[发明专利]梯级鱼脊型水石分离系统及设计方法

摘要

本发明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。本发明提出了一套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。本发明还提供了一种该系统的设计方法，解决了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。

主权项

梯级鱼脊型水石分离系统的设计方法，包括确定分级数n、各级设计分离粒径D(j)和各级停积场容量V(j)，以及各级结构的细步设计，其特征在于，所述分级数n、各级设计分离粒径D(j)和各级停积场容量V(j)通过以下步骤确定：(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，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、设计泥石流流量Qc、容重ρc、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大于等于50％，对应的n初步取3～5；(3)造成冲击力破坏的最小颗粒粒径Dmin的确定：Fc＝kcma3/2         式3其中，Fc为泥石流大块石的冲击力；E为构件材料弹性模量(MPa)；J为受力断面惯性矩(m4)；v为泥石流流速(m/s)；W为大石块质量(kg)；g为重力加速度(m/s2)；Ll为梁的计算跨度(m)，悬臂梁时，Ll为冲击点至固定端的距离，简支梁时，Ll为梁长；kc为修正系数，取0.1～0.2；k1、k2为与大块石和拦砂坝材料相关的系数；大块石的质量W按等效球体计算；d为大块石直径；v为泥石流流速；ρs指大块石比重，一般取2.65～2.75g/cm3；根据所需保护的建构筑物类型，将其合理简化成梁式构件或刚性墙体，分别选用式1～3的冲击力公式，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；根据受力极限平衡条件，可得出在不同泥石流流速下构件可承受的最大块石粒径的冲击，根据统计资料，以10m/s的泥石流流速下对应的块石粒径作为界限粒径，也即系统必须分离出去的有害大块石的最小粒径Dmin；(4)其他设计分离粒径D(j)的确定：通过现场调查，获得泥石流沟完整的颗粒级配分布资料，颗粒粒径分段如下：对于粒径d<60mm的粒径，根据《土工试验方法标准》筛分实验标准粒径分级；对于60<d<800mm的粒径，参照《铁路桥涵低级和基础设计规范》对土的颗粒分类标准；粒径d>800mm的大块石，可进一步按整数分类；D(j)从这些分界粒径中取值，最后一级结构的分离粒径D(n)<Dmin；(5)梯级系统物质总分离率P(n)及各级停积场容量V(j)的确定：P(j)与物源颗粒级配、水石分离粒径组合之间的关系如式7所示：式7中：D(j)为第j级结构的设计分离粒径；i(j)为物源颗粒粒径组成中小于D(j)的物质占总物质的累计百分比；dave(j)为物源颗粒组成中小于D(j)的颗粒加权平均粒径，具体计算方法如式8所示：其中：表示按上述标准对物源颗粒粒径段进行划分，小于D(j)的每个粒径段的算数平均粒径值；fk表示上述粒径段占物源总量的比例；V(j)的计算公式如式9所示：V(j)＝[P(j)‑P(j‑1)]×M，(j＝1,2,...,n)     式9其中，M指泥石流一次冲出物质总量；如果P(n)<<P0或V(j)计算值与现场地形条件不符，则调整n的取值或设计分离粒径D(j)的取值，直至P(n)接近或达到设计物质分离率P0，各级停级场容量V(j)满足设计需求和场地条件。