CN104794362A - 一种泥石流断面平均流速的测算方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流断面平均流速的测算方法及应用。所述测算方法通过现场调查测量、实际取样实测容重和室内流变实验等手段，分别确定泥石流流体容重、泥石流固体物质容重、泥石流沟道或排导槽坡度、泥石流过流断面水力半径、泥石流沟道或排导槽外部糙率、和泥石流粘滞系数等参数，将获取的参数代入泥石流断面平均流速计算公式，从而获得较为准确的泥石流断面平均流速。该方法综合考虑了泥石流沟道或排导槽形状变化引起的外部糙率变化和泥石流流体性质产生的内部糙率，能够合理确定泥石流断面平均流速，为泥石流勘查和防治工程设计提供依据，适应泥石流野外勘察和实际工程设计需要。

Description

一种泥石流断面平均流速的测算方法及应用

技术领域

本发明涉及一种泥石流断面平均流速的测算方法，及其在泥石流天然沟道条件下或在泥石流排导槽设计合理性校核中的应用。

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。近年来，在趋于增强的地震活动扰动下，加之全球气候变化导致的极端天气显著增加，泥石流活动非常活跃，重大泥石流灾害频繁发生，人民生命财产安全受到严重危害和威胁。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。

泥石流流速是泥石流动力学性质中最为重要的参数，也是泥石流防治工程设计不可缺少的参数。泥石流流速关系到泥石流流量、冲击力、运动摩阻、弯道超高等重要工程设计参数的计算。目前确定泥石流断面平均流速的计算方法，经验或半经验的计算公式有数十种之多。例如：云南东川蒋家沟粘性泥石流估算公式，云南东川大白泥沟和蒋家沟粘性泥石流经验公式，西藏波密古乡沟粘性泥石流估算公式等。各家经验公式皆以水力学中的曼宁公式为原型，但均没有考虑粘滞系数对流速的影响。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种以曼宁公式为原型的泥石流断面平均流速测算方法，该方法综合考虑了泥石流沟道或排导槽形状变化引起的外部糙率变化和泥石流流体性质产生的内部糙率，计算所需参数能够通过野外调查、取样和实验分析来获得，能够合理确定泥石流断面平均流速，为泥石流勘查和防治工程设计提供依据，适应泥石流野外勘察和实际工程设计需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种泥石流断面平均流速的测算方法，所述测算方法的推导过程如下：泥石流断面平均流速设计取值与过流时波动范围容许值是表达泥石流运动与动力状况之第一要素，它规范了泥石流过流时的不冲、不淤势态暨对导向物、障碍物的受(承)力特性。泥石流归属固液两相流，其流动形态、动力来源和阻力功耗等与水流相似，将两者类比，泥石流流速计算公式与水流流速计算公式具有相关性，结合水力学中曼宁公式，故泥石流断面平均流速表达公式应具有统一性，有

$v_C=\frac{1}{n_{\mathrm{Total}}}\·R_C^{2/3}{I}^{1/2}$   公式1

其中，1/n_Total为综合糙率系数，表示泥石流在运动过程中的综合阻力，考虑到泥石流受到的综合阻力来自于外部沟道和泥石流自身，因此将综合糙率分解为泥石流沟道或排导槽形状变化造成的外部糙率和泥石流本身性质产生的内部糙率，其中内部糙率考虑泥沙特性和泥石流粘性作用两方面，即：

$\frac{1}{n_{\mathrm{Total}}}=k\·\frac{1}{\sqrt{1+{\mathrm{\γ}}_H{\mathrm{\Φ}}_C}}\·\frac{1}{n_{\mathrm{Outside}}}$   公式2

因此有：

$v_C=k\·\frac{1}{\sqrt{1+{\mathrm{\γ}}_H{\mathrm{\Φ}}_C}}\·\frac{1}{n_{\mathrm{Outside}}}\·R_C^{2/3}{I}^{1/2}$   公式3

公式3中，

v_C-泥石流断面平均流速，单位m/s；

k-考虑泥石流体粘性作用的修正系数；

γ_H-泥石流固体物质容重，单位t/m³；

Ф_C-泥石流泥沙修正系数；其中γ_C为泥石流流体容重、单位t/m³，γ_H为泥石流固体物质容重、单位t/m³，γ_W为水的容重、取值1.0t/m³；

n_outside-泥石流沟道或排导槽外部糙率；如果是天然沟道，可根据野外调查获得泥石流沟道外部糙率；如果是排导槽，需按照排导槽的材料性质及其附属结构特点等确定泥石流排导槽外部糙率；

R_C-泥石流过流断面水力半径，单位m；如果是天然沟道，可采用平均泥深代替；如果是排导槽，由于排导槽深宽比要比天然沟道大得多，其水力半径不能采用平均泥深代替，应为过水断面面积除以湿周；

I-泥石流沟道或排导槽坡度；如果是天然沟道，就是沟道坡度(即沟床纵坡)；如果是排导槽，就是排导槽坡度(即排导槽纵坡降)。

接下来，确定考虑泥石流体粘性作用的修正系数k。泥石流浆体对泥石流体的运动速度起着至关重要的作用，随着泥石流容重的增加泥石流体粘性的作用也产生不同的变化，进而泥石流的运动流速也会产生相应的变化。高容重的粘性泥石流能够在坡度较小的沟道内运动，其中泥石流体具有的粘性给泥石流运动流速的确定带来了困难。根据上述分析，泥石流沟道或排导槽的外部糙率和泥石流泥沙修正系数易于确定，那么考虑泥石流体粘性作用的修正系数k的取值范围可通过观测数据来确定。根据东川泥石流观测站泥石流取样测试得到的实测粘度系数η和修正系数k进行拟合得到以下关系(泥石流流体容重γ_C＞1.7t/m³)：

k＝1.7532η^0.3941，R²＝0.7552  公式4

将公式4代入公式3可得：

$v_C=1.7532{\mathrm{\η}}^{0.3941}\·\frac{1}{\sqrt{1+{\mathrm{\γ}}_H{\mathrm{\Φ}}_C}}\·\frac{1}{n_{\mathrm{Outside}}}\·R_C^{2/3}{I}^{1/2}$   公式5

本发明在将综合糙率分解为外部糙率和考虑泥沙特性、泥石流粘性作用的内部糙率的基础上，提出了一种泥石流断面平均流速的测算方法。具体而言，所述泥石流断面平均流速的测算方法步骤如下：

(一)通过现场调查实测，确定泥石流沟道或排导槽坡度I，泥石流过流断面水力半径R_c、单位m，泥石流沟道或排导槽外部糙率n_outside；通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η，单位Pa.s。当测算方法用于泥石流天然沟道时，泥石流沟道外部糙率可通过野外调查获得，一般情况下泥石流沟道外部糙率n_outside取值0.033；当测算方法用于泥石流排导槽时，需按照排导槽的材料性质及其附属结构特点等确定泥石流排导槽外部糙率n_outside。

(二)通过实际取样实测容重，确定泥石流流体容重γ_C和泥石流固体物质容重γ_H，单位t/m³；将上述参量代入公式确定泥石流泥沙修正系数Ф_C，式中，γ_W为水的容重，取值1.0t/m³。

(三)通过以下公式确定泥石流断面平均流速v_C

$v_C=1.7532{\mathrm{\η}}^{0.3941}\·\frac{1}{\sqrt{1+{\mathrm{\γ}}_H{\mathrm{\Φ}}_C}}\·\frac{1}{n_{\mathrm{Outside}}}\·R_C^{2/3}{I}^{1/2}$

式中，v_C-泥石流断面平均流速，单位m/s；

η-泥石流粘滞系数，单位Pa.s，由步骤(一)确定；

γ_H-泥石流固体物质容重，单位t/m³，由步骤(二)确定；

Ф_C-泥石流泥沙修正系数，由步骤(二)确定；

n_outside-泥石流沟道或排导槽外部糙率，由步骤(一)确定；

R_c-泥石流过流断面水力半径，单位m，由步骤(一)确定；

I-泥石流沟道或排导槽坡度，由步骤(一)确定。

所述泥石流断面平均流速测算方法适用于泥石流天然沟道条件下，或用于泥石流排导槽设计合理性的校核。当用于泥石流排导槽设计合理性的校核时，通过现场调查，确定泥石流峰值流量Q_c；通过所述泥石流断面平均流速测算方法，确定排导槽中的泥石流断面平均流速v_C，然后计算得到排导槽的过流流量Q；将排导槽的过流流量Q与泥石流峰值流量Q_c进行比对，如果Q大于Q_c，则所设计的排导槽合理。所述泥石流断面平均流速测算方法适用于泥石流流体容重γ_C大于1.7t/m³、泥石流沟道或排导槽坡度I为0.1-0.4的泥石流断面平均流速测算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在泥石流断面平均流速的测算中既考虑了泥石流沟道或排导槽形状变化造成的外部糙率，也考虑了泥石流本身性质产生的内部糙率，即综合考虑了外部条件和泥石流自身性质，同时能够通过切实可行的方法获得具体的计算参数，将获取的参数代入泥石流流速计算公式，从而获得较为准确的泥石流断面平均流速。

具体实施方式

下面对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

某泥石流沟位于绵远河左岸，流域面积约为1.36km²，主沟上游山体地形陡峻，最高点位于流域东侧，海拔1987m；最低点位于沟口绵远河附近，海拔810m，相对高差达1177m；该泥石流沟主沟长度2.59km，沟床纵坡比降412‰。该流域平面形态呈桃叶形，有利于泥石流体汇流。地震后发生多次泥石流，沟道下切严重，切割深度约30m，沟道形态呈“V”型，平均宽度约3～5m。陡峻的地形条件为暴雨洪水的汇集提供了良好的条件，同时较好的临空条件为沟域内不良地质现象的发育以及泥石流松散固体物源的汇集提供了有利的条件。加之沟谷纵坡大，为松散固体物质的搬运和泥石流的形成提供了极为有利的地形。

经野外调查计算得知，20年一遇的泥石流峰值流量约为115.3m³/s。为了减轻泥石流灾害对沟口公路安全畅通的影响，拟在泥石流沟口修建排导槽跨越公路。该排导槽过水断面设计为矩形，宽度为6m，高度为3.5m，20年一遇泥石流设计泥深为2.5m，排导槽的排导纵比降为0.35，由于该排导槽的坡度很大，在排导槽内布置消能结构物。接下来，利用本发明的泥石流断面平均流速测算方法进行泥石流排导槽设计合理性的校核，具体步骤如下：

第一步，通过现场调查实测，确定泥石流排导槽坡度I为0.35，泥石流排导槽外部糙率n_outside为0.063，泥石流过流断面水力半径R_c为过水断面面积除以湿周、即为通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η为0.72Pa.s。

第二步，通过实际取样实测容重，确定泥石流流体容重γ_C为1.9t/m³、泥石流固体物质容重γ_H为2.65t/m³；将上述参量代入公式确定泥石流泥沙修正系数Ф_C为1.2。

第三步，将第一步和第二步中得到的参量分别代入以下公式，确定泥石流断面平均流速v_C

$\begin{array}{c}{v}_C=1.7532{\mathrm{\η}}^{0.3941}\·\frac{1}{\sqrt{1+{\mathrm{\γ}}_H{\mathrm{\Φ}}_C}}\·\frac{1}{n_{\mathrm{Outside}}}\·R_C^{2/3}{I}^{1/2}\\ =1.7532\×{0.72}^{0.3941}\×\frac{1}{\sqrt{1+2.65\×1.2}}\×\frac{1}{0.063}\×{1.36}^{2/3}\×{0.35}^{1/2}=8.70m/s\end{array}$

经计算得到排导槽中的泥石流断面平均流速为8.70m/s，过水断面面积为2.5×6＝15m²，则泥石流排导槽的过流流量Q为8.70×15＝130.5m³/s。在排导20年一遇的泥石流时，泥石流峰值流量Q_c为115.3m³/s，泥石流排导槽的过流流量Q大于泥石流峰值流量Q_c，表明该泥石流排导槽设计合理，能够满足实际工程要求。

实施例二

某泥石流沟位于四川省绵竹市西北部山区的清平场镇北，属长江流域的沱江水系上游绵远河左岸一支沟，沟口坐标N31.5°，E104.1°。在地貌上属构造侵蚀中切割陡峻低-中山地貌、斜坡冲沟地形。该流域总体东西向伸展，汇水面积7.81km²，主沟全长3.25km，流域内最低点位于沟口海拔883m，最高峰位于东部分水岭九顶山的顶子崖，海拔2402m，相对高差1519m。该沟多次暴发超大规模泥石流，对清平乡场镇构成极大威胁。

利用本发明的泥石流断面平均流速测算方法在泥石流天然沟道条件下进行泥石流流速的测算，具体步骤如下：

第一步，通过现场调查实测，确定泥石流沟道坡度I为0.11，泥石流过流断面水力半径R_c采用平均泥深代替、为2.70m，泥石流沟道外部糙率n_outside为0.033；通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η为0.79Pa.s。

第二步，通过实际取样实测容重，确定泥石流流体容重γ_C为2.25t/m³、泥石流固体物质容重γ_H为2.7t/m³；将上述参量代入公式确定泥石流泥沙修正系数Ф_C为2.78。

第三步，将第一步和第二步中得到的参量分别代入以下公式，确定泥石流断面平均流速v_C

$\begin{array}{c}{v}_C=1.7532{\mathrm{\η}}^{0.3941}\·\frac{1}{\sqrt{1+{\mathrm{\γ}}_H{\mathrm{\Φ}}_C}}\·\frac{1}{n_{\mathrm{Outside}}}\·R_C^{2/3}{I}^{1/2}\\ =1.7532\×{0.79}^{0.3941}\×\frac{1}{\sqrt{1+2.7\×2.78}}\×\frac{1}{0.033}\×{2.70}^{2/3}\×{0.11}^{1/2}=8.81m/s\end{array}$

通过现场调查实测，过水断面面积为112m²，通过进一步计算可得通过该断面的泥石流流量为112×8.81＝987m³；而通过原型观测的录像分析获得的泥石流流速为10.19m/s，泥石流流量为1141m³/s，误差约为14％，能够满足泥石流防治工程设计的需要。

Claims (5)

1.一种泥石流断面平均流速的测算方法，其特征在于：所述泥石流断面平均流速的测算方法步骤如下：

(一)通过现场调查实测，确定泥石流沟道或排导槽坡度I，泥石流过流断面水力半径R_c、单位m，泥石流沟道或排导槽外部糙率n_outside；通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η，单位Pa.s；

(二)通过实际取样实测容重，确定泥石流流体容重γ_C和泥石流固体物质容重γ_H，单位t/m³；将上述参量代入公式确定泥石流泥沙修正系数Φ_C，式中，γ_W为水的容重，取值1.0t/m³；

(三)通过以下公式确定泥石流断面平均流速v_C

$v_C=1.7532{\mathrm{\η}}^{0.3941}\·\frac{1}{\sqrt{1+{\mathrm{\γ}}_H{\mathrm{\Φ}}_C}}\·\frac{1}{n_{\mathrm{Outside}}}\·R_C^{2/3}{I}^{1/2}$

式中，v_C-泥石流断面平均流速，单位m/s；

η-泥石流粘滞系数，单位Pa.s，由步骤(一)确定；

γ_H-泥石流固体物质容重，单位t/m³，由步骤(二)确定；

Φ_C-泥石流泥沙修正系数，由步骤(二)确定；

n_outside-泥石流沟道或排导槽外部糙率，由步骤(一)确定；

R_c-泥石流过流断面水力半径，单位m，由步骤(一)确定；

I-泥石流沟道或排导槽坡度，由步骤(一)确定。

2.根据权利要求1所述泥石流断面平均流速的测算方法，其特征在于：所述泥石流断面平均流速测算方法用于泥石流天然沟道时，泥石流沟道外部糙率n_outside取值0.033。

3.如权利要求1所述泥石流断面平均流速测算方法的应用，其特征在于：适用于泥石流天然沟道条件下，或用于泥石流排导槽设计合理性的校核。

4.根据权利要求3所述泥石流断面平均流速测算方法的应用，其特征在于：当用于泥石流排导槽设计合理性的校核时，通过现场调查，确定泥石流峰值流量Q_c；通过所述泥石流断面平均流速测算方法，确定排导槽中的泥石流断面平均流速v_C，然后计算得到排导槽的过流流量Q；将排导槽的过流流量Q与泥石流峰值流量Q_c进行比对，如果Q大于Q_c，则所设计的排导槽合理。

5.如权利要求1所述泥石流断面平均流速测算方法的应用，其特征在于：适用于泥石流流体容重γ_C大于1.7t/m³、泥石流沟道或排导槽坡度I为0.1-0.4的泥石流断面平均流速测算。