本发明涉及防灾减灾、工程设计和应用领域，特别涉及一种冰湖溃决型洪水泥石流防治方法。
背景技术：
随着全球气候变暖，世界各高海拔山区的冰湖溃决事件频繁发生，常损毁基础设施和冲毁村镇，造成严重的经济损失和人员伤亡。自20世纪30年代至21世纪初，全球有记录的冰湖溃决事件呈现明显的增加趋势，而我国累计发生严重的冰湖溃决洪水泥石流灾害33起。如：1954年康马县桑旺错冰湖溃决形成特大洪水和泥石流造成约400人死亡，2万多人受灾，并使位于中下游的江孜和日喀则等城镇遭受严重危害。西藏地区冰湖溃决事件呈增加趋势，冰湖溃决高发地带分布于海洋性冰川和大陆性冰川的过渡带，以及帕隆藏布流域的海洋性冰川带，对我国西藏南亚大通道和藏东的川藏铁路、川藏高速等重要交通干线建设和后期的运行维护构成严重威胁。
随着全球气候变暖和冰川退缩加剧，冰碛湖溃决灾害日趋增多，已成为对线路方案起控制作用的特殊环境地质灾害类型。根据冰碛坝下游沟道的固体物源分布情况，溃决后的洪水可能演变为泥石流。而冰湖溃决引发的洪水或泥石流灾害规模往往是一般洪水、泥石流的数十倍，造成的危害也更大。随着对重大工程建设和安全运行的标准逐步提升，对冰湖溃决洪水泥石流的防治需求越来越迫切。但现有技术中并未有从流域尺度出发，针对冰湖溃决洪水泥石流的防治提出有效的处理方法。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提出一种冰湖溃决型洪水泥石流防治方法，该方法能够通过水石分离、水流分散达到快速调峰、降低水流动能的目的，通过修建潜槛和拦砂坝控制沟道、沟岸物源起动形成泥石流，降低溃决洪水规模级联放大的风险，在下游区域通过坝体分流作用实现洪水泥石流在垂直方向上的分层顺畅排导，最大程度的减小溃决洪水泥石流灾害对下游地区的铁路、公路、水利工程、居民点和农田造成危害。
为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种冰湖溃决型洪水泥石流防治方法，包括：
步骤1，根据沟道下游主河的输砂能力、需要保护的重大工程设施和村镇、主河沿岸区域的城镇等保护对象的防护标准，确定流域内防治工程体系规划设计标准；通过现场调查与勘查对冰碛坝后的沟道进行分区，依次分为上游区、中游区、下游区；进一步确定上游区沟道内分布的大块石直径、中游区域沟道内分布的物源颗粒粒径，确定d90；确定沟道物源分布及其厚度；依据铁路、公路桥梁周围环境条件确定排导工程的长度、宽度和坡度范围；确定不同溃决条件下的最大溃决洪峰流量qtotal；
步骤2，在上游区修建桩林坝群，库区内分层摆放大块石，若沟道内大块石数量有限，则可放置预制人工结构体，每一行桩林中的桩与桩之间的间距为b，行与行之间的间距为b；所述堆放的大漂石或人工结构体的直径d满足d>b，依次向上游摆放，每间隔(50-100)d设置1-2排桩林以稳固上游的漂石和控制下游的漂石起动，同时桩林和摆放的块石形成阶梯跌水，以消耗洪水泥石流的能量；
步骤3，在中游区域修建消能潜槛，修建若干级潜槛后修建一座拦砂坝，防止沟道在溃决洪水的作用下快速下切，控制沟道沟岸的物源起动形成泥石流；
步骤4，在下游区域，通过修建一座控制型拦砂坝将溃决洪水泥石流进行分流，然后分别通过位于铁路、公路桥梁下部和顶部以上的排导槽将溃决洪水泥石流泄放至主河。
优选地，所述的桩林坝库区内的辅助桩及其上游堆放的漂石或人工结构体构成阶梯状跌水消耗溃决洪水的能量，所形成的阶梯状跌水的高度为(2-4)d，长度范围为(50-100)d。
优选地，所述的桩林中的单根桩埋入土体深度应满足大于(10-20)d、地表以上的高度满足大于(5-10)d；所述堆放的漂石或人工预制结构体堆叠高度为桩林地面以上高度的0.5-0.8倍，大块石之间间距为(0.25-0.5)d，以使水流通过。
优选地，所述的消能潜槛顶宽为d，地面以上高度为(2-5)d，地面以下埋入深度为地面以上高度的1.0-2.0倍，消能潜槛底部设置桩基，桩基的间隔宽度为(3-5)d，桩基的深度为桩基间距的1.5-3倍。
优选地，所述的拦砂坝为大开孔的拦砂坝，以起到拦粗排细的作用，泄流孔的宽度为拦砂坝上游沟道内分布的块石直径d90的1.2-2.0倍，高度为泄流孔宽度的1-2倍。
优选地，所述分流坝或控流坝的设计流量分配满足以下关系qtotal＝qup+qdown，上层排导槽下底面与铁路、公路桥梁顶面之间的高差需要满足以下关系：h高差＝ηh车，η为安全系数，一般取值为η＝1.5-3.0；h车为通行的车辆最大高度；然后，依次根据分流坝或控流坝到桥梁的距离l坝到桥、上层排导槽的设计坡度jup确定坝体溢流口高程；
控制型拦砂坝上部和底部的流量分配确定方法如下：
(1)所述的下层排导槽的最大过流能力q排,down，根据公路、铁路桥梁下部允许通过的排导槽宽度bdown和水深hdown拟定设计值，依据以下方法进行计算：
(2)冰湖溃决产生的洪水泥石流规模等级属于大规模或特大规模，当溃决洪水泥石流到控制型拦砂坝位置时，泄流孔的泄流方式满足闸孔出流条件，因此，泄流孔的过流面积adown按照下式确定：
其中，μ为流量系数，b孔为泄流孔宽度，g为重力加速度，hdown为高于泄流孔底部以上的水深；
(3)下层排导槽设计流量q排,down和泄流孔泄放的流量qdown需要满足以下关系：q排,down>kqdown，其中k为安全系数。根据下层排导槽的宽度bdown和水深hdown拟定值，在满足排导槽宽度bdown和泄流孔的宽度b孔之间关系的条件下，bdown>βb孔，确定泄流孔的宽度b孔和高度h孔，其中，β为过流断面宽度比例系数；
(4)所述的上层排导槽的最大过流能力为q排,up，根据地形条件确定上层排导槽的宽度bup和深度hup拟定值，其最大过流能力依据以下方法进行计算：
(5)所述控制型拦砂坝的溢流堰宽度采用以下方法确定：
其中，m为流量系数，b堰为泄流孔宽度，g为重力加速度，h堰为高于溢流口底部以上的水深；
(6)上层排导槽设计流量q排,up和通过溢流堰的流量qup需要满足以下关系：q排,up>kqup，其中k为安全系数。根据上层排导槽的宽度bup和水深hup拟定值，在满足排导槽宽度bup和溢流堰的宽度b堰之间关系的条件下，bup>βb堰，确定溢流堰的宽度b堰，其中，β为过流断面宽度比例系数。
优选地，安全系数k根据冰湖溃决风险和下游保护对象的重要程度取值，一般情况取1.2-3.0；过流断面宽度比例系数β取1.5-3.0。
优选地，上下层排导槽的形式可选用钢筋混凝土修建的矩形槽、复式排导槽、非对称排导槽等形式，其过流能力要根据不同排导槽形式进行验算。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在涉及重要工程设施布局和人员分布的地区，且同时存在冰湖溃决特大洪水泥石流风险的区域，若遭遇突发性冰湖溃决特大洪水泥石流时，可利用提前修建的防治工程体系，对洪水泥石流流量进行分离、消耗其能量、采用消能潜槛和拦砂坝等工程，逐级降低溃决洪水泥石流的能量，拦挡对下游有巨大冲击能量的块石，控制沟道沟岸物源起动形成泥石流，同时也可以将形成的稀性泥石流或高容重低粘性的泥石流进行水石分离，将稀性泥石流转化为洪水，通过下游的控制型拦砂坝进行分流调控、利用排导工程将溃决洪水泥石流顺畅的排导至主河，从而最大程度地减小对下游地区铁路、公路、桥梁、隧道等的威胁和危害。
附图说明
图1示意性地示出了本发明的示意图。
图中附图标记：1、冰川；2、冰湖；3、冰碛坝；4、溃决洪水泥石流；5、漂石或大块石；6、桩林；7、消能固床潜槛；8、拦砂坝；9、分流坝或控流坝；10、上层排导槽；11、下层排导槽；12、桥梁；13、下游主河。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明中的冰湖溃决型洪水泥石流防治方法，通过在水石分离、水流分散达到快速调峰，控制溃决洪水泥石流的规模，利用逐级消能控制物源起动的方法降低溃决洪水泥石流规模的级联放大，在下游区域通过修建控制型拦砂坝进行分流调控将溃决洪水泥石流分层、快速排导至主河。与现有技术相比，本方法可在冰湖溃决特大洪水泥石流风险的区域，提前修建的防治工程构建防治体系，对洪水泥石流流量进行分离、消耗其能量、采用消能潜槛和拦砂坝等工程，逐级降低溃决洪水泥石流的能量，拦挡对下游有巨大冲击能量的块石，控制沟道沟岸物源起动形成泥石流，同时也可以将形成的稀性泥石流或高容重低粘性的泥石流进行水石分离，将稀性泥石流转化为洪水，通过下游的控制型拦砂坝进行分流调控将溃决洪水泥石流顺畅的排导至主河，最大程度的减小溃决洪水对下游地区的铁路、公路、水利工程、居民点和农田造成危害。
本发明的总体思路为通过分流降能控制溃决洪水泥石流的规模，利用逐级消能控制物源起动的方法降低溃决洪水泥石流规模的级联放大，合理分配排导流量达到保护重要基础设施和人民生命财产的目的。
实施例一
青藏高原某流域属帕隆藏布上游左侧的一条支沟，其流域面积为118km2，，在位于海拔3800m的位置有一冰湖，冰湖下游区域的沟道长度为10km，平均纵比降为5％。通过现场调查在冰湖蓄满水的情况下库容约为300×104m3。该冰湖曾于1988年发生溃决，最大洪峰流量达1150m3/s。为最大程度地减小对冰湖下游地区铁路、公路、水利设施、居民点和农田等的威胁和危害，采用本发明的冰湖溃决型泥石流防治方法，具体实施步骤如下：
步骤1，根据现场调查并结合实际地形条件，将冰碛坝下游处的0～2km定为上游区，2-7km定为中游区，7-10km定为下游区。其中上游区处平均沟道宽度为15m。沿程采样并通过颗粒筛分试验确定中游区域内沟道物源粒径的d90为0.4m。根据遥感影像确定下游区域的排导槽工程设计坡度范围约为5～15°。根据冰湖深度及面积，以及下游保护对象的重要程度，确定冰碛坝溃口位置最大溃决洪峰流量的设计值为qtotal＝1300m3/s，溃决洪水泥石流到达下游区域分流坝位置的最大峰值流量为q分/total＝1050m3/s。下游公路桥梁桥下净空为10.7m，桥梁为三跨通过沟道，桥梁正常运营状态下可通过的洪峰流量值为550m3/s。
步骤2，在上游以品字形修建桩林坝群，每一行桩林中桩之间的间距为b＝1.0m，行与行之间的间距为2m。在库区内人工分层摆放直径d＝2-3m的大漂石，并在漂石布置段每隔100m设置两行桩林以稳固漂石。辅助桩与漂石共同组建出多阶梯消能段，该段长300m，所形成的总阶梯状跌水高度为11m。桩林施工时各单桩埋入土体内的基础深度为30m，地面高度为15m。每段阶梯处大漂石堆叠高度为10m，大块石之间间距设置为1m，保证水流正常通过。
步骤1，在中游区修建10道消能潜槛，顶宽d＝1m，地面以上高度为1.5m，地面以下埋入深度为2m。为保证消能潜槛安全，在底部每隔3m设置一桩基，桩基深度为5m。在潜槛的下游修建一座开口型拦砂坝，根据地形条件，拟设坝高5m，坝底宽10m，顶宽18m。设置两排泄流孔，每排5个，同一排中各泄流孔间隔1.2m，排与排之间间隔2m。结合(一)中勘察得到的d90粒径，设计泄流孔宽度为0.8m，高度为1.2m。
步骤2，在下游地区修建一座大型分流坝，用于将溃决洪水泥石流进行分离，然后通过位于铁路桥梁下部的排导槽将溃决洪水泥石流排放至主河。分流坝的流量分配需满足qtotal＝qup+qdown。根据步骤1中勘察结果，在q分/total＝1050m3/s时，根据停淤场建设范围，拟定为qup分配650m3/s的流量，为qdown分配400m3/s的流量。根据沟道形态，拟定分流坝设计下宽为13m，上宽25m，设计坝高6.5m。故回淤段上游宽度也视作13m。根据此分级标准分流坝采用如下步骤设计：
1.按分流坝前最大流量值q分/total在分流坝前出现时计算分流坝前泥深及流速。由公式反算得到当出现最大洪峰流量q分/total时分流坝前的水深，糙率n＝0.04，j＝0.08解得h坝前＝5.5m，坝前流速为
2.采用下式计算下层排导槽的最大过流能力q排,down
其中n为糙率系数，bdown为排导槽宽度，hdown为水深最大值，取排导槽深度。
根据步骤1中勘察数据及拟设的排导槽参数，取糙率n＝0.025，拟定排导槽宽度bdown＝17m，hdown＝3m，排导槽修建处水力坡度j＝0.12，得q排,down＝1201m3/s，取安全系数k＝1.2，则该拟定方案满足q排,down>1.2qdown，排导槽设计合理。
3.下层排导槽的泥石流由分流坝的下部泄流孔输送，为保证下部泄流孔的泥石流为孔流状态。需h孔/h水深＜0.65，结合1中计算结果，拟设泄流孔高度3.5m。
4.由1中勘察数据结合曼宁公式得到分流坝处出现q分/total＝1050m3/s的洪峰流量时，分流坝坝前的流速为14.7m/s。则其中h0为泄流孔前总水头,ε为垂向收缩系数，查表取值为0.67。为流速系数，查表取值为1.0。μ＝0.574。可得分流坝处泄流孔面积应为由于溢流口高度为6m，故宽度b孔应为11.0m，取11m。由1知下层泄流孔宽度bdown＝17m，取过流断面宽度比例系数β为1.5，该设计满足bdown>βb孔。故该泄流孔位置及形状参数设计合理。
5.采用下式计算上层排导槽的最大过流能力q排,up
根据(一)中勘察数据及拟设的排导槽参数，取糙率n＝0.025，上层排导槽修建处水力坡度j＝0.11，拟定上层排导槽宽度bup＝12m。深度hup＝4m。得q排,up＝1141m3/s，取安全系数k＝1.2，则该拟定方案满足q排,up>1.2qup，该上层排导槽设计合理。
6.上层排导槽中的泥石流由分流坝顶处的溢流堰处溢流提供。拟设溢流口深度为2.5m。则以溢流口底部为零势能面其上部部分的总水头为h堰＝17.8m。根据计算溢流堰高度，流量系数m＝0.48。计算得b堰＝＝4.03m。由5知上层排导槽宽度bup＝12m，取过流断面宽度比例系数β为1.5，该设计满足bup>βb堰。故该溢流口位置及形状参数设计合理。
实施例二
青藏高原某流域位于工布江达县境内，其流域面积为150km2，在位于海拔5000m的位置有一冰湖，冰湖下游区域的沟道长度为20km，平均纵比降为5％。通过现场调查在冰湖蓄满水的情况下库容约为600×104m3。该冰湖曾于1964年发生溃决，最大洪峰流量达2800m3/s。为最大程度地减小对冰湖下游地区铁路、公路、水利设施、居民点和农田等的威胁和危害，采用本发明的冰湖溃决型泥石流防治方法，具体实施步骤如下：
(一)根据地形条件，将冰碛坝下游处的0-3km定为上游区，3-15km定为中游区，15-20km定为下游区。其中上游区处平均沟道宽度为12m。沿程采样并通过颗粒筛分试验确定中游区域内沟道物源粒径的d90为0.5m。根据遥感影像确定下游区域的排导槽工程设计坡度范围约为5-15°。根据冰湖深度及面积，以及下游保护对象的重要程度，确定最大溃决洪峰流量的设计值为。确定冰碛坝溃口位置的最大溃决洪峰流量为qtotal＝3500m3/s，溃决洪水泥石流到达下游区域分流坝位置的峰值流量为q分/total＝2800m3/s。勘察下游桥梁桥下净空为19.7m，桥梁为双跨通过沟道，桥梁的设计最大桥下流量设计值为1500m3/s。
(二)在上游以品字形修建桩林坝群并在库区内人工分层摆放直径d＝1.5-3m的大漂石，每一行桩林中桩之间的间距为b＝0.75m，每隔100m设置一排桩林以稳固上游的漂石，并控制下游漂石的启动。在桩林坝施工库区内设置辅助桩与漂石共同组建出多阶梯消能段，实现对溃决洪水的消能。组合段长300m，所形成的总阶梯状跌水高度为12m。桩林施工时各单桩埋入土体内的基础深度为30m，地面高度为20m。人工阶梯段堆放的漂石高度为15m，布置的大块石之间间距为0.75m，保证水流正常通过。
(三)在中游区修建10道消能潜槛，顶宽d＝1m，地面以上高度为1.5m，地面以下埋入深度为2m。为保证消能潜槛安全，在底部每隔3m设置一桩基，桩基深度为5m。在潜槛的下游修建一座开口型拦砂坝，根据地形条件，设计坝高5m，底宽12m，顶宽15m，设置两排泄流孔每排4个，其中单排泄流孔之间间距为1m，排与排之间间距为2m。结合(一)中勘察得到的d90粒径，设计泄流孔宽度为1m，高度为1.5m。
(四)在下游地区修建一座大型分流坝，用于将溃决洪水泥石流进行分离，然后通过位于铁路桥梁下部的排导槽将溃决洪水泥石流排放至主河。分流坝的流量分配需满足q分/total＝qup+qdown。根据(一)中勘察结果，在q分/total＝2800m3/s时，根据停淤场建设范围，拟定为qup分配2000m3/s的流量，为qdown分配800m3/s的流量。拟定分流坝设计下宽为25m，上宽为35m，设计坝高7.5m。故回淤段上游宽度也可视作25m。根据此分级标准分流坝采用如下步骤设计：
1.按最大流量值qtotal在分流坝前出现时计算分流坝前泥深及流速。由公式反算得到当出现最大洪峰流量q分/total时分流坝前的水深，根据(一)中勘察结果知糙率n＝0.04，j＝0.07。解得h坝前＝6.5m，坝前流速为
2.采用下式计算下层排导槽的最大过流能力q排,down
其中n为糙率系数，bdown为排导槽宽度，hdown为水深最大值，取排导槽深度。
根据(一)中勘察数据及拟设的排导槽参数，取糙率n＝0.028，拟定排导槽宽度bdown＝31m，hdown＝2.5m，排导槽修建处水力坡度j＝0.11，得q排,down＝1530m3/s，取安全系数k＝1.5，则该拟定方案满足q排,down>1.5qdown，排导槽设计合理。
3.下层排导槽的泥石流由分流坝的下部泄流孔输送，为保证下部泄流孔的泥石流为孔流状态。需h孔/h水深＜0.65，结合1中计算结果，拟设泄流孔高度4m。
4.由1中勘察数据结合曼宁公式得到分流坝处出现q分/total＝2800m3/s的洪峰流量时，分流坝坝前的流速为17.3m/s。则其中h0为泄流孔前总水头,ε为垂向收缩系数，查表取值为0.67。为流速系数，查表取值为1.0。计算得μ＝0.59。可得分流坝处泄流孔面积应为由于溢流口高度为4m，故宽度b孔应为16.34m，取16.4m。由1知下层泄流孔宽度bdown＝31m，取过流断面宽度比例系数β为1.5，该设计满足bdown>βb孔。故该泄流孔位置及形状参数设计合理。
5.采用下式计算上层排导槽的最大过流能力q排,up
根据(一)中勘察数据及拟设的排导槽参数，取糙率n＝0.028，排导槽修建处水力坡度j＝0.12，拟定上层排导槽宽度bup＝25m。深度hup＝5m。得q排,up＝3613m3/s，取安全系数k＝1.5，则该拟定方案满足q排,up>1.5qup，该上层排导槽设计合理。
6.上层排导槽中的泥石流由分流坝顶处的溢流堰处溢流提供。拟设溢流堰深度为1.8m。则以溢流口底部为零势能面其上部部分的总水头为h堰＝15.8m。根据计算溢流堰高度，流量系数m＝0.48。计算得故溢流堰设计宽度取14.9m，深度取1.8m。由5知上层排导槽的宽度bup＝25m，取过流断面宽度比例系数β为1.5，该设计满足bup>βb堰。故该溢流堰位置及形状参数设计合理。
本发明针对全球气候变暖条件下的冰碛坝溃决风险持续增大，潜在威胁持续增加等问题，结合已提出冰碛坝加固方法，从流域角度出发，提出相应的防治方法，不仅能够有效的调控流域内大规模冰湖溃决洪水泥石流的级联溃决放大过程，抑制揭底和堵溃效应，还能够有效的保护下游区域的公路、铁路等重大工程和人民的生命财产安全，具有显著的现实意义和工程应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。