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 建筑工程學院,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 建筑工程學院,浙江 杭州 310058)

針對水動力條件這一泥石流重要的激發因素,提出一套新型的水石分流系統,系統主要由傾斜蓋板分流池和虹吸排水管組成.水石分流系統可以高效快速的排泄溝谷內的水體,消除超強水動力條件,對于抑制泥石流發生或減小其規模意義重大.依據水力學相關理論,建立計算分流量和分流率的方法,計算結果與一處實際分流池工程實測數據吻合較好.對影響分流能力的主要參數(蓋板長度、寬度和傾斜角度)分別進行了6種不同取值下的分流率計算,結果表明：蓋板寬度和角度的變化對于分流影響相當,長度變化所帶來的影響最顯著,應作為控制分流率時的主要調整對象.

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災害,具有流速快、物質容量大和破壞力強等特點.數十年來,針對泥石流發展的不同區域(形成區,流通區,堆積區)[1～3],泥石流發生的不同環境(道路、城鎮、礦山等)[4～6],前人進行了大量研究和實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多在于減少和躲避既有泥石流的成災危害,由于泥石流形成后常常具有強大的沖擊力,并伴隨侵蝕、攜帶作用[7],傳統的被動防護思維給泥石流的有效防治帶來了很大的困難和挑戰.如果可以從泥石流的形成條件出發,最大限度地消除激發因素,從根源上抑制泥石流的形成和發展,將獲得費省效宏的治理效果.

追根溯源,在泥石流形成的各種因素中,水動力條件是激發因素[8,9],一旦失去了足夠的水動力,泥石流就不會發生.因此,若能有效消減溝谷的水動力條件,可以達到避免泥石流發生或減小其規模的目的；而相較于溝谷內的松散堆積物,水體又是相對易于排泄的物質.所以,如果能使溝谷內的固液混合物進行分離,使固體物質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害的途徑,能夠達到釜底抽薪的效果.但不同于相對固定的溝谷條件,受地形和降雨等因素的影響,水動力條件往往是變化較大的因素,強降雨形成的洪峰流量極有可能達到泥石流激發的閥值,需要快速而有效的排泄洪水,才能削峰消災.因而,要實現主動抑制泥石流形成和發展的目的,必須尋求一種不僅可以將水體和固體物質進行有效分離,還能夠快速排泄水體的技術方案.

目前關于泥石流治理方案中,能夠將水體分離出來的主要有一些透水性攔擋結構(如：鋼索網格壩[10]、格柵壩[11]、窗口壩[12]和梳齒壩[13]、透水性拱壩[14]等)或者文聯勇等[15]針對文家溝泥石流提出的“水石分離”治理方案.透水性攔擋結構主要是通過預設的空隙釋放流經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,達到消災減災的效果,但在長時間的運作后很難應對庫容的限制和泥石流沖擊、侵蝕掏空作用等問題.而文聯勇等[15]提出的方案則是在形成區修建排水溝、洞、渠,將水流引入下游,達到水石分離效果,但是該方案采用的引、導水系統均采用重力排泄方式,不可避免的會出現固體顆粒淤積,排水速度緩慢等問題.本文提出了一種新型的泥石流分流系統,針對分流池的分流能力進行了理論分析,建立了分流率的計算方法.通過分析不同的蓋板寬度、長度以及傾斜角下的分流率變化情況,為實踐應用提供可靠依據.

1 水石分流系統的構建

圖1 分流系統平面圖Fig.1 Plane graph of shunt pool

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

針對以上這些問題,提出一種新的技術方案,可以有效解決泥石流的水石分流和系統的自清淤及快速排泄水體的問題.分流系統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度,θ為蓋板傾斜角度.從圖1、2中可見：分流池上布設傾斜沖孔蓋板,可以將流經此處的固液混合物中的水體分離出來,水石分流池可以依據地形條件布設在泥石流形成區或流通區內；自清淤和快速排泄則由設置在池內的虹吸管實現.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的細小顆粒與水體一同排泄,從而避免了池內的淤積.由于大部分水體會經由虹吸管繞過堆積區運送至下游的安全溝道內,使分布松散堆積土溝谷內水動力條件在強降雨過程中始終被控制在安全閥值之內,從而保障固體物質的穩定,抑制泥石流的發生.

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,避免造成過水通道的堵塞或者壓垮蓋板.

相比于傳統的泥石流治理技術方案,其優勢在于：分流系統的獨特構造形式避免了傳統透水性壩體在反復使用后產生的固體物質淤積效應,維護方便；分流出來的水流將以虹吸的方式高速抽吸至下游安全區域,實現了水體的快速轉移以便在強降雨時維持分流池的效能；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小顆粒,實現自清淤,避免在大暴雨發生時排水通道堵塞；分流量隨溝谷流量增大而增大,可以應對不同強度的分流任務；系統鋪設簡便,工程量小,節省經費,治理方案更加經濟合理.

由于這一系統蓋板的下滲水流能力是重要環節,因而主要針對固液分離性較好的稀性泥石流和水石流進行分流.系統布設于形成區或者流通區前緣,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有效工作的關鍵問題,也是工程設計環節必不可少的參考依據,有必要進行詳細的分析和研究.如果進入池內的水量過小,那么就不能達到消除水動力條件的目的,為了合理設計分流系統,弄清其分流能力的大小,首先對經過分流系統的水體運動情況進行分析和計算,進而尋求對分流能力的求解方法.

2 水體運動過程及分流能力

2.1 水體運動過程

分流池修建在泥石流的形成區或流通區的溝谷中,上部鋪設分流蓋板,固液混合流經過分流系統就會自動分流.當蓋板設置的傾角過于平緩時,存在頂面土石淤積問題；蓋板設置的傾角越大則越有利于防止淤積,但越不利于水體進入分流池,為保持分流能力就需要越大分流池平面尺寸,相應的費用就會增加.因此,需要分析水體在分流池頂面的運動過程,為合理設計分流池的幾何參數提供依據.

2.1.1 底坡突變時水體運動狀態 在水體流經蓋板之前,溝谷中的下泄水流在近分流池處就可以看作是明渠流.為了將流經蓋板前和流入蓋板后的運動聯系起來,引入水力學相關理論：當水體流經傾斜的蓋板上時,明渠坡降發生突變,這時候運動必然轉化為明渠非均勻流(如果要形成均勻流,即視蓋板的傾斜角度為臨界底坡,臨界水深實際中無法達到),在底坡拐點處必然形成臨界流,因此此處依據矩形明渠非均勻流的流動特征[16]來確定其在拐點處的運動狀態：

臨界水深:

(1)

臨界流速:

(2)

臨界底坡:

(3)

式中：qm為排水溝渠當中的總流量；b為渠寬；Ck、Bk、χk分別為臨界水深時對應的謝齊系數、渠寬、濕周；g為重力加速度；α為動能修正系數,該處取值為1；由于分流池的結構特征,渠寬可以認為就是蓋板的寬度.由此,對于固定寬度的渠寬,一旦給定一個溝谷流量,便可以求得在蓋板與明渠交界處的水體運動速度、水深等關鍵參數.

2.1.2 蓋板上水體運動狀態 水體通過拐點處后,便進入第2運動階段,即流入蓋板之后階段.此時將水體運動仍然看成是明渠流動,在蓋板上運動過程中,相關參數如底坡,寬度等不變,水體在蓋板上的運動滿足伯努利方程,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；R為水力半徑(此處為矩形截面)；

其中，謝齊系數為

(5)

(6)

式中：n為粗糙系數.

由式(2)、(5)、(6)結合矩形過水斷面的水力半徑計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動速度.其中,出入口斷面高程差可以由蓋板傾斜角度和蓋板長度來描述.

2.1.3 水流通過蓋板時間 將水體在蓋板上的運動看成是勻加速運動的話,則可以近似求出其在蓋板上方的運動時間,如：

(8)

式中：a為水流運動方向的加速度；s為水流運動距離,此處s=L;t為水流通過蓋板時間；由此,水體在蓋板上的運動狀態可以由以上方程加以描述,可以看出,對于給定尺寸的分流池,即傾斜角度、寬度(同渠寬)、長度都確定的情況下,對于固定的流量,運動形式是固定可知的.

2.2 分流能力

2.2.1 計算原理 分流能力是進入池內水量與通過蓋板總流量之比.前已述及,進入蓋板區域的水深是確定值,如果將水流沿流向切割成若干矩形水條,水條通過小孔時便在重力作用下進入池內,與小孔出流的形式相當,因而使用其公式進行計算.依據水力學理論中的小孔出流計算公式[16]做相應變換,由于水流速度方向與孔垂直,因此進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，D為蓋板上小孔直徑，h為水流深度.

水深為水流進入孔內提供了動力,然而在運動過程中,水流不斷進入孔內,水深必然逐漸降低,因此其進入量隨著運動過程逐漸減少.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動時間,因此可以把整個下滲過程看成是一個變水頭的箱內小孔出流模型.這種情況下,進入孔內的流量是恒定水頭的1/2.因此,在計算中,由式(9)得到的流量是實際進入量的2倍,即還需乘以0.5的系數.

式中流量系數的選取也影響到計算結果,在水力學的薄壁恒定側孔的出流中,一般認為流量系數為0.60～0.62,但那是針對實驗室較為理想的單孔出流的情況.這里參考唐朝春等[17]關于多孔管流量系數的研究所得結果,文中通過實驗得出：隨著配水管內水流動方向的孔數的變化,流量系數不斷減小,且遞減趨勢越來越大,頭孔約為0.51,第50孔為0.34.實際計算可以依據流動方向上孔數做相應參考,選取合適的流量系數,另一方面,若設計中采用較小的流量系數,會使得設計偏保守,也是比較利于工程效果的實現的.

2.2.2 求解過程 基于2.1和2.2.1中的分析和討論,針對已知的溝谷流量,整個求解步驟如下：

1)依據溝谷內流量通過式(1)、(2)求得進入蓋板區域內的水流速度和深度；

2)假設水流一定能通過過沖孔板(不會完全進入池中),通過式(4)計算通過時間,但是由于在流經途徑上不全為孔,因此將途徑上所有孔的孔徑之和與途徑總長之比同時間的乘積作為有效的下滲時間,即

(10)

式中：te為有效下滲時間；m為小孔個數.

3)在確定的孔在板上的分布情況和孔徑大小的基礎上,為簡化計算,考慮單位時間與孔徑同寬的一條狀水流進入蓋板區域量為計算總量,將水條按照孔徑大小切割成若干底面為正方形(邊長同孔徑),高為水深的立方體.由于每份的運動狀態和經過的小孔數量一致,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為單孔進入流量的計算值,用單孔流量與有效下滲時間乘積為下滲計算量；

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

2.3 實例計算

為驗證計算的準確性,針對一處已建成的分流系統進行計算.該分流系統鋪設于寧波33省道奉化段K3+800處,分流系統布設于排水涵洞出口.該處由于公路施工在山區溝谷產生大量碎石,溝谷附近匯水條件好,常由于季節性強降雨發生水石流災害.因而課題組在一典型溝谷處修建分流池,外形結構如圖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2.44 m,傾斜角度約為45°.在近排水涵洞處和分流系統的虹吸排水的出水口處都設有流量觀測系統,可以實際觀測到分流情況.此處沿水流方向上分布有約50孔,選取平均流量系數為0.4用以計算,蓋板粗糙系數選為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

針對幾次實測降雨產流和分比例的計算,得到如下結果：1)2014年7月13日20時實測降雨產生流量為0.079 m3/s,消能池在這一時段流量0.055 m3/s,分流比例為70%,計算值為74% ；2)2014年7月28日晚上17時,實測最大流量達到0.076 m3/s；消能池流量為0.060 m3/s；分流比例為79%,計算值為75.8% ；3)2014年8月1日晚10時40分最大流量達到0.033 m3/s,消能池流量為0.031 m3/s,分流比例為94%,計算值為126.2%.

計算值和實測值存在一些差異,這可能是由于：計算中簡化部分帶來的誤差；實測數據的偏差；計算中使用的參數與實際中的差別帶來的誤差；在運動中產生較為復雜的水流運動形式,造成實際情況與假設情況不符的現象,因而帶來的誤差.但是基本上是可以指示和評估其分流效能,計算方法是可靠的.從流量的變化導致的分流變化趨勢中看出：實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致臨界水深增加,從而增加了進入池內的水量,但同時流速增大使得有效下滲時間縮短,因此分流比例有所下降.

3 結構參數對分流效能的影響

本系統現場工程設置的虹吸管為4根100 mm內徑的PE管.其排泄能力在系統鋪設前經過核算,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,可以判定進入分流池的水體和細小顆粒是能夠完全由虹吸管帶出,不會發生排泄和清淤能力不足的問題.因而此處僅討論結構參數對分流效能的影響.

3.1 影響參數

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

為了探究這3項參數對分流率的影響情況,針對2.3算例中的流量為0.079 m3/s的情況進行計算,考察蓋板寬度、長度以及傾斜角度對分流率P的影響.分別調整寬度d為5、6、7、8、9、10 m進行計算,其他參數不變,結果如圖5所示；分別調整長度L為2.44、2.928、3.416、3.904、4.392、4.880進行計算,結果如圖6所示；調整傾斜角度為20°、25°、30°、35°、40°、45°進行計算,結果如圖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,會影響水流進入蓋板區域的水深和流速,增大寬度會使得他們均減小.水深減小,則水越過孔時壓力減小,會使得進入孔內流量會因此減小,于分流率不利；但深度減小,意味著作為計算分流率的總量減小,也就是每排孔的分流任務相應減小,如此對于提升分流率是有利的；而流速減小,則通過蓋板時間會有所增加,亦會使得有效下滲時間增加,于下滲是有利的.從整體上的計算結果來說其影響是比較有限的,這是由于寬度和水深以及流速的關系是成非線性關系.如果其他參數看成常數,可以知道寬度與水深的關系式指數為-2/3,寬度與流速的關系式指數為-1/3,因此寬度的變化對各項參數的影響并不大,并且影響有利有弊,所以呈現的整體分流效果的提升并不大.

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

3.3 長度影響

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

從圖6中可看出，隨著蓋板長度的增加,分流率亦逐漸增大,幅度大于寬度增加帶來的影響.蓋板長度的變化,并不會影響水流進入蓋板區域內的運動狀態,但是流經途徑變長,會使得通過時間增加,因此是對分流率有利的.長度增加同樣會使得出流速度增加,因此對時間的增加效應也并非線性.整體上來說,由于長度的增加帶來的均是有利變化,因此對于整體分流率的影響結果比較顯著,從計算情況上來看,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算選取值,主要是考慮到固體物質在失去水動力減少的情況下,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影響水流進入蓋板區域的流動狀態,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°、時仍然會產生臨界水深等狀態.角度的變小會使得進出口的高度差減小,因此出口流速會降低,通過時間會增加,于分流有利；同樣角度減小,對于流經孔上的水流壓力增加有利,同樣對于分流有利.整體上來看,其變化也都是有利的,應該對于分離率提高很顯著,但計算結果并非如此,這是由于算式中采用的是三角函數值,因此角度上的變化會被弱化,另外關于壓力的增加,其函數的指數為1/2,同樣會弱化影響,因此整體上的影響并不顯著,與寬度變化的影響相當.

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

4 結 論

斜傾蓋板水石分流池的構建解決了溝谷內堆積大量碎屑物質帶來的潛在安全隱患,可以對溝谷中順水而下的固體物質和水流進行有效分離,從而抑制其發展,消除泥石流災害的威脅.其中,分流能力是系統應用實踐和設計的核心問題,是合理經濟構建分流系統的基礎,有必要進行詳細研究.針對修建的一處野外實際工程,分析影響分流能力的幾項參數,并進行相應計算和比較,結論如下：

(1) 斜傾蓋板水石分流系統對于山區溝谷的泥石流防治有巨大意義.這一方案在一處山區公路排水涵洞口出實施應用,取得了很好的分流效果,在臺風暴雨期間抑制了災害的發生.

(2) 分析水流在通過分流系統過程中的各個階段,結合水力學相關理論,建立了計算分流能量和分流率的方法,并與在一處野外大型試驗中采取相應數據進行比較,其計算結果與所獲得的實測數據吻合較好.

(3) 分流池的寬度、長度和傾斜角度是對分流能力影響最為重要的幾項參數.針對不同參數,依次計算其6種不同變化值對分流能力的影響,結果顯示分流池長度的變化對于分流能力的影響最為顯著.相對于寬度,長度通常對于地形條件的要求更小,可以成為設計分流能力時的主要調整對象.實際設計時需要依據溝谷內洪峰流量,以及溝谷泥石流啟動條件進行調整.

(4) 傾斜角度對于分流的影響基本上與寬度的變化帶來的影響相當,但其設計應以保證碎屑物質難以堆積為前提.實例中采用45°獲得了良好效果,設計時可以依據區域主要固體顆粒的天然休止角進行設計.考慮到蓋板帶小孔會增加摩阻力,因此傾斜角度不應小于濕休止角,以防固體顆粒的過量堆積.

(5) 蓋板上孔徑大小和孔徑密集程度對于分流能力同樣有很大影響,文中沒有展開討論是由于其對分流量的影響在此計算方法中是線性變化的.另外,孔徑大小受池內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.

國家自然科學基金資助項目(41272336).

潘攀(1990—)，男，博士生，從事地質災害防治等研究.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

浙江大學學報(工學版)網址： www.journals.zju.edu.cn/eng