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泥石流排导槽是一类应用于流域中下游堆积区的灾害防治工程,目前效果较好的有全衬砌“V”型槽和具备软基消能特性的“东川”槽。交错齿槛槽在“东川”槽肋槛的基础上,结合水利工程中丁坝的导流护坡功能,在槽底基础上布置交错型齿槛,达到软基消能、调节泥石流在槽内的流速和流态,同时有较高的排泄效能的目的。
野外调查已建东川槽防治效果,在此基础上通过室内水槽试验,探讨交错齿槛槽的排导特征。齿槛的基本参数较多,本次试验重点关注齿槛的间距L、夹角α两个参数,同时考虑齿槛长度B的影响。试验物料取蒋家沟内泥石流堆积物,配制物料容重γ为16kN/m3和20kN/m3模拟稀性泥石流和粘性泥石流,18kN/m3模拟过渡性泥石流作对比;根据泥石流性质,稀性泥石流安排试验纵比降I=0.05、I=0.08和I=0.10,粘性泥石流试验安排I=0.10、I=0.12和I=0.15。分析试验中泥石流流速、泥深和排导指数的变化,以及泥石流残留层的淤积形态和沉积物颗粒特征,得到齿槛参数对排导特征的影响规律。并在此基础上,进行交错齿槛型泥石流排导槽的优化设计。
试验中泥石流运动和沉积均受到齿槛的影响和约束,流体分为2股,中泓区绕齿槛做空间螺旋运动,两侧漫槛而过做跌落一起动运动。稀性泥石流在排导槽中龙头翻卷,流体冲击齿槛产生水跃;槽内残留层形态受齿槛约束,两齿槛之间比降缓,在齿槛位置形成跌坎。粘性泥石流粘度大,运动迹线稳定整体性好;沉积物淤埋齿槛呈丘状起伏,槛后形成泥坑。
泥石流在交错槽内流速V与纵比较I成正相关,这与天然沟道和其他类型排导槽内情况一致;齿槛参数中,齿槛间距L对流速V调节效果好,规律明显。泥深变化规律与泥石流性质相关;稀性泥石流泥深h与纵比降I呈正相关,且受齿槛参数影响大;粘性泥石流泥深h与纵比降I成反比例关系,流速快泥深下降,流量变化幅度小。
排导指数κ反映排导槽对泥石流的排泄效率,受齿槛调节。稀性泥石流排导指数κ与纵比降I成先增大后减小,分析稀性泥石流颗粒组成,I=0.08纵比降下粗颗粒含量小;粘性泥石流排导指数κ与纵比降I成正比例关系。齿槛间距L对排导指数κ的调节显著,稀性泥石流成良好的正比例关系,粘性泥石流是随间距L先增大后减小;齿槛角度α对粘性泥石流调节作用较明显,成反比例关系,稀性泥石流调节作用不显著;和齿槛长度B调节规律明显,成反比例关系。
根据试验现象和结果分析,对交错槽齿纵断面、横断面和设计流速进行优化。纵断面优化包括纵比降I和齿槛间距L调整;纵比降受地形限制只能在小范围内调整,选择较大的比降,针对纵比降I=0.10以下稀性泥石流为主的工况时选择接近I=0.08比降;齿槛间距L以1倍槽底宽度D为宜,根据不同比降适当调整。横断面优化包括齿槛角度α和齿槛长度B;齿槛长度B的选择遵循比降大长度长的原则;齿坎角度α对泥石流的排导特征的调节效果一般,规律不明显,可能是夹角对泥石流冲刷调节效果好,对淤积调节效果不佳。西南地区常用泥石流流速计算公式多为类曼宁公式,交错槽改变了沟道糙率n,其中齿槛间距L对流速V调节效果很好,规律明显,贡献最大,因此增加糙率修正系数m,VL=mVC,建立泥石流在交错槽内的流速模型。
本文通过水槽试验研究交错槽的排导特征,得到泥石流在交错槽内运动和淤积的基本特征,并由此对交错槽进行优化设计,提出优化方案,取得初步成果。