CN101398968A - 公路泥石流灾害预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种公路泥石流灾害预警方法，该方法包括如下步骤：1)采集泥石流流通区进口端的瞬时泥位信息，2)根据测得的泥位变化信息计算出泥石流流通区进口端泥石流流速v₁，3)计算出泥石流流通区出口端的泥石流流速v₂，4)根据泥石流流速v₁和v₂计算出流通区沟口桥涵处泥石流泥位高度h_q，5)根据桥涵处泥石流泥位高度h_q划分安全等级，根据安全等级，由告警系统作出相应处理。本发明的有益技术效果是：可以实时地警报泥石流灾害，及时警示灾区内的车辆及行人安全避灾，从而减轻泥石流危险区公路交通损失，实现防灾减灾。

Description

公路泥石流灾害预警方法

技术领域

本发明涉及一种泥石流灾害预警技术，尤其涉及一种公路泥石流灾害预警方法。

背景技术

我国是世界上泥石流灾害最严重的国家之一，近30年来，仅在公路系统中，每年因突发泥石流灾害造成的直接经济损失就达3亿元以上，间接经济损失超过50亿元，其中灾害情况比较突出的如：川藏公路、天山公路、国道108线、国道212线、国道213线等。如何能有效的实现公路泥石流灾害的防灾减灾、实时警报泥石流灾害，对于减轻泥石流危险区公路交通损失、确保人民生命和财产安全，都具有重要意义。

发明内容

本发明公开了一种公路泥石流灾害预警方法，该方法包括如下步骤：1)采集泥石流流通区进口端的瞬时泥位信息，2)根据测得的泥位变化信息计算出泥石流流通区进口端泥石流流速v₁，3)计算出泥石流流通区出口端的泥石流流速v₂，4)根据泥石流流速v₁和v₂计算出流通区沟口桥涵处泥石流泥位高度h_q，5)根据桥涵处泥石流泥位高度h_q划分安全等级，根据安全等级，由告警系统作出相应处理。

步骤1)中，瞬时泥位信息的采集方法为：

在泥石流流通区进口端不同位置设置两个监测点，分别记为1#、2#监测点；1#、2#监测点分别设置在泥石流流通区进口端沟岸两侧，1#、2#监测点之间沿泥石流流通区纵向相隔距离范围为15m以内。

步骤2)中，计算泥石流流通区进口端泥石流流速v₁的方法包括：

[1]在t₁时刻，1#监测点测量到的泥石流泥位记为h₁，2#监测点测量到的泥石流泥位记为h₂；

[2]在t₂时刻，1#监测点测量到的泥石流泥位记为

，2#监测点测量到的泥石流泥位记为

；

[3]令t₂与t₁相隔的时间差为Δt，即t₂＝t₁+Δt；求出Δt时间内1#监测点所测得的泥石流泥位的变化量

2#监测点所测得的泥石流泥位的变化量

[4]1#、2#监测点处泥石流沟宽度B₀相同且为已知，根据下式计算出Δt时段内，1#至2#监测点范围内泥石流流量变化：

$\mathrm{\ΔV}=\frac{B_0}{4}[2(h_1^{\′}+h_2^{\′}-h_1-h_2)-L_0^2\sin 2\mathrm{\θ}]$

其中，θ为泥石流流通区进口段沟床平均坡角；

ΔV为Δt时段内，1#至2#监测点范围内泥石流流量变化值；

B₀为1#、2#监测点处泥石流沟床平均宽度，也即泥石流流通区进口段平均宽度，此为已知量；

L₀为1#、2#监测点之间沿泥石流流通区相隔距离。

若ΔV>0，表示泥石流流量增加；

若ΔV＝0，表示泥石流流量恒定；

若ΔV<0，表示泥石流流量减小；

[5]根据下式计算Δt时段内，1#至2#监测点范围内泥石流流量速度q，

$q=\frac{\mathrm{\&Delta;V}}{\mathrm{\&Delta;t}},$ 单位：m³/s

[6]根据下式计算出Δt时段内，泥石流过流断面积变化量ΔA，

$\mathrm{\&Delta;A}=\frac{B_0}{2}(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;}-h_1-h_2)$

[7]根据下式计算出泥石流流通区进口端泥石流流速v₁，

$v_1=\frac{2(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;}-h_1-h_2)-L_0^2\sin 2\mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{\&Delta;t}(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;}-h_1-h_2)}$

步骤3)中，计算泥石流流通区出口端的泥石流流速v₂的方法，包括：

根据泥石流沟内沉积物的固相比、固相颗粒等效粒径、泥石流体厚度、固液两相平均密度、泥石流浆体粘度、泥石流浆体宾汉极限屈服应力和泥石流流通区的长度，根据下式计算出泥石流流通区出口端的泥石流流速v₂，

$v_2=\frac{1+M}{2G}\sqrt{\frac{\mathrm{Ah}}{(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_s-M^2\mathrm{\&alpha;}{\mathrm{\&rho;}}_f}}$

其中：

M＝(1-α)^-4

$A=2\mathrm{\&alpha;}[(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_s-(2-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_f]g\cos \mathrm{\&beta;}-{5\mathrm{\&alpha;\&tau;}}_B+\frac{3\mathrm{\&alpha;}(1-2\mathrm{\&alpha;})}{d_e}P$

$P=\frac{[\mathrm{\&alpha;}{\mathrm{\&rho;}}_s+(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_f]\mathrm{gh}}{2{\cos }^2\mathrm{\&beta;}}$

G＝f(α，L，h)

式中：G为流速差异系数，由G-L-h标准试验曲线查取，针对具体的泥石流沟，G-L-h标准试验曲线存在差异，需要预先标定，此为已知。

A、M、P为中间变量；

α为泥石流沉积物固相体积浓度，此为已知；

h为泥石流体厚度(m)， $h=(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;})/2;$

ρ_s和ρ_f分别表示固相和液相的平均密度(g/cm³)，此为已知；

g为重力加速度(9.8m/s²)，此为已知；

d_e为固相颗粒等效直径(m)，此为已知；

τ_B为泥石流浆体的宾汉极限屈服应力(Pa)，此为已知；

β为泥石流流通区沟床平均坡角，此为已知；

步骤4)中，计算桥涵处泥石流泥位高度h_q的方法为：

令桥涵处泥石流沟平均宽度为B_q，此为已知量，根据下式计算h_q，

$h_q=\frac{B_0}{2B_q}(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;})\frac{v_1}{v_2}$

步骤5)中，告警系统的处理方法为：

若桥涵路面距离泥石流沟床的高度为H₀，则：

当h_q≤0.5H₀，处于“安全”状态，告警系统发出绿色预警；

当0.5H₀≤h_q≤0.9H₀，处于“基本安全”状态，告警系统发出黄色预警；

当h_q>0.9H₀，处于“危险”状态，告警系统发出红色预警。

本发明的有益技术效果是：可以实时地警报泥石流灾害，及时警示灾区内的车辆及行人安全避灾，从而减轻泥石流危险区公路交通损失，实现防灾减灾。

附图说明

图1、监测点设置位置示意图。

具体实施方式

参见附图1，首先要确定的是监测点的位置，以保证泥石流灾害发生时，安装在监测点处的监测装置能不受泥石流灾害影响正常工作。

在泥石流流通区进口端泥石流沟两岸分别设置1个监测点，分别记为1#、2#监测点；1#、2#监测点分别设置在泥石流流通区两岸，1#、2#监测点之间沿泥石流流通区纵向相隔距离范围为L₀(如图1所示)，L₀的取值范围在15m以内。

在2个监测点处分别设置监测装置，监测装置可选用由高能电池驱动的袖珍激光扫描仪，由激光扫描仪采用激光无线测距确定任意时刻所测位置处泥石流体的表面高度(即泥石流泥位)。

对采集到的信息还需要经过处理才能转换为对我们有用的数据，具体处理方法如下：

(1)根据激光扫描仪采集到的泥石流流通区进口端的瞬时泥位信息，计算泥石流流通区进口端泥石流流速v₁：

石流流通区进口端泥石流流速v₁的方法包括：

[1]在t₁时刻，1#监测点测量到的泥石流泥位记为h₁，2#监测点测量到的泥石流泥位记为h₂；

[2]在t₂时刻，1#监测点测量到的泥石流泥位记为

2#监测点测量到的泥石流泥位记为

[3]令t₂与t₁相隔的时间差为Δt，即t₂＝t₁+Δt；求出Δt时间内1#监测点所测得的泥石流泥位的变化量

2#监测点所测得的泥石流泥位的变化量

[4]1#、2#监测点处泥石流沟宽度B₀相同且为已知，根据下式计算出Δt时段内，1#至2#监测点范围内泥石流流量变化：

$\mathrm{\&Delta;V}=\frac{B_0}{4}[2(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;}-h_1-h_2)-L_0^2\sin 2\mathrm{\&theta;}]$

其中，θ为泥石流流通区进口段沟床平均坡角；

ΔV为Δt时段内，1#至2#监测点范围内泥石流流量变化值；

B₀为1#、2#监测点处泥石流沟床平均宽度，也即泥石流流通区进口段平均宽度，此为已知量；

L₀为1#、2#监测点之间沿泥石流流通区纵向相隔距离。

若ΔV>0，表示泥石流流量增加；

若ΔV＝0，表示泥石流流量恒定；

若ΔV<0，表示泥石流流量减小；

[5]根据下式计算Δt时段内，1#至2#监测点范围内泥石流流量速度q，

$q=\frac{\mathrm{\&Delta;V}}{\mathrm{\&Delta;t}},$ 单位：m³/s

[6]根据下式计算出Δt时段内，泥石流过流断面积变化量ΔA，

$\mathrm{\&Delta;A}=\frac{B_0}{2}(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;}-h_1-h_2)$

[7]根据下式计算出泥石流流通区进口端泥石流流速v₁，

$v_1=\frac{2(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;}-h_1-h_2)-L_0^2\sin 2\mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{\&Delta;t}(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;}-h_1-h_2)}$

(2)计算泥石流流通区出口端的泥石流流速v₂：

根据下式计算出泥石流流通区出口端的泥石流流速v₂

$v_2=\frac{1+M}{2G}\sqrt{\frac{\mathrm{Ah}}{(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_s-M^2\mathrm{\&alpha;}{\mathrm{\&rho;}}_f}}$

其中：

M＝(1-α)^-4

$A=2\mathrm{\&alpha;}[(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_s-(2-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_f]g\cos \mathrm{\&beta;}-{5\mathrm{\&alpha;\&tau;}}_B+\frac{3\mathrm{\&alpha;}(1-2\mathrm{\&alpha;})}{d_e}P$

$P=\frac{[\mathrm{\&alpha;}{\mathrm{\&rho;}}_s+(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_f]\mathrm{gh}}{2{\cos }^2\mathrm{\&beta;}}$

G＝f(α，L，h)

式中：G为流速差异系数，由G-L-h标准试验曲线查取，针对具体的泥石流沟，G-L-h标准试验曲线存在差异，需要预先标定，此为已知。

A、M、P为中间变量；

α为泥石流沉积物固相体积浓度，此为已知；

h为泥石流体厚度(m)， $h=(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;})/2;$

ρ_s和ρ_f分别表示固相和液相的平均密度(g/cm³)，此为已知；

g为重力加速度(9.8m/s²)，此为已知；

d_e为固相颗粒等效直径(m)，此为已知；

τ_B为泥石流浆体的宾汉极限屈服应力(Pa)，此为已知；

β为泥石流流通区沟床平均坡角，此为已知。

泥石流流通区长度也可通过测量获知。

(3)计算公路桥涵处泥石流泥位高度h_q

令桥涵处泥石流沟平均宽度为B_q，根据物质平衡原理，得

$h_q=\frac{B_0}{2B_q}(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;})\frac{v_1}{v_2}$

其中，桥涵处泥石流沟平均宽度B_q为已知。

(4)通过上述步骤的处理和计算，我们就可以对泥石流灾害发生时桥涵路面的安全状况进行评估并预警了，

若桥涵路面距离泥石流沟床的高度为H₀，则：

当h_q≤0.5H₀，处于“安全”状态，告警系统发出绿色预警；

当0.5H₀≤h_q≤0.9H₀，处于“基本安全”状态，告警系统发出黄色预警；

当h_q>0.0H₀，处于“危险”状态，告警系统发出红色预警；

针对具体的泥石流沟，下列参数均作为已知值代入计算：

1)泥石流沟流通区进口段沟床平均坡角θ(°)；

2)泥石流沟流通区进口段沟床平均宽度B₀(m)；

3)泥石流沟进口端1#、2#测点之间沿泥石流流通区相隔的距离L₀(m)；

4)泥石流沟流通区长度L(m)；

5)泥石流沉积物固相体积浓度α；

6)泥石流沟流通区平均坡角θ(°)；

7)泥石流沟G-L-h标准试验曲线；

8)泥石流沉积物固相平均密度ρ_s(g/cm³)；

9)泥石流沉积物液相浆体平均密度ρ_f(g/cm³)；

10)泥石流沉积物固相颗粒等效直径d_e(m)；

11)泥石流液相浆体极限屈服应力τ_B(kPa)；

12)重力加速度g(9.8m/s²)。

13)桥涵处泥石流沟平均宽度B_q(m)；

14)桥涵路面距离泥石流沟床底部的高度H₀(m)。

由于在t₁时刻，流通区进口端泥石流的流速为v₁，出口端流速为v₂，且流通区平均长度为L，则流通区进口端泥石流到达公路桥涵处的时间t为

$t=\frac{v_1+v_2}{2L}$

即从观测到泥石流相关信息t时间后泥石流到达桥涵处，告警系统在t时间内发出告警信号，就可及时警示灾区内的车辆及行人安全避灾，从而实现防灾减灾。

Claims (6)

1、一种公路泥石流灾害预警方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：1)采集泥石流流通区进口端的瞬时泥位信息，2)根据测得的泥位变化信息计算出泥石流流通区进口端泥石流流速v₁，3)计算出泥石流流通区出口端的泥石流流速v₂，4)根据泥石流流速v₁和v₂计算出流通区沟口桥涵处泥石流泥位高度h_q，5)根据桥涵处泥石流泥位高度h_q划分安全等级，根据安全等级，由告警系统作出相应处理。

2、根据权利要求1所述的公路泥石流灾害预警方法，其特征在于：步骤1)中，瞬时泥位信息的采集方法为：

在泥石流流通区进口端不同位置设置两个监测点，分别记为1#、2#监测点；1#、2#监测点分别设置在泥石流流通区进口端沟岸两侧，1#、2#监测点之间沿泥石流流通区纵向相隔距离范围为15m以内。

3、根据权利要求1所述的公路泥石流灾害预警方法，其特征在于：步骤2)中，计算泥石流流通区进口端泥石流流速v₁的方法包括：

[1]在t₁时刻，1#监测点测量到的泥石流泥位记为h₁，2#监测点测量到的泥石流泥位记为h₂；

[2]在t₂时刻，1#监测点测量到的泥石流泥位记为

2#监测点测量到的泥石流泥位记为

[3]令t₂与t₁相隔的时间差为Δt，即t₂＝t₁+Δt；求出Δt时间内1#监测点所测得的泥石流泥位的变化量

2#监测点所测得的泥石流泥位的变化量

[4]1#、2#监测点处泥石流沟宽度B₀相同且为已知，根据下式计算出Δt时段内，1#至2#监测点范围内泥石流流量变化：

$\mathrm{\&Delta;V}=\frac{B_0}{4}[2(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;}-h_1-h_2)-L_0^2\sin 2\mathrm{\&theta;}]$

其中，θ为泥石流流通区进口段沟床平均坡角；

ΔV为Δt时段内，1#至2#监测点范围内泥石流流量变化值；

B₀为1#、2#监测点处泥石流沟床平均宽度，也即泥石流流通区进口段平均宽度，此为已知量；

L₀为1#、2#监测点之间沿泥石流流通区纵向相隔距离。

若ΔV>0，表示泥石流流量增加；

若ΔV＝0，表示泥石流流量恒定；

若ΔV<0，表示泥石流流量减小；

[5]根据下式计算Δt时段内，1#至2#监测点范围内泥石流流量速度q，

$q=\frac{\mathrm{\&Delta;V}}{\mathrm{\&Delta;t}},$ 单位：m³/s

[6]根据下式计算出Δt时段内，泥石流过流断面积变化量ΔA，

$\mathrm{\&Delta;A}=\frac{B_0}{2}(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;}-h_1-h_2)$

[7]根据下式计算出泥石流流通区进口端泥石流流速v₁，

$v_1=\frac{2(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;}-h_1-h_2)-L_0^2\sin 2\mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{\&Delta;t}(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;}-h_1-h_2)}$

4、根据权利要求1所述的公路泥石流灾害预警方法，其特征在于：步骤3)中，计算泥石流流通区出口端的泥石流流速v₂的方法，包括：

根据泥石流沟内沉积物的固相比、固相颗粒等效粒径、泥石流体厚度、固液两相平均密度、泥石流浆体粘度、泥石流浆体宾汉极限屈服应力和泥石流流通区的长度，根据下式计算出泥石流流通区出口端的泥石流流速v₂：

$v_2=\frac{1+M}{2G}\sqrt{\frac{\mathrm{Ah}}{(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_s-M^2\mathrm{\&alpha;}{\mathrm{\&rho;}}_f}}$

其中：

M＝(1-α)^-4

$A=2\mathrm{\&alpha;}[(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_s-(2-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_f]g\cos \mathrm{\&beta;}-5{\mathrm{\&alpha;\&tau;}}_B+\frac{3\mathrm{\&alpha;}(1-2\mathrm{\&alpha;})}{d_c}P$

$P=\frac{[{\mathrm{\&alpha;\&rho;}}_s+(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_f]\mathrm{gh}}{{2\cos }^2\mathrm{\&beta;}}$

G＝f(α，L，h)

式中：G为流速差异系数，由G-L-h标准试验曲线查取，针对具体的泥石流沟，G-L-h标准试验曲线存在差异，需要预先标定，此为已知。

A、M、P为中间变量；

α为泥石流沉积物固相体积浓度，此为已知；

h为泥石流体厚度(m)， $h=(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;})/2;$

ρ_s和ρ_f分别表示固相和液相的平均密度(g/cm³)，此为已知；

g为重力加速度(9.8m/s²)，此为已知；

d_e为固相颗粒等效直径(m)，此为已知；

τ_B为泥石流浆体的宾汉极限屈服应力(Pa)，此为已知；

β为泥石流流通区沟床平均坡角，此为已知；

5、根据权利要求1所述的公路泥石流灾害预警方法，其特征在于：步骤4)中，计算泥石流流通区出口端桥涵处泥石流泥位高度h_q的方法为：

令桥涵处泥石流沟平均宽度为B_q，此为已知量，根据下式计算h_q，

$h_q=\frac{B_0}{2B_q}(h_1^{\&prime;}+h_2^{\&prime;})\frac{v_1}{v_2}$

6、根据权利要求1所述的公路泥石流灾害预警方法，其特征在于：步骤5)中，告警系统的处理方法为：

若桥涵路面距离泥石流沟床的高度为H₀，此为已知量，则：

当h_q≤0.5H₀，处于“安全”状态，告警系统发出绿色预警；

当0.5H₀≤h_q≤0.9H₀，处于“基本安全”状态，告警系统发出黄色预警；

当h_q>0.9H₀，处于“危险”状态，告警系统发出红色预警。

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