一种基于梯级防冲刷齿槛群的泥石流排导槽及其应用 技术领域 本发明涉及一种泥石流排导技术， 特别是涉及一种基于泥石流软基消能， 适用于 稀性泥石流、 或水石流、 或山区洪水排泄的基于梯级防冲刷齿槛群的泥石流排导槽及其应 用。
背景技术
泥石流具有比水流高得多的容重， 其包含碎屑土的流体二元结构具有特殊性， 表 现出惯性高、 输移力强、 冲击力巨大等特点。泥石流运动产生的强烈冲刷， 导致沟床发生剧 烈改变， 引起沟床揭底和沟岸崩塌， 增加了补给泥石流的固体物质来源， 增大了泥石流的危 害， 对两岸危险区内的城镇、 村庄、 道路、 水渠、 电力、 通讯线路等基础设施， 以及农田、 森林 等造成严重危害。因此， 开发能有效控制泥石流冲刷的新型结构， 对于减小泥石流的破坏 力， 提高下游防护对象的安全性， 具有重大的社会经济意义和生态环境意义。
近年来， 随着我国西部大开发的持续开展， 众多大型基建工程开工建设， 开发利用 泥石流堆积扇的力度加大， 控制泥石流冲刷和淤积的问题日益突出。 在众多泥石流流域中， 爆发稀性泥石流、 过渡型泥石流和山区洪水的概率非常大， 因此开发满足这类泥石流的排 导需求的新型排导槽显得非常迫切。
传统的泥石流防冲刷沿用输水渠道的全衬砌模式， 但由于泥石流极强的磨蚀能 力， 导致工程损毁快、 维护费用高。 目前用于泥石流防冲刷的横向贯穿型齿槛一般适用于沟 床比降较大的情况， 比降小于 5％时效果很差， 出现淤积。 在常流水状态下， 以往的全衬砌排 导槽和横向贯穿型齿槛阻断了沟床内水生生物的上下联系， 不利于沟床生态修复。
申请号为 200910058217.7 的发明专利申请， 是本申请人的前期研究成果， 公开了 一种交错齿槛型泥石流排导槽。该排导槽能够满足排泄应宽流体， 保持沟道上下游水力联 系， 有利于沟道生态恢复。但同时， 交错齿槛使泥石流体在槽内产生绕流消能， 绕流的存在 会给排导槽侧墙的安全带来一定潜在隐患 ； 在沟床纵比降较小的情况下， 绕流消能过度易 导致泥石流淤积在排导槽中， 针对沟床比降减小， 该发明申请采取了减小齿槛长度的方法 来减少绕流消能， 但由于齿槛在束流侧墙间呈交错分布， 因此随着齿槛长度的减小， 齿槛越 短越不能给束流侧墙的稳定性提供充分保障， 从而需要采取增加侧墙基础埋深来解决， 但 这样会导致建筑成本增加太大。 发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足， 提供一种基于梯级防冲刷齿槛群的泥石 流排导槽， 不仅能在低成本下实现泥石流冲刷下切侵蚀与淤积的动态平衡， 充分实现安全、 顺畅排泄泥石流的目的， 满足流域爆发从稀性泥石流到山区洪水的较宽变化流体排泄需 求， 而且能够充分保持沟床内水生生物的上下联系， 有利于沟道生态修复， 同时能够利用向 心束流作用充分保障束流侧墙的稳定性， 在沟床比降较小的情况下不易出现泥石流淤积， 有利于长期运行。为实现上述目的， 本发明的技术方案是 ：
本发明提出的基于梯级防冲刷齿槛群的泥石流排导槽， 包括两侧的束流侧墙和置 于其间、 与其相连、 配合使用的梯级防冲刷齿槛群， 所述梯级防冲刷齿槛群的每两个梯级之 间按一定间距分布， 所述梯级防冲刷齿槛群由若干具有一定埋深的防冲刷齿槛组成。两个 防冲刷齿槛在束流侧墙之间、 相对所述泥石流排导槽的中心线呈左右对称分布， 共同构成 所述梯级防冲刷齿槛群的一个梯级 ； 所述泥石流排导槽宽度 D( 即两侧束流侧墙之间的间 距 ) 大于 2 倍防冲刷齿槛在束流侧墙垂直方向上的横向长度 B( 即防冲刷齿槛在束流侧墙 垂直方向上的投影长度 )， 满足 D ＞ 2B ； 即任一所述防冲刷齿槛均只有一端与束流侧墙相 连、 没有在束流侧墙之间贯穿， 且组成所述梯级防冲刷齿槛群的防冲刷齿槛在束流侧墙之 间、 相对排导槽中心线呈左右对称分布， 构成对称型梯级防冲刷齿槛群。 这种对称型结构能 充分保持沟床内水生生物的上下联系， 有利于沟道生态修复 ； 能够充分保障束流侧墙的稳 定性， 在沟床比降较小的情况下不易出现泥石流淤积， 有利于长期运行。
所述防冲刷齿槛在束流侧墙垂直方向上的横向长度 B 为泥石流排导槽宽度 D 的 1/10-1/2， 满足 1/10D ≤ B ＜ 1/2D ； 排导槽沟床比降越大， 所述防冲刷齿槛在束流侧墙垂直 方向上的横向长度 B 的取值就越大。这有利于最大限度节省所述防冲刷齿槛的工程量。 所述防冲刷齿槛与束流侧墙相连处呈倾斜角度 α， 且向下游侧倾斜， 即防冲刷齿 槛与束流侧墙相连端较另一端位于上游 ； 倾斜角度 α 的取值为 45° -75°； 沟床比降越大， 倾斜角度 α 的取值就越大。这种倾斜结构有利于泥石流的束流。
所述防冲刷齿槛在沿束流侧墙垂直方向上， 呈中间低、 靠束流侧墙端高 ； 高度差 h 与防冲刷齿槛在束流侧墙垂直方向上的横向长度 B 之比的横坡比降 1 ∶ n 为 1 ∶ 4-1 ∶ 20， 即 1 ∶ n ＝ h ∶ B。这种中间低、 两侧高的结构有利于泥石流束流， 且有利于产生底部湍流、 充分消能。
在沿束流侧墙纵向方向上， 所述防冲刷齿槛的顶部宽 b1 ＜底部宽 b2， 下游侧垂直， 上游侧倾斜 ； 顶部宽 b1 为 0.6-1.5m， 底部宽 b2 为 1.0-2.0m， 上游侧斜面高度 H1 与底部宽 b2、 顶部宽 b1 差之比的上游侧比降 1 ∶ m 为 1 ∶ 0.4-1 ∶ 1， 即 1 ∶ m ＝ H1 ∶ (b2-b1)。这种上 窄下宽的结构有利于防冲刷齿槛在泥石流冲击下保持稳定。
所述泥石流排导槽可以采用浆砌石、 或混凝土、 或钢筋混凝土、 或铅丝笼等结构形 式。 所述梯级防冲刷齿槛群的每两个梯级之间的间距 L 为 8.0-25.0m， 所述防冲刷齿槛埋深 H 为 1.5-2.5m ； 保持合理的埋深和间距， 能保证防冲刷齿槛和束流侧墙的安全。
所述泥石流排导槽既有纵向软基消能效果， 又有对称齿槛的向心束流作用， 特别 适用于沟床比降 3％ -12％， 用于稀性泥石流、 或水石流、 或山区洪水排泄的防治。正因为对 称齿槛的向心束流作用， 因此能够充分保障束流侧墙的稳定性， 在沟床比降较小的情况下 具有更强冲刷， 不易出现泥石流淤积， 有利于长期运行。
针对流体冲刷下切侵蚀和淤积的交替作用， 本发明基于对称的防冲刷齿槛间软基 的消能作用， 和束流侧墙与防冲刷齿槛共同的束流作用， 使得所述泥石流排导槽可以应用 于稀性泥石流、 或水石流、 或山区洪水排泄的防治。当流量较大时， 本发明充分利用泥石流 ( 或洪水 ) 的下层紊流与表层下降流之间的物质交换来消散流体内部动能， 防止下切侵蚀 ； 当流量较小时， 充分利用束流的冲刷作用防止泥沙淤积， 实现泥石流 ( 或洪水 ) 冲刷下切侵 蚀与淤积的动态平衡， 达到安全、 顺畅排泄泥石流的目的。 本发明提出的对称型结构能有效
调控沟谷冲刷 - 淤积平衡， 减小泥石流的冲刷破坏能力， 又能有效防止沟床淤积， 降低防护 工程的运行维护费用， 保障下游防护对象的安全。所述泥石流排导槽主要建于泥石流堆积 扇上， 将泥石流按照设计流速、 流路导向设计区域。
与现有技术相比， 本发明的有益效果是 ： 与全衬砌排导槽结构相比， 节省造价 15 ％以上， 且有利于工程后期运行管理 ； 与横向贯穿型齿槛相比， 在沟床比降较小的情况 下， 防淤积效果更佳、 投资更省， 且能够满足流域爆发从稀性泥石流到山区洪水的较宽变化 流体排泄需求 ； 与申请号为 200910058217.7 的发明专利申请 ( 交错齿槛型泥石流排导槽 ) 相比， 在有效延续其生态保护优点的基础上， 由于对称齿槛的向心束流作用， 不会产生绕流 冲刷束流侧墙基础的情况， 能够更加充分保障束流侧墙的稳定性， 在沟床比降较小的情况 下可产生更强的冲刷作用， 使泥石流不易产生淤积现象， 进而保证排导槽长期运行安全。 附图说明
图 1 是梯级防冲刷齿槛群的纵向剖视图。 图 2 是本发明的俯视图。 图 3 是本发明的横向剖视图。 图中标号如下 ： 1 防冲刷齿槛 2 束流侧墙 B 防冲刷齿槛在束流侧墙垂直方向上的横向长度 D 泥石流排导槽宽度 α 倾斜角度 b1 防冲刷齿槛的顶部宽 b2 防冲刷齿槛的底部宽 H 防冲刷齿槛埋深 L 梯级防冲刷齿槛群的每两个梯级之间的间距 h 防冲刷齿槛的高度差 H1 上游侧斜面高度 1 ∶ n 横坡比降 1 ∶ m 上游侧比降具体实施方式
下面结合附图， 对本发明的优选实施例作进一步的描述。
实施例一
如图 1、 图 2、 图 3 所示。针对流域面积为 2.0km2、 堆积扇面坡降 ( 即沟床比降 ) 为 12％。在设计标准下主要考虑稀性泥石流、 水石流和山洪。在泥石流堆积扇上， 建基于对称 梯级防冲刷齿槛群的泥石流排导槽， 包括束流侧墙 2 和置于其间、 与其相连、 配合使用的梯 级防冲刷齿槛群， 所述梯级防冲刷齿槛群的每两个梯级之间按一定间距分布， 所述梯级防 冲刷齿槛群由若干具有一定埋深的防冲刷齿槛 1 组成。所述梯级防冲刷齿槛群的每两个梯 级之间的间距 L 为 8.0m， 防冲刷齿槛 1 埋深 H 为 2.5m。
两个防冲刷齿槛 1 在束流侧墙 2 之间、 相对所述泥石流排导槽的中心线呈左右对 称分布， 共同构成所述梯级防冲刷齿槛群的一个梯级 ； 所述泥石流排导槽宽度 D 大于 2 倍防 冲刷齿槛 1 在束流侧墙 (2) 垂直方向上的横向长度 B。在 P2％设计标准下， 排导槽的泥石流 3 流量为 28.0m /s， D 取 3.0m， B 取 1.2m。防冲刷齿槛 1 与束流侧墙 2 相连处呈倾斜角度 α， 且向下游侧倾斜， α 取 75°。防冲刷齿槛 1 在沿束流侧墙 2 垂直方向上， 呈中间低、 靠束流侧墙 2 端高 ； 防冲刷 齿槛 1 的高度差 h 与防冲刷齿槛 1 在束流侧墙 2 垂直方向上的横向长度 B 之比的横坡比降 1 ∶ n 取 1 ∶ 4。在沿束流侧墙 2 纵向方向上， 防冲刷齿槛 1 的顶部宽 b1 取 0.6m、 底部宽 b2 取 1.0m， 下游侧垂直， 上游侧倾斜 ； 上游侧斜面高度 H1 与底部宽 b2、 顶部宽 b1 差之比的上游 侧比降 1 ∶ m 取 1 ∶ 0.4。H1 取 1.0m。
实施例二
如图 1、 图 2、 图 3 所示。针对流域面积为 20.0km2、 堆积扇面坡降为 3％。在设计 标准下主要考虑水石流和山洪。 与实施例一相同之处不再重复赘述， 不同之处在于 ： 所述梯 级防冲刷齿槛群的每两个梯级之间的间距 L 为 25.0m， 防冲刷齿槛 1 埋深 H 为 1.5m。
在 P2％设计标准下， 排导槽的泥石流流量为 100.0m3/s， D 取 16.0m， B 取 1.6m ； 倾斜 角度 α 取 45° ； 横坡比降 1 ∶ n 取 1 ∶ 20 ； 顶部宽 b1 取 1.5m、 底部宽 b2 取 2.0m， 上游侧 比降 1 ∶ m 取 1 ∶ 1。H1 取 0.5m。