[发明专利]梯级鱼脊型水石分离系统及设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种泥石流工程结构及工程设计方法，特别是涉及一种梯级鱼脊型水石分离结构及其设计方法，属于泥石流防治领域。

背景技术

泥石流减灾工程结构在不断发展中，从传统的实体重力式拦砂坝到各式各样的透水型拦砂坝，都是为了更好地对抗泥石流的危害。

专利号为ZL201120352219.X，名称为“一种泥石流水石分离系统”的中国实用新型专利公开了一种鱼脊型泥石流水石分离系统，该系统主要由引流坝、水石分离格栅、泄流槽和停积场组成；进一步在专利号为ZL201310738319.X的专利中公开了该系统主要结构参数的设计方法，包括水石分离格栅跨度B、水石分离格栅高度H、水石分离格栅长度L的确定方法。然而，该系统还有两个关键的参数：肋梁间距也即设计分离粒径D和停积场容量V是没有确定的，使得该结构的设计不完整。同时，根据传统工程经验，对于一条泥石流沟而言，需针对流域不同的区段采取不同的措施组成有机的系统来减小泥石流的危害。而且，即使同一种工程措施如拦砂坝，均是布置成多座形成系列来抵御泥石流的危害。单个的鱼脊型水石分离系统分离能力与储存空间有限，限制了该结构的应用。因此亟需开发设计一种新型的鱼脊型水石分离系统，以提高该结构的分离能力与储存空间。

发明内容

本发明的目的是针对现有单个鱼脊型水石分离系统分离能力与储存空间有限的问题，科学合理地布置多个鱼脊型水石分离结构形成梯级系统，更有效地减轻泥石流的危害。

为实现上述目的，本发明提出了一套梯级鱼脊型水石分离系统，所述梯级鱼脊型水石分离系统，从上游至下游的泥石流沟床上分级布置n级鱼脊型水石分离结构，每一级均包括引流坝、鱼脊型水石分离格栅、泄流槽及相应的停积场；在引流坝的背水面连接着鱼脊型水石分离格栅，鱼脊型水石分离格栅横跨泥石流沟床两岸，前部顶端与引流坝的引流口顶端紧接。

上述引流坝优选为重力式实体拦砂坝。

上述鱼脊型水石分离格栅可为双面鱼脊型或单面鱼脊型，双面鱼脊型格栅结构即为前述谢涛专利(ZL201120352219.X，一种泥石流水石分离系统)所述；单面鱼脊型格栅结构主要是考虑到沟道地形条件不允许的情况下或泥石流主流线偏向一侧时，则仅需布置单面格栅结构即可；如图3所示，单面鱼脊型格栅结构从引流口开口的一端开始倾斜，仅设置倾斜方向一侧停积场，其作用原理同双面鱼脊型格栅结构。

上述梯级鱼脊型水石分离系统的主要参数有：梯级级数n，各级结构的设计分离粒径D_(j)，各级结构对应的停积场容量V_(j)以及各级结构的其他结构参数如引流坝高度、格栅跨度、格栅长度等，从上游至下游j分别取1,2,...,n。

本发明还提供了上述梯级鱼脊型水石分离系统的设计方法，用于梯级鱼脊型水石分离系统的设计，包括以下步骤：

(1)收集原始数据：现场调查，根据泥石流工程勘察和设计规范确定基本参数，可分为两大类：一类是用于确定梯级鱼脊型水石分离系统的主要参数(n、D_(j)和V_(j)：包括需保护的建筑结构类型及强度、一次冲出物质总量M、完整的物源颗粒级配，另一类是用于各级结构的细部参数设计的基本参数：包括设计泥石流流量Q_c、容重ρ_c、固体颗粒天然休止角以及沟道宽度B’。

(2)设计物质分离率P₀、级数n的确定

设计物质分离率P₀是梯级鱼脊型水石分离系统物质调控效果的控制性指标，其值可根据设计泥石流规模、一次冲出物质总量和被保护对象来确定。根据水槽模拟实验，当n＝3时，物质分离率可达50～80％，因此可以50％作为设计物质分离率P₀的下限，对应的n可初步取3～5；

(3)造成冲击力破坏的最小颗粒粒径D_min的确定

根据大块石冲击力与建筑物抗冲击能力计算来确定建筑物在一定条件下能抵抗的最大块石冲击力，也即所需分离的造成冲击力破坏的最小颗粒粒径D_min，具体如下：

泥石流危害的建筑物一般为房屋建筑、桥梁以及拦砂坝结构本身，一般的房屋建筑结构构件如柱、梁、桥梁的桥墩均可看作是简支梁或悬臂梁构件，拦砂坝坝体、房屋墙体等则可简化为刚性墙体，则式1、式2分别为大块石对简支梁和悬臂梁的冲击力公式，式3为大块石对刚性墙体的冲击力公式：