一種翼型消能板及含有翼型消能板的泥石流排導槽的制作方法
本發明涉及泥石流防治技術，特別是涉及一種翼型消能板及基于翼型消能板和消能球組合結構進行槽底加糙從而實現消能、減速、防沖刷功能的全襯砌型泥石流排導槽。
背景技術：
泥石流是產生于溝谷或坡面上的一種飽含泥砂、石塊和巨礫的固液兩相流體，其介于滑坡/崩塌等塊體重力運動和水流等液體運動之間，呈層流或者紊流運動狀態，具有爆發突然、運動速度快、歷時短暫等特點。我國是世界上泥石流災害最嚴重的國家之一，其災害類型多、分布廣泛，活動強烈，危害嚴重，制約著廣大山區社會經濟發展，威脅人民生命和財產安全。
排導槽是泥石流治理工程中的重要措施之一。排導槽是一種由人工開挖或填筑的過流斷面，或利用自然溝道，具有規則的斷面形狀和襯砌的一種開敞式槽形過流建筑物。目前，一般通過修建排導槽引導和輸送泥石流，從而減輕泥石流對下游地區人民的正常生產和生活的影響。
自上而下，排導槽通常由進口段、急流段和出口段三部分組成，為防止因變坡產生淤積和沖刷，排導槽縱坡一般采用一坡到底的形式。但是排導槽底面糙率較低，泥石流在排導槽中一直處于加速狀態，到達急流段時具有較高的流速，泥石流中的固體顆粒對排導槽表面產生強烈的侵蝕，嚴重影響排導槽的使用壽命。目前泥石流排導槽主要有兩類：一類是軟基消能型排導槽，也稱東川槽；另一類是滿鋪底全襯砌型排導槽，也稱v型槽。其中，東川槽適合于比降和規模較大的稀性或粘性泥石流防治，v型槽更適用于小規模粘性泥石流。泥石流漿體中固體物質含量高、容重大具有很強的沖刷力，使得兩種槽都存在磨蝕問題，東川槽的肋檻磨蝕嚴重，一般漿砌石和普通混凝土比漿砌條石和高標號混凝土磨蝕更嚴重，通常經歷一次泥石流后磨蝕約2～5cm，更嚴重磨蝕成楔形深槽，甚至導致肋檻斷裂；v型槽雖然采用高強度材質馬鞍石鋪底，但槽底的磨蝕仍然非常嚴重。施工質量穩定及材料均勻的v型槽，常磨蝕成成一條深槽，不均勻或者把流速提得太高的v型槽，則形成一個個串珠狀的洼坑，更有甚者出現揭底掏刷。
近年來，有研究者提出一種擾流消能的全襯砌泥石流排導槽(cn204728280u)，適合溝床比降較大的情況，其在一定程度上能夠達到擾流、消能的目的，但其結構存在一個問題，即采用正四棱臺結構時，其棱角在高容重泥石流的沖擊下容易磨損，而采用圓臺結構雖然能保證底部的抗剪切性能且能減弱磨耗，但由于其下大上小，上部結構的穩定性又難以保證。
技術實現要素：
本發明的目的就是針對現有技術的不足，針對目前泥石流在全襯砌排導槽中過流時，易在急流段對排導槽槽底造成強烈的沖刷進而造成排導槽磨蝕嚴重，甚至出現揭底掏刷的現象，提供一種具有消能、防沖刷的全襯砌泥石流排導槽，加大溝槽底部的糙率，增大阻力，控制泥石流的流速，減小對槽底的沖刷，保證工程構筑物的安全，延長排導槽的使用壽命、減小維修費用。
本發明之目的通過下述技術方案實現：
一種翼型消能板，所述翼型消能板為對稱雙翼型結構，翼型消能板的迎水面為圓弧面，背水面為斜坡，所述圓弧面與所述斜坡平滑相接。
一種含有翼型消能板的泥石流排導槽，包括全襯砌的排導槽底板及其兩側的排導槽側墻，還包括：翼型消能板，所述翼型消能板設置在排導槽入口處與出口處的底板上；消能球，所述消能球設置在翼型消能板之間的排導槽底板上。
翼型消能板的設計理念為：翼型消能板用于最大可能性地分散泥石流的流路，其縱剖面為圓弧面與斜坡的銜接能夠增加泥石流在縱剖面上的流路。翼型消能板迎水面的分水尖角度α設計為120°～150°，背水面的分水尖角度β設計為150°～180°。針對不同性質的泥石流設計不同的分水尖角度，粘性泥石流選取較小的分水尖角度，稀性泥石流選取較大的分水尖角度。翼型消能板與底板有較大的接觸面積，能夠有效的抵抗泥石流流體對其的剪切，保證結構自身的安全性。
翼型消能板迎水面分水尖角度α為120°～150°，翼型消能板背水面分水尖角度β為150°～180°。翼型消能板迎水面分水尖處對應的圓弧面的半徑r為0.25m，圓弧面的半徑r朝著翼緣方向依次減小，至翼緣末端處圓弧面的半徑r減小為0.1m。
排導槽的設計理念為：排導槽常采用一坡到底的設計形式，使得泥石流在槽內處于加速狀態，特別是在急流段(縱比降i為150‰-300‰)，泥石流運動速度較高，對排導槽的侵蝕能力增強，形成沖刷坑槽，進而導致排導槽失效。基于以上認識，針對排導槽的急流段易遭受泥石流沖刷破壞的情況，本發明提出了在排導槽急流段設計翼型消能板和消能球組合的技術方案。其中，翼型消能板設置在排導槽急流段入口處與出口處的底板上；消能球組則設計在翼型消能板之間的底板上。
若泥石流未能夠越過翼型消能板而從其兩側流過，則翼型消能板能夠增加泥石流流路，進而間接降低坡降；若泥石流越過翼型消能板從其頂部流過，則在越過翼型消能板的圓弧面時有部分能量損失，之后在翼型消能板斜坡尾部形成漩渦，消去下泄泥石流的部分能量，通過在急流段入口處設置翼型消能板從而達到對泥石流進行初次消能的目的。當泥石流流經急流段中部的消能球時，則能夠再次調整泥石流的流路，改變泥石流的運動軌跡，同時泥石流在消能球的協助下產生劇烈的旋轉翻滾，減弱其攜帶的動能，達到二次消能的目的，進一步削弱了泥石流的動能。同理，在急流段出口處的翼型消能板則進行第三次消能，使得泥石流能量降至最低。經過在排導槽急流段三次對泥石流消能、減速進而降低泥石流對排導槽底部的沖刷。
進一步地，所述消能球的數量設置為4n個，每4個消能球組合成一個菱形體，所述菱形體對應的迎水側菱形角γ為60°。所述消能球的結構形式為半球形，消能球的半徑r為0.2～0.3m。菱形體能夠有效的減輕泥石流對其的撞擊，保證結構的使用壽命。
消能球的設計理念為：經過入口段翼型消能板的初次消能，泥石流的流速有所降低，此時將消能球半徑設為0.2-0.3m能有效的減小泥石流流速。若消能球半徑過大，則占用過多的過流斷面，不利于泥石流的排導，同時半徑過大也容易造成泥石流的撞擊，威脅消能球自身的安全；若半徑設置過小，很難對泥石流起到消能、減速的目的，使得經過消能球后的泥石流流速依然很高，對槽底的沖刷仍很嚴重。消能球半徑的選取依據排導槽的寬度，排導槽寬度大于等于6m時選消能球半徑選0.3m；排導槽寬度小于6m時則選擇0.2m。
進一步地，所述翼型消能板的翼展l為排導槽底寬b的1/3～1/2；所述翼型消能板的弦長b為設計為翼展l的1/3；翼型消能板縱分水尖處對應的圓弧面半徑r為0.25m，圓弧面半徑r朝著翼緣方向依次減小，至翼緣末端處時圓弧半徑r減為0.1m。圓弧面半徑不宜過大，因為入口處翼型消能板的主要作用是對上部下來、速度較快的泥石流進行初次消能，若圓弧面半徑過大，造成翼型板的前緣過高，增大泥石流對翼型消能板的沖擊，不利于翼型消能板的穩定；若圓弧半徑過小，又達不到初次消能的目的。翼型消能板前翼末端與后翼末端通過翼緣平滑連接，也有利于減少泥石流對其的撞擊，若前后兩翼通過一定的角度連接，則其棱角易被泥石流磨蝕損壞。
進一步地，沿著排導槽縱向方向，入口處翼型消能板到消能球的最小距離s1為排導槽底寬b的3倍；出口處翼型消能板到消能球的最小距離s2為排導槽底板寬b的3倍。
進一步地，所述消能球的數量至少設置為8個，組合成至少2個菱形體，菱形體與菱形體之間的最小距離s3為排導槽底板寬b的3倍；菱形體長對角線距離l1為排導槽底寬b的
進一步地，所述翼型消能板、消能球均為混凝土澆筑體，且與底板之間采用錨筋固定連接。為保證翼型消能板、消能球與排導槽之間的整體性，避免泥石流對翼型消能板、消能球的局部沖撞。錨筋直徑為10mm或12mm，為減小泥石流錨筋的侵蝕，嵌入翼型消能板和消能球的錨筋的混凝土保護層厚度不小于35mm，嵌入底板的錨筋長度不小于0.5m。具體施工時，先預留翼型消能板和消能球的空間位置，并安裝錨筋、橫向構造筋及箍筋；制作翼型消能板、消能球結構的模具，并將模具安裝在翼型消能板、消能球的預留位置，然后澆筑混凝土，待混凝土達到設計強度時，拆除模具。
從空間俯視角度看，沿著排導槽橫向方向，翼型消能板處于排導槽中間部位；菱形體中的兩個縱向消能球處于排導槽中間部位，另外兩個橫向消能球則分別處于距側墻b/4處。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
利用急流段入口處消能翼型板、中部菱形布置的消能球及出口處的翼型消能板組合結構在急流段對泥石流進行三次消能，改變泥石流流路，影響泥石流的穩定性；同時翼型消能板、消能球的存在也加大了排導槽底部的粗糙率，增大阻力，使得泥石流與其相互作用極大的削弱泥石流的運動動能，實現泥石流在急流段減速、消能的效果，進而減弱泥石流對槽底的沖刷破壞程度，保證排導槽的安全使用，減小后期維護費用。
附圖說明
圖1是翼型消能板結構示意圖(省略了對稱的另一半)；
圖2是翼型消能板俯視示意圖；
圖3是圖2的ⅰ-ⅰ剖視圖；
圖4是排導槽結構示意圖；
圖5是圖4的ⅰ-ⅰ向剖視圖；
圖6是圖4的ⅱ-ⅱ剖視圖；
圖7是圖4的ⅲ-ⅲ剖視圖；
圖8是圖4的ⅳ-ⅳ剖視圖；
圖9是本發明中所述消能球俯視示意圖；
圖10是本發明中所述消能球剖視示意圖；
圖中：1、排導槽底板，2、側墻，3、翼型消能板，4、消能球，5、錨筋，6、前翼，7、后翼，8、翼緣，9、縱剖面圓弧最高點連線，10、圓弧面，11、斜坡，12、翼型消能板迎水面分水尖，13、翼型消能板背水面分水尖，b、排導槽底寬，h、排導槽深度，s1、入口處翼型消能板到消能球的最小距離，s2、出口處翼型消能板到消能球最小距離，l、翼型消能板翼展，l1、菱形體長對角線距離，b、翼型消能板弦長，r、消能球半徑，α、翼型消能板迎水面分水尖角度，β、翼型消能板背水面分水尖角度，γ、迎水側菱形角，r、圓弧面半徑，s3、菱形體與菱形體之間的最小距離。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。
實施例一
如圖1-圖10所示。某泥石流溝流域面積20.4km2，該溝道曾多次爆發泥石流，威脅下游村莊及農田。為減少泥石流災害，采用“攔擋+排導+停淤”的治理措施，在20年一遇的設計標準下，泥石流體容重為1.8t/m3，以過渡性-粘性泥石流為主。為減小泥石流對排導槽急流段槽底的沖刷破壞，排導措施采用本發明消能防沖刷的全襯砌泥石流排導槽，設計泥石流的流量為50.3m3/s，排導槽的縱比降i為180‰，規劃排導槽總長度為452m，其中急流段長158m，排導槽底寬b為6m，深度h為5m，經過上游攔砂壩攔擋之后進入排導槽的塊石控制粒徑為0.7m。
所述消能防沖刷的全襯砌泥石流排導槽包括全襯砌的排導槽底板1及其兩側的排導槽側墻2。在排導槽急流段158m范圍內的底板1的入口處及出口處各布設一翼型消能板3，在急流段底板1中部布設兩組消能球4，每組消能球組均由4個消能球排布成菱形體。為使施工方便，入口段與出口段的翼型消能板3取相同的結構參數，其中，翼型消能板3為對稱雙翼型結構，翼型消能板3的迎水面為圓弧面10，背水面為斜坡11，所述圓弧面10與所述斜坡11平滑相接，翼型消能板前翼6末端與后翼7末端通過翼緣8平滑連接。翼型消能板迎水面分水尖12角度α取140°，翼型消能板背水面分水尖13角度β控制在170°；翼型消能板3的翼展l為排導槽底寬b的1/2，即l為3m，弦長b為翼展l的1/3，即b為1m；翼型消能板3縱剖面的圓弧面半徑r為0.25m，圓弧面半徑r朝著翼緣8方向依次減小，也即是沿著縱剖面圓弧最高點連線9依次減少，至翼緣8時圓弧面半徑r減為0.1m；消能球4的半徑為0.3m；入口處翼型消能板3到消能球的最小距離s1為排導槽底寬b的3倍，即s1為18m；出口處翼型消能板3到消能球4最小距離s2為排導槽底板1寬b的3倍，即s2為18m；由消能球4構成的菱形體與菱形體之間的最小距離s3為排導槽底板1寬b的3倍，即s3為18m；菱形體長對角線距離l1為排導槽底板寬b的
實施例二
如圖1至圖9所示。某泥石流溝流域面積3.36km2，該溝道曾多次爆發泥石流，沖垮溝口橋梁、淤埋公路。為防止泥石流沖擊橋梁、淤埋公路，采用“攔擋+排導+停淤”的治理措施，在20年一遇的設計標準下，泥石流體容重為2.1t/m3，為粘性泥石流。為減小泥石流對排導槽急流段槽底的沖刷破壞，排導槽采用本發明消能防沖刷的全襯砌泥石流排導槽，設計泥石流的流量為162m3/s，排導槽的縱比降i為300‰，規劃排導槽總長度為186m，其中急流段長61m，排導槽底寬b為4.5m，深度h為3.5m，經過上游攔砂壩攔擋之后進入排導槽的塊石控制粒徑為0.5m。
所述消能防沖刷的全襯砌泥石流排導槽包括全襯砌的排導槽底板1及其兩側的排導槽側墻2。在排導槽急流段61m范圍內的底板1的入口處及出口處各布設一翼型消能板3，在急流段底板1中部布設兩組消能球，每組消能球組均由4個消能球排布呈菱形體。為使施工方便，入口段與出口段的翼型消能板3取相同的結構參數，其中，翼型消能板3為對稱雙翼型結構，翼型消能板3的迎水面為圓弧面10，背水面為斜坡11，所述圓弧面10與所述斜坡11平滑相接，翼型消能板前翼6末端與后翼7末端則通過翼緣8平滑連接。翼型消能板迎水面分水尖12角度α取120°，翼型消能板背水面分水尖13角度β控制在150°；翼型消能板3的翼展l為排導槽底板寬b的1/3，即l為1.5m，弦長b為翼展l的1/3，即b為0.5m；翼型板3縱剖面的圓弧面半徑r為0.25m，圓弧面半徑朝著翼緣8方向依次減小，也即是沿著縱剖面圓弧最高點連線9依次減少，至翼緣8時圓弧半徑減為0.1m；消能球4的半徑為0.2m；入口處翼型消能板3到消能球4最小距離s1為排導槽底寬b的3倍，即s1為13.5m；出口處翼型消能板3到消能球4最小距離s2為排導槽底板1寬b的3倍，即s2為13.5m；由消能球4構成的菱形體與菱形體之間的最小距離s3為排導槽底寬b的3倍，即s3為13.5m；菱形體長對角線距離l1為排導槽底板寬b的
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