拦沙坝对泥石流调控机制的试验研究

论文摘要

泥石流是山地灾害的主要类型之一,对山区开发和建设危害巨大,防治工作十分紧迫。在泥石流工程防治措施中拦沙坝是一种重要和有效的手段,一般建在泥石流形成区沟谷内,拦沙坝的主要作用为调节泥石流性能（流速、容重和颗粒大小等）、固床护坡等。针对目前拦沙坝偏向于半经验化设计的问题,拦沙坝调节泥石流性能的相关研究从功能方面入手,为其定量化设计提供参考和依据,提高泥石流工程防治的综合能力,对促进山区经济健康可持续发展等具有重要价值和现实意义。本文在理论研究现状的基础上,根据实际调查总结拦沙坝结构形式和运用工况,结合防护体系配置优化的新思路展开试验研究。在室内二维水槽模型试验中,通过改变泥石流容重、一次过程总量、库存状态和模型坝的开孔率等控制参数,模拟不同性质的泥石流在拦沙坝多种工作状态下的过流情况,重点分析了泥石流性能参数随控制参数的变化情况,并对拦沙坝工程设计优化做了相关探讨,取得以下主要成果：（1）对于稀性和过渡性泥石流,空库过流时,浆体能够顺畅通过坝体排水孔,开孔率对流量变化起主要作用,相同条件下开孔率2.2%时的变化量约为开孔率6.6%时的2倍左右；半库过流时,排水孔过流与坝顶溢流同时存在,其中排水孔过流为主要方式,因此过流流量仍是随开孔率的增大而增大；满库过流时,排水孔被预存土料堵塞,虽有自由水下渗,但过流后未见孔贯通,因此过流方式为坝顶溢流。对于粘性泥石流,空库和半库过流均造成堵孔,空库过流体积为0,相应的流量也计为0,满库时与稀性和过渡性过流后的流量处于相当的水平。（2）容重既是试验的控制因素,又是体现泥石流性能的结果参数。随着泥石流物料容重由小至大,容重变化比值先减小后增大,试验槽中的预存土料性质对过流后容重大小也产生影响,但不改变其先减小后增大的变化趋势,结合试验数据统计分别采用二次式y=0.0034x2-0.1064x+1.7316和y=0.0045x2-0.1529x+2.2139来拟合空库和半库过流时物料容重与容重变化比值的关系；（3）D50代表泥石流组成颗粒的中值粒径,将D50比值作为表征拦沙坝分选能力的参数。针对空库过流情况,不同容重泥石流的坝后颗粒D50比值随开孔率的增大均呈增大趋势,泥石流容重越小变化越显著,三种容重的泥石流空库过坝后的Dso变化参考值范围0.60-0.83、0.81～0.94和0.98～1.00；当坝库内有预存量时,在泥石流体中自由水与预存土料混合作用的影响下,过坝浆体中所含颗粒分布趋向于粗颗粒增多、细颗粒减少。（4）结合试验现象和参数规律以及磨蚀问题的考虑对拦沙坝工程的优化设计做了一些探讨,主要包括：泥石流性质与防洪设计标准之间的关系,长期运用下性质变化对拦沙坝设计计算影响和开孔率引起的流量及颗粒变化对防治体系设计量分担的考虑,另外具体从排水孔的构造和施工方面提出一种预制管件的方法设想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题目的及意义
• 1.2 拦沙坝研究现状
• 1.2.1 拦沙坝的结构类型
• 1.2.2 拦沙坝设计的参数确定
• 1.2.3 拦沙坝的结构计算
• 1.2.4 拦沙坝的优化设计
• 1.3 拦沙坝研究的发展趋势
• 1.3.1 拦沙坝与泥石流流域的相互影响
• 1.3.2 拦沙坝与其他防护工程的协同作用
• 1.4 研究内容和技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 第2章 拦沙坝工程实例及工作状态分析
• 2.1 典型拦沙坝工程实例
• 2.1.1 云南大理-苍山莫残溪圣佛坝
• 2.1.2 四川冕宁-盐井沟3号拦沙坝
• 2.1.3 四川九寨沟-荷叶沟拦沙坝群
• 2.2 拦沙坝工作状态分析
• 2.2.1 常规工作状态
• 2.2.2 特殊工作状态
• 第3章 试验设计
• 3.1 比尺选定
• 3.2 试验模型
• 3.2.1 料斗
• 3.2.2 试验槽
• 3.2.3 模型坝
• 3.2.4 尾料车
• 3.3 试验物料
• 3.4 组别设计
• 3.4.1 试验控制参数
• 3.4.2 试验组数确定
• 3.5 试验流程
• 第4章 拦沙坝调节泥石流性能的试验分析
• 4.1 泥石流过坝试验现象
• 4.1.1 稀性泥石流过坝现象
• 4.1.2 粘性泥石流过坝现象
• 4.1.3 过渡性泥石流过坝现象
• 4.2 对试验影响较大的两种情况
• 4.2.1 试验槽纵坡对试验的影响分析
• 4.2.2 开孔与不开孔对试验的影响分析
• 4.3 常规工作状态下拦沙坝对泥石流性能的调节
• 4.3.1 泥石流过坝后的回淤纵坡
• 4.3.2 拦沙坝对泥石流流量的调控
• 4.3.3 拦沙坝对泥石流容重的调节
• 4.3.4 拦沙坝对泥石流颗粒的分选
• 4.4 特殊工作状态下拦沙坝对泥石流性能的调节
• 4.4.1 泥石流过坝后的回淤纵坡
• 4.4.2 泥石流流量变化
• 4.4.3 泥石流容重变化
• 4.4.4 泥石流颗粒组成的变化
• 4.5 泥石流过坝性能变化综合分析
• 4.5.1 容重对泥石流性能变化的影响
• 4.5.2 体积关系对泥石流性能变化的影响
• 4.5.3 开孔率对泥石流性能变化的影响
• 4.6 小结
• 第5章 拦沙坝工程优化设计探讨
• 5.1 磨蚀问题简述
• 5.1.1 材料角度
• 5.1.2 结构构造角度
• 5.2 优化设计探讨
• 5.3 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果
• 一、发表的论文
• 二、参加的科研项目