本发明公开了一种软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法。所述排导槽包括若干按一定间距设置的肋槛及其两侧的侧墙，肋槛沿泥石流运动方向的反方向呈拱形，拱脚处镶入侧墙基础或与侧墙基础连成整体，所述拱形肋槛设计方法首先根据排导槽设计宽度确定拱形肋槛的半拱宽，接着根据肋槛所承受的土压力荷载和泥石流冲击荷载确定荷载特征系数，然后根据侧墙基础对拱脚的最大横向支持力确定侧撑特征长度，最后确定最优拱轴线方程。该方法将肋槛设计成拱形，同时设计出拱形肋槛的最优拱轴线，能够有效地解决肋槛后土体支承失效和肋槛前荷载加大造成的肋槛破坏问题，为传统直肋槛损毁率较高的地区和工况提供了简便有效的肋槛优化方法。
1.一种软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，所述软基消能型泥石流排导槽包括若干按一定间距设置的肋槛(1)及其两侧的侧墙(2)，其特征在于：肋槛(1)沿泥石流运动方向的反方向呈拱形，拱脚处镶入侧墙(2)基础或与侧墙(2)基础连成整体，所述软基消能型泥石流排导槽的拱形肋槛(1)设计方法步骤如下：(一)通过现场调查，并结合工程实际情况，确定排导槽设计宽度B、单位m；将排导槽设计宽度B代入公式a＝B/2，计算得到拱形肋槛(1)的半拱宽a、单位m；
(二)根据土压力计算公式，确定肋槛(1)所承受的土压力荷载q1、单位kN/m；根据泥石流冲击力计算公式，确定肋槛(1)所承受的泥石流冲击荷载q2、单位kN/m；将土压力荷载q1和泥石流冲击荷载q2代入公式μ＝q2/q1，计算得到荷载特征系数μ；
(三)通过现场调查和试验，确定侧墙(2)基础对拱脚的最大横向支撑力Fxmax、单位kN；将侧墙(2)基础对拱脚的最大横向支撑力Fxmax代入公式λ＝Fxmax/q1，计算得到侧撑特征长度λ、单位m，式中q1为肋槛(1)所承受的土压力荷载、单位kN/m、由步骤(二)确定；
(四)以拱轴线两侧脚点连线的中点为坐标原点，以泥石流运动方向的反方向为y轴正方向，y轴顺时针旋转90°为x轴正方向，然后确定拱形肋槛(1)的最优拱轴线方程为式中，μ—荷载特征系数，由步骤(二)确定；
a—拱形肋槛(1)的半拱宽，单位m，由步骤(一)确定；
2.根据权利要求1所述的软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，其特征在于：通过现场调查，确定自然沟床纵坡比降ic；根据泥石流类型，确定沟段坡率折减系数n和相邻肋槛(1)间的肋间距L、单位m；将自然沟床纵坡比降ic、肋间距L和沟段坡率折减系数n代入公式H＝(2+icL/2)(1-n)，计算得拱形肋槛(1)高度H、单位m。
3.根据权利要求2所述的软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，其特征在于：针对稀性-过渡性泥石流，相邻肋槛(1)间的肋间距L为10-15m；针对水石流-泥流，相邻肋槛(1)间的肋间距L为15-20m。
4.根据权利要求2所述的软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，其特征在于：针对稀性-过渡性泥石流，沟段坡率折减系数n为0.40-0.50；针对水石流-泥流，沟段坡率折减系数n为0.50-0.60。
5.根据权利要求2所述的软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，其特征在于：肋槛(1)厚度b为0.8-1.2m。
6.根据权利要求1所述的软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，其特征在于：步骤(二)中肋槛(1)所承受的土压力荷载q1为饱和土压力荷载。
7.根据权利要求1所述的软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，其特征在于：步骤(二)中肋槛(1)所承受的泥石流冲击荷载q2不包括巨石冲击荷载。
8.根据权利要求1所述的软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，其特征在于：步骤(二)中荷载特征系数μ为0-1。
9.根据权利要求1所述的软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，其特征在于：步骤(三)中侧撑特征长度λ为3-6m。
一种软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，属于泥石流防治工程、建筑工程设计领域。
背景技术
[0002] 山洪泥石流灾害是我国地质灾害的主要类型之一。随着山区经济的发展，对山洪泥石流防治工程的需求越来越旺盛。软基消能型泥石流排导槽在泥石流治理中被大量使用。
[0003] 目前，软基消能型泥石流排导槽的肋槛均为横向贯穿排导槽底的直形肋槛，其面临的主要问题之一是肋槛损毁率高，进而影响排导槽的正常运行。一方面是在传统直形肋槛运行过程中，肋槛后部地基容易被冲刷侵蚀，引起肋槛后土体支承失效，造成肋槛破坏；另一方面，在传统直形肋槛运行过程中，泥石流冲击荷载增大时，肋槛内部的弯矩和拉裂缝急剧增大，造成肋槛破坏。
发明内容
[0004] 本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，该方法针对传统直形肋槛在应用过程中存在的缺陷，将肋槛设计成拱形，同时设计出拱形肋槛的最优拱轴线，能够有效地解决肋槛后土体支承失效和肋槛前荷载加大造成的肋槛破坏问题，为传统直肋槛损毁率较高的地区和工况提供了简便有效的肋槛优化方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0006] 本发明提出一种软基消能型泥石流排导槽的肋槛设计方法，所述软基消能型泥石流排导槽包括若干按一定间距设置的肋槛及其两侧的侧墙；所述肋槛埋入排导槽底、沿泥石流运动方向的反方向呈拱形，拱脚处镶入侧墙基础或与侧墙基础连成整体(如图1所示)。现有传统的软基消能型泥石流排导槽(即东川槽)的肋槛均为横向贯穿排导槽底的直形肋槛，本发明用受压构件代替受弯构件，设计出拱形肋槛。
[0007] 所述拱形肋槛由拱轴线控制，拱轴线方程的设计方法基于肋槛支承和肋槛荷载特征，并结合合理拱轴线理论；所述的肋槛支承，只考虑侧墙基础的支承作用，不考虑肋槛后土体的支承作用；所述的肋槛荷载，只考虑肋槛前的土压力荷载和泥石流冲击荷载。最优拱轴线方程公式的推导过程如下：
[0008] 拱形肋槛的受力示意图如图2所示，其中，侧墙基础对拱脚的纵向支撑力Fy＝(q1+q2)a，半拱宽a＝B/2，Fx max为侧墙基础对拱脚的横向支撑力Fx的最大值(即最危险工况下的值)。
[0009] 所以，拱轴线上任一点弯矩Mx可表示为：
[0010]
[0011] 化简得：
[0012]
[0013] 又因为：欲使拱形肋槛内力最优，则肋槛横截面上不应存在拉应力和拉裂缝，欲达到上述目的，则需要肋槛横截面上不存在弯矩，故最优拱轴线方程需满足拱轴线上任一点弯矩Mx＝0；荷载特征系数μ＝q2/q1，侧撑特征长度λ＝Fx max/q1，代入公式2得：
[0014] (1+μ)x2+y2+2λy-(1+μ)a2＝0 公式3经化简得：
[0015]
[0016] 具体而言，所述软基消能型泥石流排导槽的拱形肋槛设计方法步骤如下：
[0017] (一)通过现场调查，并结合工程实际情况，确定排导槽设计宽度B、单位m；将排导槽设计宽度B代入公式a＝B/2，计算得到拱形肋槛的半拱宽a、单位m。
[0018] (二)根据肋槛高度、排导槽底土体性质和泥石流物理运动参数，分别代入《泥石流防治工程设计规范》中的土压力计算公式和泥石流冲击力计算公式，确定肋槛所承受的土压力荷载q1和泥石流冲击荷载q2、单位均为kN/m；将土压力荷载q1和泥石流冲击荷载q2代入公式μ＝q2/q1，计算得到荷载特征系数μ。肋槛所承受的土压力荷载q1为饱和土压力荷载。肋槛所承受的泥石流冲击荷载q2不包括巨石冲击荷载。荷载特征系数μ一般为0-1。
[0019] (三)通过现场调查和试验，确定侧墙基础对拱脚的最大横向支撑力Fxmax、单位kN；将侧墙基础对拱脚的最大横向支撑力Fxmax代入公式λ＝Fx max/q1，计算得到侧撑特征长度λ、单位m，式中q1为肋槛所承受的土压力荷载、单位kN/m、由步骤(二)确定。
[0020] 侧撑特征长度λ，取值一般为3-6m。侧撑特征长度λ的物理意义为侧墙基础对拱脚的横向最大支撑力Fxmax与肋槛所承受的土压力荷载q1的比值，即λ＝Fx max/q1；侧墙基础对拱脚的最大横向支撑力Fxmax是基于侧墙基础的强度和侧墙基础的承载能力。侧撑特征长度λ的取值大小与侧墙基础的厚度和侧墙外部土压力有关；当侧墙基础比肋槛厚、侧墙基础外部土压力比肋槛承受的土压力荷载q1大时，λ适当取大值；当侧墙基础厚度与肋槛厚度相等、侧墙基础外部土压力与肋槛所承受的土压力荷载q1相等时，λ适当取小值。
[0021] (四)以拱轴线两侧脚点(即拱轴线上拱脚所在的点)连线的中点为坐标原点，以泥石流运动方向的反方向为y轴正方向，y轴顺时针旋转90°为x轴正方向，然后确定拱形肋槛(1)的最优拱轴线方程为
[0022]
[0023] 式中，μ—荷载特征系数，由步骤(二)确定；
[0024] a—拱形肋槛(1)的半拱宽，单位m，由步骤(一)确定；
[0025] λ—侧撑特征长度，单位m，由步骤(三)确定。
[0026] 所述软基消能型泥石流排导槽的拱形肋槛的相邻肋槛间肋间距L、肋槛高度H和肋槛厚度b根据现有直形肋槛软基消能型泥石流排导槽的设计方法确定。具体可以是：通过现场调查，确定自然沟床纵坡比降ic；根据泥石流类型，确定沟段坡率折减系数n和相邻肋槛间的肋间距L、单位m；将自然沟床纵坡比降ic、肋间距L和沟段坡率折减系数n代入公式H＝(2+icL/2)(1-n)，计算得拱形肋槛高度H、单位m。针对稀性-过渡性泥石流，相邻肋槛间的肋间距L为10-15m；针对水石流-泥流，相邻肋槛间的肋间距L为15-20m。针对稀性-过渡性泥石流，沟段坡率折减系数n为0.40-0.50；针对水石流-泥流，沟段坡率折减系数n为0.50-0.60。肋槛厚度b一般为0.8-1.2m。
[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将肋槛设计成拱形，用受压构件代替受弯构件，将肋槛后土体的支承任务转嫁给更为稳定的侧墙基础，从根本上解决了肋槛后土体冲击破坏对肋槛安全运行的影响；本发明同时设计出拱形肋槛的最优拱轴线，充分考虑了肋槛支承和荷载特征，优化了肋槛的支承体系和内力，增强了肋槛的承载能力和耐磨蚀能力；拱形肋槛在运行过程中不易毁损，能够有效减小后期维护的投资；本发明为传统直肋槛损毁率较高的地区和工况提供了简便有效的肋槛优化方法。
附图说明
[0028] 图1是本发明的软基消能型泥石流排导槽的俯视示意图。
[0029] 图2是本发明的拱形肋槛的受力示意图。
[0030] 图3是图2中A-A’的剖面示意图。
[0031] 图中标号如下：
[0032] 1肋槛 2侧墙
[0033] L肋间距 B排导槽设计宽度
[0034] H肋槛高度 b肋槛厚度
[0035] q1土压力荷载 q2泥石流冲击荷载
[0036] Fx侧墙基础对拱脚的横向支撑力 Fy侧墙基础对拱脚的纵向支撑力具体实施方式
[0037] 下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。
[0038] 实施例一
[0039] 如图1、图2、图3所示。某泥石流沟多次爆发稀性泥石流，严重影响当地人民的生命财产安全。为了减轻泥石流灾害，拟在该流域堆积扇上修建软基消能型排导槽来排导流域内爆发的泥石流。所述软基消能型泥石流排导槽包括若干按一定间距设置的肋槛1及其两侧的侧墙2，肋槛1沿泥石流运动方向的反方向呈拱形，拱脚处镶入侧墙2基础或与侧墙2基础连成整体，所述软基消能型泥石流排导槽的拱形肋槛1设计方法步骤如下：
[0040] 第一步，通过现场调查，确定自然沟床纵坡比降ic为12％；根据泥石流类型，确定沟段坡率折减系数n为0.40，相邻肋槛1间的肋间距L为10m；将自然沟床纵坡比降ic、肋间距L和沟段坡率折减系数n代入公式H＝(2+icL/2)(1-n)，计算得拱形肋槛1高度H为1.56m。肋槛1厚度b为1.2m。
[0041] 第二步，通过现场调查，并结合工程实际情况，确定排导槽设计宽度B为8m；将排导槽设计宽度B代入公式a＝B/2，计算得到拱形肋槛1的半拱宽a为4m。
[0042] 第三步，根据《泥石流防治工程设计规范》中的土压力计算公式和泥石流冲击力计算公式，分别确定肋槛1所承受的土压力荷载q1为9.352kN/m，肋槛1所承受的泥石流冲击荷载q2为9.352kN/m；将土压力荷载q1和泥石流冲击荷载q2代入公式μ＝q2/q1，计算得到荷载特征系数μ为1.0。
[0043] 第四步，通过现场调查和试验，确定侧墙2基础对拱脚的最大横向支撑力Fxmax为56.000kN；将侧墙2基础对拱脚的最大横向支撑力Fxmax代入公式λ＝Fx max/q1＝56.000/
9.352，计算得到侧撑特征长度λ为6m。
[0044] 第五步，以拱轴线两侧脚点连线的中点为坐标原点，以泥石流运动方向的反方向为y轴正方向，y轴顺时针旋转90°为x轴正方向，然后确定拱形肋槛1的最优拱轴线方程为代入得，最优拱轴线方程为：
[0045] 实施例二
[0046] 如图1、图2、图3所示。某泥石流沟多次爆发水石流，严重影响当地人民的生命财产安全。为了减轻泥石流灾害，拟在该流域堆积扇上修建软基消能型排导槽来排导流域内爆发的泥石流。所述软基消能型泥石流排导槽包括若干按一定间距设置的肋槛1及其两侧的侧墙2，肋槛1沿泥石流运动方向的反方向呈拱形，拱脚处镶入侧墙2基础或与侧墙2基础连成整体，所述软基消能型泥石流排导槽的拱形肋槛1设计方法步骤如下：
[0047] 第一步，通过现场调查，确定自然沟床纵坡比降ic为7％；根据泥石流类型，确定沟段坡率折减系数n为0.60，相邻肋槛1间的肋间距L为20m；将自然沟床纵坡比降ic、肋间距L和沟段坡率折减系数n代入公式H＝(2+icL/2)(1-n)，计算得拱形肋槛1高度H为1.08m。肋槛1厚度b为0.8m。
[0048] 第二步，通过现场调查，并结合工程实际情况，确定排导槽设计宽度B为8m；将排导槽设计宽度B代入公式a＝B/2，计算得到拱形肋槛1的半拱宽a为4m。
[0049] 第三步，根据《泥石流防治工程设计规范》中的土压力计算公式和泥石流冲击力计算公式，分别确定肋槛1所承受的土压力荷载q1为8.835kN/m，肋槛1所承受的泥石流冲击荷载q2为0kN/m；将土压力荷载q1和泥石流冲击荷载q2代入公式μ＝q2/q1，计算得到荷载特征系数μ为0。
[0050] 第四步，通过现场调查和试验，确定侧墙2基础对拱脚的最大横向支撑力Fxmax为27.000kN；将侧墙2基础对拱脚的最大横向支撑力Fxmax代入公式λ＝Fx max/q1＝27.000/
8.835，计算得到侧撑特征长度λ为3m。
[0051] 第五步，以拱轴线两侧脚点连线的中点为坐标原点，以泥石流运动方向的反方向为y轴正方向，y轴顺时针旋转90°为x轴正方向，然后确定拱形肋槛1的最优拱轴线方程为代入得，最优拱轴线方程为：x2+(y+3)2＝25。
