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日期:2015-08-18 18:21 | 来源:未知 | 浏览:

利用铁丝网坝防治泥石流

摘要:防治泥石流的坝型有多种,各具特色。 2002年8月日本学者今井一之等人研制出铁丝网坝,对泥石流进行拦截。其结论是:铁丝网坝从第一次拦截泥石流开始,到上层泥沙覆盖为止,能有效地拦截泥石流龙头砾石群,构成透过石笼堤的最低形成条件。在绳结局部残存变形的条件下,其结构面仍有拦截作用。复原时去除切断的绳结,剩余所有构件再次使用时,迅速对应的挂起来。清除砾石时,操作安全,而且作业迅速。存在问题是:后续泥石流对左右两岸河床仍有冲刷作用;主索的回转角度偏大,向下游移动过大;再次使用的构件耐久性不明确等。当我国引用其方法时,应对存在问题采取适当的对策方案,对铁丝网坝进行改进,达到最佳使用的目标。
利用铁丝网坝防治泥石流
   防治泥石流的坝型有多种,各具特色。 2002年8月日本国土交通省松本沙防事务所今井一之等人在烧岳的上上掘泽设计并实施铁丝网坝进行拦截泥石流试验(以下简称铁丝坝)。在2004年7月18日,该地发生了砾石型泥石流,铁丝坝没有大的损伤,同时拦截住泥石流。泥石流发生时,对铁丝坝拦截泥石流的状况进行影像拍照,并在吊索上安装了测力仪,成功测到钢缆的张力。对拦截泥石流最大直径的砾石和铁丝坝变形状态进行调查测定及对铁丝坝拦截泥石流的功能和力学运动与设计值进行了考察。此项研究成果对我国研究泥石流防治措施具有良好的借鉴作用。
1、铁丝坝设计参数:
   铁丝坝位于日本上上掘泽下游。铁丝坝设计的诸元素,泥石流形成的参数,铁丝坝的参数列出如下:
1)设计条件:流域面积S= 0. 79km2,有效降雨强度I=82. 62 mm /h,河流洪峰流量Qp= 18. 13 m3 /s。
2)泥石流形成的参数:原河床的坡度i= 1 /13,最大砾石直径dmax=1.20 m,设计泥石流水深h= 1. 20 m,泥石流的速度v= 2. 47 m /s,泥石流的单位体积质量ρ= 16. 06kN /m3,泥石流单位拖曳力F= 10. 0 kN /m2。
3)铁丝坝的参数:有效高度h= 5. 00m,主索有效宽度Bs=27. 776m,缆网宽度Bw= 15. 274m,主索钢缆挠度f= 1. 527m,钢缆网孔直径Dr= 1. 40m,钢缆网孔有效内直径Dr′= 1. 20 m。铁丝坝构造图见图1。
图1 铁丝坝构造图
图1 铁丝坝构造图
2、铁丝坝应用结果调查:
2. 1、降雨量:
   2004 -07 -17T17:00~ -18 T03:00上上掘泽地区降雨量为60 mm。 -18 T04:00的降雨强度为15 mm /h,本次降雨引发了泥石流。

2. 2、泥石流拦截状况:
   铁丝坝对泥石流拦截结果见图2。铁丝坝对泥石流的龙头全部拦截。泥石流龙头被拦截后,后续的泥石流不仅发生泥沙堆积,而水流在两岸从铁丝网眼流出,左岸流出明显。然而,泥石流在第一道网砾石被拦截后再次发生泥石流,第二道网拦截的泥石流与第一道网拦截的泥石流的状况比较混乱,有从左右两岸通过的现象。铁丝坝在高峰时拦截泥石流有很大效果,但缺少后续流拦截课题的研究。

   铁丝坝拦截泥石流的砾石直径调查,按顺序分为1列目、2列目……进行编号调查。 1~ 3列目拦截了砾石,4列目的砾石是在5列目堆积的泥沙上存一定数量的砾石。砾石按直径在各列目堆积的趋势为:堆积区域的最上层4列目较大,这是因巨砾在后续流的流动减缓,在铁丝坝处发生停止的原因。这些砾石的整体最大砾石直径dmax= 0. 9 m,比设计值1. 2 m小。据对拦截泥沙筛分累积曲线分析,在下游发生堆积泥沙砾径为0.8 m。铁丝坝拦截的砾石直径为0. 9 m。拦截泥沙筛分累积曲线分析见图3。在实际拦截与结网直径的最大砾石直径比n= Dr′ /dmax=1.2 /0.9= 1.33,比设计时的值(n= 1.0)提高了,泥石流前锋的砾石被正面拦截。拦截时在拧结的几何网结处,变成四角形的纵结构,同时也存在横结构的情况,在n≤ 1.5的条件下,确实能拦截泥石流。
图2 铁丝坝拦截泥石流的效果
图2 铁丝坝拦截泥石流的效果

2. 3、拦截高度:
   铁丝坝完成时及拦截泥石流纵断面形状是:当泥石流发生时,在主索、吊索上与铁丝网成θ= 45°的直线上;主索是铅直的,吊索与铁丝网θ= 45°的直线上;拦截泥石流后实测主索上的旋转角度为62. 4°,比设计值45°大17. 4°。除石后经调查表明,在地基上铁丝网有向下游方向移动的现象。实测拦截高度h= 4. 9 m,与设计值h= 5. 0 m大体相同。主索旋转角度与设计的45°比较靠近,预想可以充分确保拦截高度。铁丝坝拦截的泥沙量约为1 333 m3。
图3 铁丝坝拦截泥沙筛分累积曲线分析
图3 铁丝坝拦截泥沙筛分累积曲线分析
3、负荷数据分析结果:
3. 1、变形后的形状测量:
   铁丝坝拦截泥石流后变形测量位置见图4,测点有:①主索的锚头固定点K3,K4;②主索和吊索的交叉点从A1~ A10(A群);③吊索与系皮带的交叉点B1~ B10(B群);④系皮带与铁丝网上的交叉点C1~ C10(C群);⑤从上到3列目的交叉点D1~ D18(D群),E1~ E16(E群),F1~ F16(F群)。
图4 铁丝坝拦截泥石流后变形测量
图4 铁丝坝拦截泥石流后变形测量
    假定主索和吊索在一个平面上(以下称S面)。依主索和吊索的张力与铁丝网上的张力计算,在S面上用二维空间构造操作。测力仪安装在吊索上(见图5a),测力仪得到的数据见图5b。假定吊索张力发生20 s前的时刻为0。测定的结果为:发生泥石流时吊索的张力是72~ 106 kN,满泥沙时为43~ 68 kN。泥石流的表面存在砾石表现凹凸不平,负荷作用部分出现集中的现象。右岸CH01~ CH03的值和左岸CH10的值较大,前者因泥石流龙头向右岸集中作用结果;后者是末梢构件的负荷集中产生的结果。各个吊索张力在泥石流的作用下同时变大,逐渐靠近一定值。CH08,CH09的值比较小。在铅直面和S面上的夹角为62. 4°。
图5 测力仪安装位置及观测数据

图5 测力仪安装位置及观测数据

3. 2、吊索的讨论:
实测吊索的张力仅为设计值的近1 /2。其原因为:
1)铁丝坝旋转角度是θ= 62. 4°比设计值45°的大。若以62. 4°作为设计值,其张力泥石流时为130kN,满沙时为111 kN,接近实测值163 kN、140 kN。
2)测定泥石流速度为3. 4 m /s,比设计值2. 47m /s要大。实测张力小,是泥石流冲击网时,铁丝坝吸收了机械能。
3)事实上铁丝坝与水平线的倾斜角≠ 45°,而φ= 27. 6°(即90° -62. 4°),比土壤的休止角小,在设计时考虑了泥沙压力作用。
4)基于泥石流的不确定因素对建筑物的影响,设计值在一定的范围内,考虑安全性是妥当的。

3. 3、主索的讨论:
    发生泥石流时及满泥沙时主索张力测试结果:主索张力的实测值和设计值在泥石流时分别为624~ 1 412 kN、1 977 kN;在淤满泥沙时分别为412~883 kN、1 704 kN。同样表现出比设计值小。  
   左岸的主索张力整体比右岸大。主索张力在钢缆的曲率由大变小。在右岸主索受倾斜的拉伸阻力影响,主索近似直线状态。因此,左岸主索的曲率由小变大,可能是拉伸力作用的缘故。
   由于主索的铅直力作用,末端的主索张力较大,中部张力较小弹起。

3. 4、铁丝网的讨论:
   测定铁丝网交叉点的坐标及张力。实测铁丝网有泥石流时,其张力为32~ 102 kN,满泥沙时为9~ 67 kN,设计值分别为163 kN、140 kN,同样实测值小于设计值。但从安全性的观点,铁丝网的设计是稳妥的。
4、清除砾石与复原:
   铁丝坝砾石的清除的要求:使用重型机械在下游进行作业;在确保安全、尽力对构件减少损伤的前提下,尽快完成。首先进行复原条件的假设,条件1:所有的构件在发生张力时,在设计值以上,下次都能使用;条件2:拦截泥石流时主索的旋转角度θ是45°,复原时可以调整到完整的形状。对于条件1铁丝网的交叉点在局部残存变形存在绳结,再次使用时,检验绳结能阻抗几次泥石流的冲击。条件2在对实测值θ是62. 4°时已变大,绳结的形成纵向为长方形,绳结的排数设计时从26列目减少到15列目。这样拦截泥石流时的θ是43°,达到预期效果。各构件的拉伸和河床上的铁丝网移动,考虑θ接近45°的状态。
5、结果与讨论:
   从铁丝网坝试验施工到复原的调查结果表明:①铁丝网从第一次拦截泥石流开始,到上层泥沙覆盖为止,能有效地拦截泥石流龙头砾石群,构成透过石笼堤的最低形成条件。②在绳结局部残存变形的条件下,其结构面仍有拦截作用。③复原时去除切断的绳结,剩余所有构件再次使用时,迅速对应的挂起来。④清除砾石时,操作安全,而且作业迅速。

   存在问题:①后续流泥石流在左右两岸河床仍有冲刷作用。②主索的回转角度偏大,向下游移动过大。③再次使用的构件耐久性不明确等。今后应对①的问题考虑其他的途径和方案。在②、③的问题加强研究。特别是当我国引用其方法时,对这些问题采取适当的对策方案,对铁丝坝进行改进,达到最佳使用的目标。
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