CN102943450B - 一种粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法及应用。该方法通过泥石流沟调查、测量、取样及泥石流特征参数测试等手段，确定粘性泥石流体的重度γ₁、深度h、动摩擦角β，确定原始沟床堆积物质的重度γ₂、内摩擦角φ、粘性系数C，确定沟道纵比降J；将所得参数代入计算公式，得到粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度。该方法适用于粘性泥石流防治工程基础埋深的设计，将得到的粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度作为防治工程最小基础埋深。与现有技术相比，本发明基于严格理论推导，能够合理确定粘性泥石流沟的沟床最大冲刷深度，为防治工程基础埋深的设计提供依据，计算结果精度高，适应实际工程需要。

Description

一种粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法及应用

技术领域

本发明涉及一种粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法，及其在防治工程基础埋深设计中的应用。

背景技术

泥石流是中国山区一种常见的地质灾害，具有发生突然、历时短暂、来势凶猛、大冲淤、破坏力极强的特点。随着人类经济活动进一步向山区延伸和自然环境趋于恶化,泥石流爆发范围和频率正在逐年增大,所带来的危害也更加严重，为了保障山区经济的可持续发展，泥石流防治治理就显得十分必要。

粘性泥石流冲刷沟床，造成建筑物和工程设施的基础失稳是粘性泥石流的主要危害方式之一。例如，1991年川藏公路西藏境内的索通沟暴发粘性泥石流，泥石流强烈冲刷沟床，致使穿越泥石流沟道的桥梁基础暴露，造成这座桥面高出沟床近10米的混凝土双曲拱桥完全被毁。2010年8月13日，四川绵竹市清平乡文家沟特大规模粘性泥石流在中游沟床的冲刷深度达30.0m～60.0m，冲毁19座谷坊坝和1座拦砂坝，致使5人死亡1人失踪。因此，在泥石流防治工程设计时一定要准确测算泥石流沟床最大冲刷深度，进而合理设计泥石流可能危害区域内的建筑物或构筑物的基础埋置深度，防止其基础因被冲刷失稳而造成整个工程的毁坏。

然而，目前粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的计算还没有较好的方法。实际工程（如导流墙、防护堤、排导槽、桥墩及其他位于石流沟道两侧的建筑物或构筑物）设计时常常根据经验确定基础埋置深度，使得工程本身存在极大的风险。游勇、程尊兰《粘性泥石流阵性运动对沟道冲淤演变的影响》一文中，公开了一种粘性泥石流沟道冲刷极限深度的计算方法。但是这一计算方法中泥石流的阻力只考虑了沟道堆积体的抗剪强度，没有考虑泥石流及沟道可冲刷固体物质的运动阻力，计算精度不佳；且这一方法仅适用于沟道堆积物达饱和状态下的泥石流沟道冲刷深度计算，难用于原始泥石流沟道堆积土体未达饱和状态的情形。这两点缺陷致使该方法不能满足粘性泥石流防治工程基础埋深设计的需要。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法，该方法基于严格理论推导，能够合理确定粘性泥石流沟的沟床最大冲刷深度，为防治工程基础埋深的设计提供依据，计算结果精度高，适应实际工程需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法，所述测算方法的理论推导如下：首先绘出泥石流流动示意图，分析泥石流在沟道运动过程中受到的驱动力和阻力；然后根据力学理论推导粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的计算公式；再通过泥石流沟调查、测量、取样及泥石流特征参数测试等手段确定粘性泥石流体的重度γ₁、原始沟床面以上泥石流体的深度h、原始沟床堆积物质的重度γ₂、原始沟床堆积物质的内摩擦角原始沟床堆积物质的粘性系数C、沟道纵比降J，以及原始沟床面以上泥石流体的动摩擦角β；将所得参数代入所得计算公式，计算得到粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度。

首先，绘制泥石流流动示意图，分析泥石流在沟道运动过程中受到的驱动剪切力和阻力情况。设定沟道纵比降J，泥石流流经沟道时的泥石流深度为h，沟床最大冲刷深度为h₁，如说明书附图1所示。

然后，根据力学原理，推导粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的计算公式。粘性泥石流通过沟床时，在沟床可能冲刷最大深度处的床面上，驱动泥石流运动的剪切力为： $F_1=({\mathrm{\γ}}_{1}h+{\mathrm{\γ}}_2{h}_1)\·\frac{J}{\sqrt{J^2+1}}$ ①

式中：F₁—驱动泥石流运动的剪切力；h₁—沟床最大冲刷深度，单位m；h—通过原始沟床表面以上泥石流体的深度（即不包含沟床可能受冲刷参与运动的深度），单位m；γ₁—流经沟道泥石流体的重度，单位kN/m³；γ₂—原始沟床堆积物质的重度，单位kN/m³；J—原始沟道纵比降，单位‰。

泥石流运动阻力用下面公式表示：

②

式中：F₂-粘性泥石流运动阻力；β—泥石流体的动摩擦角，单位度(°)；—原始沟床堆积物质的内摩擦角，单位度(°)；C—原始沟床堆积物质的粘性系数，单位kPa；其他符号同前面一致。

根据力学平衡条件，当驱动泥石流运动的剪切力等于运动阻力，沟床土体处于临界平衡状态，令F₁=F₂，可得到沟床最大冲刷深度计算公式：

③

式中符号同前面一致。

接着，通过选择适用的泥石流容重计算公式计算或实际取样实测容重，确定粘性泥石流体的重度γ₁；通过实际调查泥石流过流痕迹，确定原始沟床面以上泥石流体的深度h；通过实际取样实测容重，确定原始沟床堆积物质的重度γ₂；通过直接剪切或三轴试验，确定原始沟床堆积物质的内摩擦角通过直接剪切或三轴试验，确定原始沟床堆积物质的粘性系数C；通过大比例尺地形图测量计算，确定沟道纵比降J（以小数形式代入计算公式，如101‰，代入公式时应代入0.101）；通过测定泥石流体的颗粒组成状况和浓度比、确定原始沟床面以上泥石流体的动摩擦角β（当浓度很稀时β接近于零，当浓度接近极限体积比浓度时β接近于原始沟床堆积物质的内摩擦角）。最后，将所得参数值代入公式③，计算得到粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度，为工程设计提供依据。

本发明在上述计算理论分析基础之上，提出了一种粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法。具体而言，粘性泥石流沟包括原始沟床和在原始沟床上运动的泥石流体，所述粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法步骤如下：

A.通过实际调查泥石流过流痕迹，确定泥石流体的深度h，单位m；通过泥石流容重计算公式计算或实际取样实测容重，确定泥石流体的重度γ₁，单位kN/m³；通过实际取样实测容重，确定原始沟床堆积物质的重度γ₂，单位kN/m³；通过大比例尺地形图测量计算，确定粘性泥石流沟的沟道纵比降J，单位‰；通过测定泥石流体的颗粒组成状况和浓度比，确定泥石流体的动摩擦角β，单位度；通过直接剪切或三轴试验，确定原始沟床堆积物质的内摩擦角单位度；通过直接剪切或三轴试验，确定原始沟床堆积物质的粘性系数C，单位kPa。

B.通过以下公式确定粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度h₁，单位m：

式中，h为泥石流体的深度、γ₁为泥石流体的重度、γ₂为原始沟床堆积物质的重度、J为沟道纵比降、β为泥石流体的动摩擦角、为原始沟床堆积物质的内摩擦角、C为原始沟床堆积物质的粘性系数，均由步骤A确定。

所述粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度测算方法适用于粘性泥石流防治工程基础埋深的设计，将得到的粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度作为防治工程最小基础埋深。所述粘性泥石流防治工程可以是防护堤，或排导槽，或导流墙，等等。所述粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度测算方法适用于重度大于等于20kN/m³，粒径小于0.005mm的粘粒含量大于1％的粘性泥石流沟。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：详细分析了泥石流在沟道运动过程中的作用力情形和沟床堆积物质的含水量情况，在泥石流阻力分析中增加了泥石流及沟道可冲刷固体物质的运动阻力，并将沟床最大冲刷深度计算公式适用条件拓展到沟道堆积体中的水分不饱和情形，计算理论完善，计算结果精确；能够为粘性泥石流防治工程基础埋深的设计提供技术支持，避免工程设施因粘性泥石流冲刷沟床，造成其基础失稳而被破坏。

附图说明

图1是粘性泥石流流动示意图。

图中标号如下：

1—原始沟床

2—泥石流体

J—沟道纵比降

h₁-沟床最大冲刷深度

h-泥石流体的深度

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

蒋家沟位于云南省东川市北部，水流由东向西汇入小江。蒋家沟流域面积48.6km²，主沟沟长13.9km，最高海拔3269m，最低海拔1042m，是一条著名的粘性泥石流沟。1983年6月12日至10月3日，蒋家沟主沟曾爆发21次泥石流。泥石流沟床发生猛烈冲刷，致使1404m的导流堤浆砌块石护面基础普遍外露并倒塌694m。目前蒋家沟下游泥石流防治工程较少，大片农田及其配套水利设施缺乏有效保护，受泥石流灾害威胁巨大。

为了减轻泥石流危害威胁，保护蒋家沟下游的农田，拟在蒋家沟下游沿临河侧的农田外缘修建一道防护堤。防护提的最小基础埋深通过采用本发明的粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度测算方法得到。

所述粘性泥石流沟包括原始沟床1和在原始沟床1上运动的泥石流体2，如图1所示。粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法步骤如下：

A.通过实际调查泥石流过流痕迹，确定泥石流体2的深度h为2.5m；通过实际取样实测容重，确定泥石流体2的重度γ₁为22kN/m³；通过实际取样实测容重，确定原始沟床1堆积物质的重度γ₂为24kN/m³；通过大比例尺地形图测量计算，确定粘性泥石流沟的沟道纵比降J为89.2‰；通过测定泥石流体2的颗粒组成状况和浓度比，确定泥石流体2的动摩擦角β为22.1°；通过直接剪切试验，确定原始沟床1堆积物质的内摩擦角为29.2°；通过直接剪切试验，确定原始沟床1堆积物质的粘性系数C为13kPa。

B.将步骤A中确定的各参数值代入以下公式，

计算得到粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度h₁为-2.91m。

则拟建防护堤的基础埋深最小应为2.91m，以防基础被粘性泥石流冲刷破坏。

实施例二

红椿沟位于汶川县映秀镇东北侧，岷江左岸，是一条粘性泥石流沟。沟口坐标：Ｎ31°04′01″，E103°29′33″；沟域面积：5.35km²；主沟纵长：3.6km；最高点高程：2168.4m；汇口处高程：880m；相对高差：1288.4m；平均纵比降：358‰。汶川地震以前红椿沟曾发生过两次规模较小的泥石流。汶川地震后，由于地震作用诱发了大量的崩塌、滑坡，为泥石流的形成提供了重要的松散物质，红椿沟泥石流趋于活跃。2010年8月14日，强降雨过程导致红椿沟暴发泥石流，泥石流规模达80.5万m³，其中超过40万m³直接进入岷江。泥石流在岷江堆积堵断岷江主河道，导致河水改道冲入映秀新镇，引发洪水泛滥。造成映秀镇13人死亡、59人失踪、8000余人被迫避险转移。

为了有效治理泥石流，防治泥石流再次堵江，减轻泥石流灾害。拟在红椿沟下游沟口处修建一条东川式排导槽与岷江小角度相交。排导槽的最小基础埋深通过采用本发明的粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度测算方法得到。

所述粘性泥石流沟包括原始沟床1和在原始沟床1上运动的泥石流体2，如图1所示。粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法步骤如下：

A.通过实际调查泥石流过流痕迹，确定泥石流体2的深度h为3.1m；通过实际取样实测容重，确定泥石流体2的重度γ₁为20.5kN/m³；通过实际取样实测容重，确定原始沟床1堆积物质的重度γ₂为23kN/m³；通过大比例尺地形图测量计算，确定粘性泥石流沟的沟道纵比降J为358‰；通过测定泥石流体2的颗粒组成状况和浓度比，确定泥石流体2的动摩擦角β为18.3°；通过三轴试验，确定原始沟床1堆积物质的内摩擦角为29.5°；通过三轴试验，确定原始沟床1堆积物质的粘性系数C为11kPa。

B.将步骤A中确定的各参数值代入以下公式，

计算得到粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度h₁为-3.71m。

则拟建排导槽侧墙和肋槛的基础埋深最小应为3.71m，以防基础被粘性泥石流冲刷破坏。

Claims (4)

1.一种粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法，所述粘性泥石流沟包括原始沟床(1)和在原始沟床(1)上运动的泥石流体(2)，其特征在于：所述粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法步骤如下：

A.通过实际调查泥石流过流痕迹，确定在原始沟床(1)上运动的泥石流体(2)的深度h，单位m；通过泥石流容重计算公式计算或实际取样实测容重，确定泥石流体(2)的重度γ₁，单位kN/m³；通过实际取样实测容重，确定原始沟床(1)堆积物质的重度γ₂，单位kN/m³；通过大比例尺地形图测量计算，确定粘性泥石流沟的沟道纵比降J，单位‰；通过测定泥石流体(2)的颗粒组成状况和浓度比，确定泥石流体(2)的动摩擦角β，单位度；通过直接剪切或三轴试验，确定原始沟床(1)堆积物质的内摩擦角单位度；通过直接剪切或三轴试验，确定原始沟床(1)堆积物质的粘性系数C，单位kPa；

B.通过以下公式确定粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度h₁，单位m：

式中，h为在原始沟床(1)上运动的泥石流体(2)的深度，γ₁为泥石流体(2)的重度，γ₂为原始沟床(1)堆积物质的重度，J为沟道纵比降、以小数形式代入计算公式，β为泥石流体(2)的动摩擦角，为原始沟床(1)堆积物质的内摩擦角，C为原始沟床(1)堆积物质的粘性系数，以上参数均由步骤A确定。

2.如权利要求1所述粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度测算方法的应用，其特征在于：适用于粘性泥石流防治工程基础埋深的设计，将得到的粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度作为防治工程最小基础埋深。

3.根据权利要求2所述粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度测算方法的应用，其特征在于：所述粘性泥石流防治工程为防护堤，或排导槽，或导流墙。

4.如权利要求1所述粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度测算方法的应用，其特征在于：适用于粘性泥石流沟，所述粘性泥石流沟的泥石流重度大于等于20kN/m³、粒径小于0.005mm的粘粒含量大于1％。