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1、2009年6月June2009JournalofGeologicalHazardsandEnvironmentPreservation文章编号:1006-4362(2009)02-0029-04泥石流拦挡坝优化设计李冠奇1,2,魏鸿1,谷明成1,李朝安1,3,陈宪麦4(1.中铁西南科学研究院有限公司,成都610031;2.四川大学水利水电学院,成都610065;3.西南交通大学土木工程学院,成都610031;4.哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨150090)摘要:拦挡坝设防高度决定着库容,因此确定合理的设防高度在拦挡坝的设
2、计中极为重要。在坝址确定的情况下提高拦挡坝的设防高度可以加大库容,增强防治工程的抗灾能力,但其泄洪能力会受到影响,因此拦挡坝的库容与其泄洪能力是矛盾的。既有设计理论中泥石流峰值流量按照全流域面积汇水输沙总量计算,该理论认为每个拦挡坝的设计洪峰流量是相同的,而实质上对于流域面积大的泥石流沟,设置在上游、中游及下游的拦挡坝由于汇水面积的差异而导致泥石流峰值流量相差较大,本文作者提出了按有效汇流面积计算泥石流峰值流量的优化设计方法,用该方法设计的拦挡坝的溢流断面面积较小,从而达到提高设防高度,增大库容,提高拦挡坝的容灾能力。关键词
3、:泥石流;拦挡坝;优化设计中图分类号:P642.23文献标识码:A泥石流是一种山区常见地质灾害。它是泥沙在水动力作用下失稳后,集中输移的自然演变过程之一,在形成、流通和停积等运动环节上,具有严重的灾害性[1]。我国地域辽阔,2/3以上国土为山区或半山区,这些地区地质地貌条件复杂,其中有些地区地震频繁,新构造运动活跃,第四纪沉积物深厚,且山高坡陡、地表破碎,加上暴雨集中,植被覆盖率低,为泥石流发育提供了有利的自然条件[4]。随着西部大开发战略的实施,山区公路的修建、铁路的修筑、矿山的开采、水利工程的兴建,常导致地表结构破坏,加
4、之环保理念淡漠,在设计、施工、管理中,对植被保护不够,对弃土、弃渣处置不尽合理,泥石流灾害频发,给人民的生命财产造成了重大损失。泥石流治理工程主要包括拦挡工程、排导工程及生物工程等。拦挡工程主要为利用拦挡坝或格拦坝抑制泥沙发生,拦截水动力源,阻滞泥沙输移、减势、稳定沟床及减轻两岸侵蚀[1,4];排导工程主要包括渡槽、排导沟、导流堤等,其功能主要为拦截水动力源、通畅流路、定向输移[1];生物工程,即通过植树造林,提高植被覆盖率,减沙、固沙,稳定物源、控制泥石流形成的水动力条件,防止水土流失。根据沈寿长[5]等人对铁路沿线130
5、0余条泥石流沟及600多处防治工程建筑物的统计,拦挡坝是泥石流治理工程中最常用的治理措施,占防治工程建筑物总数的52%。拦挡坝在泥石流防治中的重要性可见一斑。拦挡坝的现行设计方法规范及已有的论著通常按雨洪法设计拦挡坝。1Qc(1+<)Qp·Dc[1]=(1)式中,Qc为频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s);QP为频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s);(1十<)为泥石流中由含沙量变化而引起的流量修正系数;Dc为泥石流堵塞系数。其中,Qp可用如下公式表示Qp=0.278r×i×F[1](2)式中,r为按某频率下小时平均雨强(
6、mm/h)设计,用实测最大小时雨强校核;i为产水系数,与雨强的大小和植被的多少呈正变,与松散土层的厚度呈反变,一般产水系数i=0.3～0.8;F为流域面积(km2)。收稿日期:2007207223改回日期:200821122130地质灾害与环境保护2009年图1某泥石流拦挡坝平面布置图Fig.1Distributionofsomedebrisflowpreventionengineer根据泥石流洪峰流量及泥石流流速等参数以及流域地形地貌,布置拦挡坝。在沟谷较短、流域面积较小的情况下,由于汇水面积变化不大,该方法是合理的,但对
7、于沟谷长达数公里甚至10余公里的的泥石流沟,由于汇流面积差异较大,不宜沿用该方法进行设计,以下将对其不合理性进行说明。图1为某泥石流沟拦挡坝的平面布置图,按照传统方法,图中1号坝及7号坝承受相同的泥石流峰值流量(按全流域汇水面积计算),而实际上拦挡坝1号坝所承受的泥石流峰值流量远小于拦挡坝7号坝的峰值流量,由式(3)可知,峰值流量决定了溢流断面的大小,因此拦挡坝1号坝的溢流断面面积因为过高的峰值流量扩大了。1km或流域面积大于3km2的沟谷,拦挡坝设计应按有效汇流面积进行泥石流峰值流量计算。泥石流拦挡坝有效汇流面积指所汇水量
8、能够直接作用于拦挡工程上的汇水区域的面积。则按该设计原则对应于拦挡坝1号坝的有效汇流面积为:(5)F有效=F1拦挡坝7号坝的有效汇流面积为:F有效=F1+F2(6)图3有效汇水面积计算简图Fig.3Theplanforeffectiveareacomputation根据有效汇流面积的计算结
