li＝15.35m、溝床糙率系數(shù)1:n＝1/0.040、泥石流平均流量q＝80m³·s^-1(計(jì)算20年一遇(p＝5％)時(shí))、溝道左岸坡比1:m1＝1:0.8、溝道右岸坡比倒數(shù)1:m2＝1:0.7、溝道縱比降i＝250‰、泥石流體內(nèi)摩擦角建筑物形狀系數(shù)λ＝2.7(泥石流所挾石塊最大顆粒粒徑d＝1.5m)。攔砂壩庫內(nèi)已有淤積，庫內(nèi)堆積物容重γ0＝2.3t·m^-3、庫內(nèi)堆積厚度h0＝4.9m、庫內(nèi)堆積物內(nèi)摩擦角

將上述參量代入式1.1、式2.1～式2.7、式1.3、式1.5、式1.7～式1.10分別求得每一陣來流時(shí)攔砂壩的抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)kc(n-1)、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)ky(n-1)。結(jié)果見表2。

表23#攔砂壩過流時(shí)壩體穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

測算結(jié)果顯示，前22陣的泥深之和小于剩余壩高，而前23陣來流的泥深之和大于剩余壩高，故判斷壩體將在第23陣來流時(shí)達(dá)到滿庫過壩狀態(tài)，且攔砂壩的穩(wěn)定性狀態(tài)是抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)kc(n-1)＝2.097、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)ky(n-1)＝4.501。