斜傾蓋板水石分流池的分流能力分析

潘 攀, 魏振磊, 尚岳全, 王翔宇

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058)

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斜傾蓋板水石分流池的分流能力分析

潘 攀, 魏振磊, 尚岳全, 王翔宇

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058)

針對(duì)水動(dòng)力條件這一泥石流重要的激發(fā)因素,提出一套新型的水石分流系統(tǒng),系統(tǒng)主要由傾斜蓋板分流池和虹吸排水管組成.水石分流系統(tǒng)可以高效快速的排泄溝谷內(nèi)的水體,消除超強(qiáng)水動(dòng)力條件,對(duì)于抑制泥石流發(fā)生或減小其規(guī)模意義重大.依據(jù)水力學(xué)相關(guān)理論,建立計(jì)算分流量和分流率的方法,計(jì)算結(jié)果與一處實(shí)際分流池工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好.對(duì)影響分流能力的主要參數(shù)(蓋板長(zhǎng)度、寬度和傾斜角度)分別進(jìn)行了6種不同取值下的分流率計(jì)算,結(jié)果表明：蓋板寬度和角度的變化對(duì)于分流影響相當(dāng),長(zhǎng)度變化所帶來(lái)的影響最顯著,應(yīng)作為控制分流率時(shí)的主要調(diào)整對(duì)象.

泥石流；分流池；分流能力；分流率

泥石流作為一種常見的地質(zhì)災(zāi)害,具有流速快、物質(zhì)容量大和破壞力強(qiáng)等特點(diǎn).數(shù)十年來(lái),針對(duì)泥石流發(fā)展的不同區(qū)域(形成區(qū),流通區(qū),堆積區(qū))[1～3],泥石流發(fā)生的不同環(huán)境(道路、城鎮(zhèn)、礦山等)[4～6],前人進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐了多種多樣的治理方案,也取得了不少成果.但這些治理手段的著眼點(diǎn)多在于減少和躲避既有泥石流的成災(zāi)危害,由于泥石流形成后常常具有強(qiáng)大的沖擊力,并伴隨侵蝕、攜帶作用[7],傳統(tǒng)的被動(dòng)防護(hù)思維給泥石流的有效防治帶來(lái)了很大的困難和挑戰(zhàn).如果可以從泥石流的形成條件出發(fā),最大限度地消除激發(fā)因素,從根源上抑制泥石流的形成和發(fā)展,將獲得費(fèi)省效宏的治理效果.

追根溯源,在泥石流形成的各種因素中,水動(dòng)力條件是激發(fā)因素[8,9],一旦失去了足夠的水動(dòng)力,泥石流就不會(huì)發(fā)生.因此,若能有效消減溝谷的水動(dòng)力條件,可以達(dá)到避免泥石流發(fā)生或減小其規(guī)模的目的；而相較于溝谷內(nèi)的松散堆積物,水體又是相對(duì)易于排泄的物質(zhì).所以,如果能使溝谷內(nèi)的固液混合物進(jìn)行分離,使固體物質(zhì)和水體分別釋放和排泄,是一種有效且可行的防治泥石流災(zāi)害的途徑,能夠達(dá)到釜底抽薪的效果.但不同于相對(duì)固定的溝谷條件,受地形和降雨等因素的影響,水動(dòng)力條件往往是變化較大的因素,強(qiáng)降雨形成的洪峰流量極有可能達(dá)到泥石流激發(fā)的閥值,需要快速而有效的排泄洪水,才能削峰消災(zāi).因而,要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)抑制泥石流形成和發(fā)展的目的,必須尋求一種不僅可以將水體和固體物質(zhì)進(jìn)行有效分離,還能夠快速排泄水體的技術(shù)方案.

目前關(guān)于泥石流治理方案中,能夠?qū)⑺w分離出來(lái)的主要有一些透水性攔擋結(jié)構(gòu)(如：鋼索網(wǎng)格壩[10]、格柵壩[11]、窗口壩[12]和梳齒壩[13]、透水性拱壩[14]等)或者文聯(lián)勇等[15]針對(duì)文家溝泥石流提出的“水石分離”治理方案.透水性攔擋結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)預(yù)設(shè)的空隙釋放流經(jīng)此處的泥石流流體中的水分和小顆粒,攔蓄大顆粒,從而消耗泥石流能量,達(dá)到消災(zāi)減災(zāi)的效果,但在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)作后很難應(yīng)對(duì)庫(kù)容的限制和泥石流沖擊、侵蝕掏空作用等問(wèn)題.而文聯(lián)勇等[15]提出的方案則是在形成區(qū)修建排水溝、洞、渠,將水流引入下游,達(dá)到水石分離效果,但是該方案采用的引、導(dǎo)水系統(tǒng)均采用重力排泄方式,不可避免的會(huì)出現(xiàn)固體顆粒淤積,排水速度緩慢等問(wèn)題.本文提出了一種新型的泥石流分流系統(tǒng),針對(duì)分流池的分流能力進(jìn)行了理論分析,建立了分流率的計(jì)算方法.通過(guò)分析不同的蓋板寬度、長(zhǎng)度以及傾斜角下的分流率變化情況,為實(shí)踐應(yīng)用提供可靠依據(jù).

1 水石分流系統(tǒng)的構(gòu)建

圖1 分流系統(tǒng)平面圖Fig.1 Plane graph of shunt pool

圖2 分流系統(tǒng)1-1剖面圖Fig.2 Shunt pool 1-1 profile

針對(duì)以上這些問(wèn)題,提出一種新的技術(shù)方案,可以有效解決泥石流的水石分流和系統(tǒng)的自清淤及快速排泄水體的問(wèn)題.分流系統(tǒng)的平面圖和剖面圖如圖1、2所示,其中，d為排水溝渠的寬度,L為蓋板沿水流方向長(zhǎng)度,θ為蓋板傾斜角度.從圖1、2中可見：分流池上布設(shè)傾斜沖孔蓋板,可以將流經(jīng)此處的固液混合物中的水體分離出來(lái),水石分流池可以依據(jù)地形條件布設(shè)在泥石流形成區(qū)或流通區(qū)內(nèi)；自清淤和快速排泄則由設(shè)置在池內(nèi)的虹吸管實(shí)現(xiàn).虹吸管的快速輸水能力保證了排水效率；虹吸的抽吸能力可以將池內(nèi)的細(xì)小顆粒與水體一同排泄,從而避免了池內(nèi)的淤積.由于大部分水體會(huì)經(jīng)由虹吸管繞過(guò)堆積區(qū)運(yùn)送至下游的安全溝道內(nèi),使分布松散堆積土溝谷內(nèi)水動(dòng)力條件在強(qiáng)降雨過(guò)程中始終被控制在安全閥值之內(nèi),從而保障固體物質(zhì)的穩(wěn)定,抑制泥石流的發(fā)生.

如圖2所示,分流池的傾斜蓋板保持有一定的角度,可防止較大固體顆粒在池頂停留,避免造成過(guò)水通道的堵塞或者壓垮蓋板.

相比于傳統(tǒng)的泥石流治理技術(shù)方案,其優(yōu)勢(shì)在于：分流系統(tǒng)的獨(dú)特構(gòu)造形式避免了傳統(tǒng)透水性壩體在反復(fù)使用后產(chǎn)生的固體物質(zhì)淤積效應(yīng),維護(hù)方便；分流出來(lái)的水流將以虹吸的方式高速抽吸至下游安全區(qū)域,實(shí)現(xiàn)了水體的快速轉(zhuǎn)移以便在強(qiáng)降雨時(shí)維持分流池的效能；分流虹吸排水使用的是管道密閉排水,虹吸水流可以帶走細(xì)小顆粒,實(shí)現(xiàn)自清淤,避免在大暴雨發(fā)生時(shí)排水通道堵塞；分流量隨溝谷流量增大而增大,可以應(yīng)對(duì)不同強(qiáng)度的分流任務(wù)；系統(tǒng)鋪設(shè)簡(jiǎn)便,工程量小,節(jié)省經(jīng)費(fèi),治理方案更加經(jīng)濟(jì)合理.

由于這一系統(tǒng)蓋板的下滲水流能力是重要環(huán)節(jié),因而主要針對(duì)固液分離性較好的稀性泥石流和水石流進(jìn)行分流.系統(tǒng)布設(shè)于形成區(qū)或者流通區(qū)前緣,也便于在溝谷流體固液混合度較小的情況下完成分流.顯然,分流池的分流能力是系統(tǒng)有效工作的關(guān)鍵問(wèn)題,也是工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)必不可少的參考依據(jù),有必要進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究.如果進(jìn)入池內(nèi)的水量過(guò)小,那么就不能達(dá)到消除水動(dòng)力條件的目的,為了合理設(shè)計(jì)分流系統(tǒng),弄清其分流能力的大小,首先對(duì)經(jīng)過(guò)分流系統(tǒng)的水體運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析和計(jì)算,進(jìn)而尋求對(duì)分流能力的求解方法.

2 水體運(yùn)動(dòng)過(guò)程及分流能力

2.1 水體運(yùn)動(dòng)過(guò)程

分流池修建在泥石流的形成區(qū)或流通區(qū)的溝谷中,上部鋪設(shè)分流蓋板,固液混合流經(jīng)過(guò)分流系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)分流.當(dāng)蓋板設(shè)置的傾角過(guò)于平緩時(shí),存在頂面土石淤積問(wèn)題；蓋板設(shè)置的傾角越大則越有利于防止淤積,但越不利于水體進(jìn)入分流池,為保持分流能力就需要越大分流池平面尺寸,相應(yīng)的費(fèi)用就會(huì)增加.因此,需要分析水體在分流池頂面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,為合理設(shè)計(jì)分流池的幾何參數(shù)提供依據(jù).

2.1.1 底坡突變時(shí)水體運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 在水體流經(jīng)蓋板之前,溝谷中的下泄水流在近分流池處就可以看作是明渠流.為了將流經(jīng)蓋板前和流入蓋板后的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái),引入水力學(xué)相關(guān)理論：當(dāng)水體流經(jīng)傾斜的蓋板上時(shí),明渠坡降發(fā)生突變,這時(shí)候運(yùn)動(dòng)必然轉(zhuǎn)化為明渠非均勻流(如果要形成均勻流,即視蓋板的傾斜角度為臨界底坡,臨界水深實(shí)際中無(wú)法達(dá)到),在底坡拐點(diǎn)處必然形成臨界流,因此此處依據(jù)矩形明渠非均勻流的流動(dòng)特征[16]來(lái)確定其在拐點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：

臨界水深:

(1)

臨界流速:

(2)

臨界底坡:

(3)

式中：qm為排水溝渠當(dāng)中的總流量；b為渠寬；Ck、Bk、χk分別為臨界水深時(shí)對(duì)應(yīng)的謝齊系數(shù)、渠寬、濕周；g為重力加速度；α為動(dòng)能修正系數(shù),該處取值為1；由于分流池的結(jié)構(gòu)特征,渠寬可以認(rèn)為就是蓋板的寬度.由此,對(duì)于固定寬度的渠寬,一旦給定一個(gè)溝谷流量,便可以求得在蓋板與明渠交界處的水體運(yùn)動(dòng)速度、水深等關(guān)鍵參數(shù).

2.1.2 蓋板上水體運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 水體通過(guò)拐點(diǎn)處后,便進(jìn)入第2運(yùn)動(dòng)階段,即流入蓋板之后階段.此時(shí)將水體運(yùn)動(dòng)仍然看成是明渠流動(dòng),在蓋板上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,相關(guān)參數(shù)如底坡,寬度等不變,水體在蓋板上的運(yùn)動(dòng)滿足伯努利方程,由此有

(4)

式中：z1、z2分別為蓋板入口和出口處高程；vk、v分別為蓋板入口處的臨界流速和出口處流速；λ為水頭損失系數(shù)；R為水力半徑(此處為矩形截面)；

其中，謝齊系數(shù)為

(5)

(6)

式中：n為粗糙系數(shù).

由式(2)、(5)、(6)結(jié)合矩形過(guò)水?dāng)嗝娴乃Π霃接?jì)算式得到水頭損失為

(7)

將式(7)代入式(4)即可算得蓋板出口處的運(yùn)動(dòng)速度.其中,出入口斷面高程差可以由蓋板傾斜角度和蓋板長(zhǎng)度來(lái)描述.

2.1.3 水流通過(guò)蓋板時(shí)間 將水體在蓋板上的運(yùn)動(dòng)看成是勻加速運(yùn)動(dòng)的話,則可以近似求出其在蓋板上方的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,如：

(8)

式中：a為水流運(yùn)動(dòng)方向的加速度；s為水流運(yùn)動(dòng)距離,此處s=L;t為水流通過(guò)蓋板時(shí)間；由此,水體在蓋板上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以由以上方程加以描述,可以看出,對(duì)于給定尺寸的分流池,即傾斜角度、寬度(同渠寬)、長(zhǎng)度都確定的情況下,對(duì)于固定的流量,運(yùn)動(dòng)形式是固定可知的.

2.2 分流能力

2.2.1 計(jì)算原理 分流能力是進(jìn)入池內(nèi)水量與通過(guò)蓋板總流量之比.前已述及,進(jìn)入蓋板區(qū)域的水深是確定值,如果將水流沿流向切割成若干矩形水條,水條通過(guò)小孔時(shí)便在重力作用下進(jìn)入池內(nèi),與小孔出流的形式相當(dāng),因而使用其公式進(jìn)行計(jì)算.依據(jù)水力學(xué)理論中的小孔出流計(jì)算公式[16]做相應(yīng)變換,由于水流速度方向與孔垂直,因此進(jìn)入量由蓋板與水平面夾角控制,其單孔流量為

(9)

式中：μ為流量系數(shù)，D為蓋板上小孔直徑，h為水流深度.

水深為水流進(jìn)入孔內(nèi)提供了動(dòng)力,然而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,水流不斷進(jìn)入孔內(nèi),水深必然逐漸降低,因此其進(jìn)入量隨著運(yùn)動(dòng)過(guò)程逐漸減少.考慮到孔在蓋板上是均勻分布的,前已述及可以求得水流在板上運(yùn)動(dòng)時(shí)間,因此可以把整個(gè)下滲過(guò)程看成是一個(gè)變水頭的箱內(nèi)小孔出流模型.這種情況下,進(jìn)入孔內(nèi)的流量是恒定水頭的1/2.因此,在計(jì)算中,由式(9)得到的流量是實(shí)際進(jìn)入量的2倍,即還需乘以0.5的系數(shù).

式中流量系數(shù)的選取也影響到計(jì)算結(jié)果,在水力學(xué)的薄壁恒定側(cè)孔的出流中,一般認(rèn)為流量系數(shù)為0.60～0.62,但那是針對(duì)實(shí)驗(yàn)室較為理想的單孔出流的情況.這里參考唐朝春等[17]關(guān)于多孔管流量系數(shù)的研究所得結(jié)果,文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：隨著配水管內(nèi)水流動(dòng)方向的孔數(shù)的變化,流量系數(shù)不斷減小,且遞減趨勢(shì)越來(lái)越大,頭孔約為0.51,第50孔為0.34.實(shí)際計(jì)算可以依據(jù)流動(dòng)方向上孔數(shù)做相應(yīng)參考,選取合適的流量系數(shù),另一方面,若設(shè)計(jì)中采用較小的流量系數(shù),會(huì)使得設(shè)計(jì)偏保守,也是比較利于工程效果的實(shí)現(xiàn)的.

2.2.2 求解過(guò)程 基于2.1和2.2.1中的分析和討論,針對(duì)已知的溝谷流量,整個(gè)求解步驟如下：

1)依據(jù)溝谷內(nèi)流量通過(guò)式(1)、(2)求得進(jìn)入蓋板區(qū)域內(nèi)的水流速度和深度；

2)假設(shè)水流一定能通過(guò)過(guò)沖孔板(不會(huì)完全進(jìn)入池中),通過(guò)式(4)計(jì)算通過(guò)時(shí)間,但是由于在流經(jīng)途徑上不全為孔,因此將途徑上所有孔的孔徑之和與途徑總長(zhǎng)之比同時(shí)間的乘積作為有效的下滲時(shí)間,即

(10)

式中：te為有效下滲時(shí)間；m為小孔個(gè)數(shù).

3)在確定的孔在板上的分布情況和孔徑大小的基礎(chǔ)上,為簡(jiǎn)化計(jì)算,考慮單位時(shí)間與孔徑同寬的一條狀水流進(jìn)入蓋板區(qū)域量為計(jì)算總量,將水條按照孔徑大小切割成若干底面為正方形(邊長(zhǎng)同孔徑),高為水深的立方體.由于每份的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和經(jīng)過(guò)的小孔數(shù)量一致,因此考察其中一份的下滲量即可,易求得其中一份的水量值；

4)按式(9)的1/2為單孔進(jìn)入流量的計(jì)算值,用單孔流量與有效下滲時(shí)間乘積為下滲計(jì)算量；

5)如果按照步驟4)的計(jì)算,進(jìn)入量大于步驟3)所求得的每份立方體水量,則認(rèn)為全部進(jìn)入池內(nèi),反之即可得求得分流比例.

2.3 實(shí)例計(jì)算

為驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性,針對(duì)一處已建成的分流系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算.該分流系統(tǒng)鋪設(shè)于寧波33省道奉化段K3+800處,分流系統(tǒng)布設(shè)于排水涵洞出口.該處由于公路施工在山區(qū)溝谷產(chǎn)生大量碎石,溝谷附近匯水條件好,常由于季節(jié)性強(qiáng)降雨發(fā)生水石流災(zāi)害.因而課題組在一典型溝谷處修建分流池,外形結(jié)構(gòu)如圖3、4所示,其中渠寬約5 m,蓋板采用304不銹鋼沖孔板(該工藝下蓋板耐久度好,且表面平整光滑,不利于固體物質(zhì)堆積),其上分布直徑1 cm圓孔(小孔尺寸基于虹吸管的抽吸能力控制[18]),間隔1.5 cm成梅花狀分布,沿水流方向板長(zhǎng)2.44 m,傾斜角度約為45°.在近排水涵洞處和分流系統(tǒng)的虹吸排水的出水口處都設(shè)有流量觀測(cè)系統(tǒng),可以實(shí)際觀測(cè)到分流情況.此處沿水流方向上分布有約50孔,選取平均流量系數(shù)為0.4用以計(jì)算,蓋板粗糙系數(shù)選為0.014.

圖3 分流池整體外觀Fig.3 Appearance of shunt pool

圖4 攔污蓋板外觀Fig.4 Appearance of inclined plate

針對(duì)幾次實(shí)測(cè)降雨產(chǎn)流和分比例的計(jì)算,得到如下結(jié)果：1)2014年7月13日20時(shí)實(shí)測(cè)降雨產(chǎn)生流量為0.079 m3/s,消能池在這一時(shí)段流量0.055 m3/s,分流比例為70%,計(jì)算值為74% ；2)2014年7月28日晚上17時(shí),實(shí)測(cè)最大流量達(dá)到0.076 m3/s；消能池流量為0.060 m3/s；分流比例為79%,計(jì)算值為75.8% ；3)2014年8月1日晚10時(shí)40分最大流量達(dá)到0.033 m3/s,消能池流量為0.031 m3/s,分流比例為94%,計(jì)算值為126.2%.

計(jì)算值和實(shí)測(cè)值存在一些差異,這可能是由于：計(jì)算中簡(jiǎn)化部分帶來(lái)的誤差；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差；計(jì)算中使用的參數(shù)與實(shí)際中的差別帶來(lái)的誤差；在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生較為復(fù)雜的水流運(yùn)動(dòng)形式,造成實(shí)際情況與假設(shè)情況不符的現(xiàn)象,因而帶來(lái)的誤差.但是基本上是可以指示和評(píng)估其分流效能,計(jì)算方法是可靠的.從流量的變化導(dǎo)致的分流變化趨勢(shì)中看出：實(shí)際分流量隨流量增大而增大,而分流率隨流量增大而減小,這是由于流量的增大導(dǎo)致臨界水深增加,從而增加了進(jìn)入池內(nèi)的水量,但同時(shí)流速增大使得有效下滲時(shí)間縮短,因此分流比例有所下降.

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分流效能的影響

本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工程設(shè)置的虹吸管為4根100 mm內(nèi)徑的PE管.其排泄能力在系統(tǒng)鋪設(shè)前經(jīng)過(guò)核算,峰值排泄能力大于該溝谷的暴雨洪峰流量,考慮蓋板的作用,可以判定進(jìn)入分流池的水體和細(xì)小顆粒是能夠完全由虹吸管帶出,不會(huì)發(fā)生排泄和清淤能力不足的問(wèn)題.因而此處僅討論結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分流效能的影響.

3.1 影響參數(shù)

2.1和2.2中的分析和驗(yàn)算表明,分流池的寬度d,長(zhǎng)度(水流方向)L,傾斜角度θ以及孔徑大小D都對(duì)分流能力有影響.但是孔徑大小是受池內(nèi)虹吸管的清淤能力控制,因此這里不做討論.

為了探究這3項(xiàng)參數(shù)對(duì)分流率的影響情況,針對(duì)2.3算例中的流量為0.079 m3/s的情況進(jìn)行計(jì)算,考察蓋板寬度、長(zhǎng)度以及傾斜角度對(duì)分流率P的影響.分別調(diào)整寬度d為5、6、7、8、9、10 m進(jìn)行計(jì)算,其他參數(shù)不變,結(jié)果如圖5所示；分別調(diào)整長(zhǎng)度L為2.44、2.928、3.416、3.904、4.392、4.880進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖6所示；調(diào)整傾斜角度為20°、25°、30°、35°、40°、45°進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖7所示.

3.2 寬度影響

從圖5中可以看出,隨著寬度的增加,分流率逐漸增大.分流池的寬度的變化,會(huì)影響水流進(jìn)入蓋板區(qū)域的水深和流速,增大寬度會(huì)使得他們均減小.水深減小,則水越過(guò)孔時(shí)壓力減小,會(huì)使得進(jìn)入孔內(nèi)流量會(huì)因此減小,于分流率不利；但深度減小,意味著作為計(jì)算分流率的總量減小,也就是每排孔的分流任務(wù)相應(yīng)減小,如此對(duì)于提升分流率是有利的；而流速減小,則通過(guò)蓋板時(shí)間會(huì)有所增加,亦會(huì)使得有效下滲時(shí)間增加,于下滲是有利的.從整體上的計(jì)算結(jié)果來(lái)說(shuō)其影響是比較有限的,這是由于寬度和水深以及流速的關(guān)系是成非線性關(guān)系.如果其他參數(shù)看成常數(shù),可以知道寬度與水深的關(guān)系式指數(shù)為-2/3,寬度與流速的關(guān)系式指數(shù)為-1/3,因此寬度的變化對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的影響并不大,并且影響有利有弊,所以呈現(xiàn)的整體分流效果的提升并不大.

圖5 當(dāng)L=2.44 m, θ=45°, d=5 m時(shí)分流率-寬度曲線Fig.5 Split ratio of different widths(when L=2.44 m,θ=45°,d=5 m)

3.3 長(zhǎng)度影響

圖6 當(dāng)d=5 m, θ=45°, L=2.44 m時(shí)分流率-長(zhǎng)度曲線Fig.6 Split ratio of different length(when d=5 m,θ=45°,L=2.44 m)

從圖6中可看出，隨著蓋板長(zhǎng)度的增加,分流率亦逐漸增大,幅度大于寬度增加帶來(lái)的影響.蓋板長(zhǎng)度的變化,并不會(huì)影響水流進(jìn)入蓋板區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),但是流經(jīng)途徑變長(zhǎng),會(huì)使得通過(guò)時(shí)間增加,因此是對(duì)分流率有利的.長(zhǎng)度增加同樣會(huì)使得出流速度增加,因此對(duì)時(shí)間的增加效應(yīng)也并非線性.整體上來(lái)說(shuō),由于長(zhǎng)度的增加帶來(lái)的均是有利變化,因此對(duì)于整體分流率的影響結(jié)果比較顯著,從計(jì)算情況上來(lái)看,接近線性的影響.

3.4 角度影響

從圖7中可以看出,隨著蓋板傾角的增大,分流率逐漸減小.角度變化所采用的計(jì)算選取值,主要是考慮到固體物質(zhì)在失去水動(dòng)力減少的情況下,盡可能少的堆積在蓋板上,因此在一般巖土顆粒的休止角附近選取.角度的變化同樣不會(huì)影響水流進(jìn)入蓋板區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài),這是由于相比于溝渠的臨界底坡,蓋板傾斜角度是很大的,即便在20°、時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生臨界水深等狀態(tài).角度的變小會(huì)使得進(jìn)出口的高度差減小,因此出口流速會(huì)降低,通過(guò)時(shí)間會(huì)增加,于分流有利；同樣角度減小,對(duì)于流經(jīng)孔上的水流壓力增加有利,同樣對(duì)于分流有利.整體上來(lái)看,其變化也都是有利的,應(yīng)該對(duì)于分離率提高很顯著,但計(jì)算結(jié)果并非如此,這是由于算式中采用的是三角函數(shù)值,因此角度上的變化會(huì)被弱化,另外關(guān)于壓力的增加,其函數(shù)的指數(shù)為1/2,同樣會(huì)弱化影響,因此整體上的影響并不顯著,與寬度變化的影響相當(dāng).

圖7 L=2.44 m, d=5 m時(shí)分流率-傾角曲線Fig.7 Split ratio of different angle(when L=2.44 m,d=5 m)

4 結(jié) 論

斜傾蓋板水石分流池的構(gòu)建解決了溝谷內(nèi)堆積大量碎屑物質(zhì)帶來(lái)的潛在安全隱患,可以對(duì)溝谷中順?biāo)碌墓腆w物質(zhì)和水流進(jìn)行有效分離,從而抑制其發(fā)展,消除泥石流災(zāi)害的威脅.其中,分流能力是系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐和設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題,是合理經(jīng)濟(jì)構(gòu)建分流系統(tǒng)的基礎(chǔ),有必要進(jìn)行詳細(xì)研究.針對(duì)修建的一處野外實(shí)際工程,分析影響分流能力的幾項(xiàng)參數(shù),并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算和比較,結(jié)論如下：

(1) 斜傾蓋板水石分流系統(tǒng)對(duì)于山區(qū)溝谷的泥石流防治有巨大意義.這一方案在一處山區(qū)公路排水涵洞口出實(shí)施應(yīng)用,取得了很好的分流效果,在臺(tái)風(fēng)暴雨期間抑制了災(zāi)害的發(fā)生.

(2) 分析水流在通過(guò)分流系統(tǒng)過(guò)程中的各個(gè)階段,結(jié)合水力學(xué)相關(guān)理論,建立了計(jì)算分流能量和分流率的方法,并與在一處野外大型試驗(yàn)中采取相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,其計(jì)算結(jié)果與所獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好.

(3) 分流池的寬度、長(zhǎng)度和傾斜角度是對(duì)分流能力影響最為重要的幾項(xiàng)參數(shù).針對(duì)不同參數(shù),依次計(jì)算其6種不同變化值對(duì)分流能力的影響,結(jié)果顯示分流池長(zhǎng)度的變化對(duì)于分流能力的影響最為顯著.相對(duì)于寬度,長(zhǎng)度通常對(duì)于地形條件的要求更小,可以成為設(shè)計(jì)分流能力時(shí)的主要調(diào)整對(duì)象.實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要依據(jù)溝谷內(nèi)洪峰流量,以及溝谷泥石流啟動(dòng)條件進(jìn)行調(diào)整.

(4) 傾斜角度對(duì)于分流的影響基本上與寬度的變化帶來(lái)的影響相當(dāng),但其設(shè)計(jì)應(yīng)以保證碎屑物質(zhì)難以堆積為前提.實(shí)例中采用45°獲得了良好效果,設(shè)計(jì)時(shí)可以依據(jù)區(qū)域主要固體顆粒的天然休止角進(jìn)行設(shè)計(jì).考慮到蓋板帶小孔會(huì)增加摩阻力,因此傾斜角度不應(yīng)小于濕休止角,以防固體顆粒的過(guò)量堆積.

(5) 蓋板上孔徑大小和孔徑密集程度對(duì)于分流能力同樣有很大影響,文中沒(méi)有展開討論是由于其對(duì)分流量的影響在此計(jì)算方法中是線性變化的.另外,孔徑大小受池內(nèi)虹吸管的清淤能力控制,虹吸管的尺寸及其距池底距離等因素[18]決定了蓋板上孔徑的大小,因此不做討論.

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Analysis on separation ability of inclined plate water-stone shunt pool

PAN Pan, WEI Zhen-lei, SHANG Yue-quan, WANG Xiang-yu

(.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

A new type of water-stone shunt system was proposed according to the hydrodynamic condition, which is an important motivating factor of debris flow. The system mainly composed of inclined plate shunt pool and siphon drainage pipe. This system could rapidly discharge the water and eliminated the exceeding hydrodynamic conditions, making great significance to inhibit debris flow occurrence or to reduce its scale. On the basis of hydraulics theory, the calculation method of shunt volume and split ratio was established, which had good agreement with the experimental data measured in an actual shunt pool. The main parameters that affected the separation ability of the structure,including cover plate's length, width and angle,was calculated and analyzed with six different values, respectively. Results show that the change of the plate's length has significant effect on the influence of the separation ability, while that of the plate's width and angle has the same effect.Therefore, the plate's length should be treated as the main adjustment object to control the split ratio.

debris flow; shunt pool; separation ability; split ratio

2015-10-10.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272336).

潘攀(1990—)，男，博士生，從事地質(zhì)災(zāi)害防治等研究.ORCID：0000-0003-2689-5343. E-mail: panpan900202@outlook.com

尚岳全，男，教授.ORCID：0000-0003-0394-4237. E-mail: syq@zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.08.005

X 43

A

1008-973X(2016)08-1456-07

浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng