CN105369768A - 一种粘性泥石流最大冲起高度的测算方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粘性泥石流最大冲起高度的测算方法及其应用。所述方法以粘性泥石流在自然沟道中的泥位线作为基准线，在粘性泥石流遭遇障碍物过程中泥石流冲起泥位线上垂直基准线的最大距离即为粘性泥石流冲起高度最大值；通过确定粘性泥石流的容重γ_c，泥石流运动方向同沟道障碍物之间的夹角θ，泥石流沟道平均纵比降J，粘滞系数η，屈服应力τ_B以及原始沟道面以上泥石流体的流深H，从而确定泥石流在运动过程中遇到障碍物的最大冲起高度值。该方法计算结果精度高，测算简便，用于泥石流拦挡工程安全高度的设计，适应工程需要。

Description

一种粘性泥石流最大冲起高度的测算方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种粘性泥石流在遭遇障碍物过程中产生最大冲起高度的测算方法，及其在确定防治工程设计高度时的应用，属于泥石流防治领域。

背景技术

泥石流灾害是山地灾害的主要类型之一，每年都会造成数亿元的经济损失。目前来说，工程防治是防治泥石流灾害的最有效措施。然而防治工程在长期的使用过程中，泥石流对防治工程本身造成的损毁不容忽视，甚至一旦这些工程遭到破坏，会在原有基础上加大泥石流规模，大大增加了泥石流造成的危害。如2010年甘肃舟曲特大泥石流灾害，正是由于部分防治工程的损毁才导致的泥石流灾害规模进一步扩大。

防治工程在使用过程中的损毁原因和损毁形式多种多样，其中泥石流在遭遇防治工程时产生冲起，进而使泥石流越过防治工程造成淤积和冲刷，是防治工程失效及损毁的主要原因之一。如在泥石流沟道中修建拦砂坝，泥石流在行进过程中遭遇拦砂坝产生冲起，进而导致泥石流翻过拦砂坝非溢流段，冲刷坝肩及坝后边坡，很容易造成拦砂坝失稳。根据《泥石流防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)，拦砂坝非溢流段比溢流段超高0.5～1.0m，这种情况下，只考虑坝体淤满库容时的溢流坝部分的坝高设计而忽略泥石流冲击拦砂坝产生的冲高很容易造成泥石流翻过拦砂坝非溢流段，冲刷坝肩及坝后边坡，造成损毁。现有泥石流冲起高度计算主要采用能量法对泥石流进行整体分析，其所得冲起高度为泥石流整体重心高度，显然重心高度值低于实际冲起高度值；同时，采用的流速为平均流速，不能反映泥石流在流深范围内流速分布的不同；且公式简单，没有考虑泥石流本身特性及沟道性质，计算值精确度不高，容易对防护工程设计造成隐患。因此，在泥石流防治工程设计时，准确地测算泥石流最大冲起高度，进而合理地设计防治工程防护高度，是防治工程设计时需要考虑的关键因素之一。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种精确度更高的粘性泥石流最大冲起高度的测算方法及其应用。

为实现上述目的，本发明的粘性泥石流最大冲起高度的测算方法，以粘性泥石流在自然沟道中的泥位线作为基准线，在粘性泥石流遭遇障碍物过程中泥石流冲起泥位线上垂直基准线的最大距离即为粘性泥石流冲起高度最大值；所述的测算方法的步骤如下：

(一)通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定泥石流沟道平均纵比降J，泥石流流动方向同障碍物夹角θ；

(二)通过现场实际取样测量，确定泥石流容重γ_c，单位kN/m3；

(三)通过实际调查计算得出泥石流设计流量Q，单位为m3/s；

(四)通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η和泥石流屈服应力τ_B，粘滞系数η单位为Pa.s，屈服应力单位为Pa；

(五)采用试算法确定流深H，单位为m，具体步骤：首先，通过障碍物所在位置的地形图测量选取流深H的不同值，通过公式①确定不同流深H下的平均流速，单位为m/s，

$v=\frac{{\mathrm{\γ}}_c{H}^{2}J}{3\mathrm{\η}}\[1-\frac{3}{2}\frac{{\mathrm{\τ}}_B}{{\mathrm{\γ}}_{c}HJ}+\frac{1}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_B}{{\mathrm{\γ}}_{c}HJ}\right)}^2\]$ 公式①

然后，通过障碍物所在位置处进行实地野外测量，确定不同流深H值下的断面面积S，单位为m；通过公式②得到计算流量Qs，单位为m³/s，

Q_s＝v·s公式②

当计算流量Qs同设计流量Q相等时，即可得出流深H。

(六)通过以下公式③确定粘性泥石流最大冲起高度值h：

$h=\frac{{\mathrm{\γ}}_c^2{H}^4{J}^2}{8{\mathrm{\η}}^{2}g}{(1-\frac{{\mathrm{\τ}}_B}{{\mathrm{\γ}}_{c}HJ})}^4{\sin }^2\mathrm{\θ}$ 公式③

式中，h—粘性泥石流最大冲起高度值，单位为m；

γ_c—泥石流容重，单位为kN/m³，由步骤(二)确定；

H—泥石流流深，单位为m，由步骤(五)确定；

J—泥石流沟道平均纵比降，由步骤(一)确定；

η—粘滞系数，单位为Pa.s，由步骤(四)确定；

g—重力加速度，单位为m/s²；

τ_B—屈服应力，单位为Pa，由步骤(四)确定；

θ—泥石流流动方向同障碍物夹角，由步骤(一)确定。

具体的，所述g取9.8m/s²。

以上所述的粘性泥石流冲起高度的测算方法应用于粘性泥石流防治工程安全高度的确定。具体的，将泥石流冲起高度h加上泥石流流深H，再加上安全超高为拦挡结构设计安全高度。优化的，安全超高为0.5m～1m。安全超高具体值根据泥石流周边环境中防治工程保护物的重要程度确定。

本发明以上所述的粘性泥石流冲起高度的测算方法，基于能量法的推导原理如下：取粘性泥石流体整体进行能量法分析，则满足能量方程：

$\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2={\mathrm{mgh}}_0$ 公式④

式中：m—泥石流整体质量，单位为t；

v—泥石流平均流速，单位为m/s；

g—重力加速度，单位为m/s²；

h₀—粘性泥石流整体重心高度，单位为m。

将泥石流整体离散化，取泥石流体表面微元面，通过已有实验数据及泥石流运动现象可以推出表面流速最大，且泥石流在冲起过程中可概化表面微元面与表面微元面以下部分分离，则公式④可表示如下形式：

$\frac{1}{2}{{\mathrm{\Δmv}}_p}^2=\mathrm{\Δ}mgh$ 公式⑤

式中：Δm—泥石流表面微元体质量，单位为t；

v_p—泥石流表面流速，单位为m/s。

即可以通过泥石流表面流速v_p更准确的表示泥石流冲起高度：

$h=\frac{v_p^2}{2g}$ 公式⑥

式中：h—粘性泥石流冲起高度，单位为m。

对于粘性泥石流，采用宾汉体模型进行计算分析，将公式⑦的宾汉体表面流速v_p带入公式⑥中即可得粘性泥石流最大冲起高度，如公式⑧：

$v_p=\frac{{\mathrm{\γ}}_c{H}^{2}J}{2\mathrm{\η}}{(1-\frac{{\mathrm{\τ}}_B}{{\mathrm{\γ}}_{c}HJ})}^2$ 公式⑦

$h=\frac{{\mathrm{\γ}}_c^2{H}^4{J}^2}{8{\mathrm{\η}}^{2}g}{(1-\frac{{\mathrm{\τ}}_B}{{\mathrm{\γ}}_{c}HJ})}^4$ 公式⑧

式中：γ_c—泥石流体容重，单位为kN/m³；

H—泥石流流深，单位为m；

J—泥石流沟道平均比降；

η—粘滞系数，单位为Pa.s；

τ_B—屈服应力，单位为Pa。

考虑障碍物同泥石流运动方向夹角θ，对公式⑧进行修正的最大冲起高度计算公式为：

$h=\frac{{\mathrm{\γ}}_c^2{H}^4{J}^2}{8{\mathrm{\η}}^{2}g}{(1-\frac{{\mathrm{\τ}}_B}{{\mathrm{\γ}}_{c}HJ})}^4{\sin }^2\mathrm{\θ}$ 公式③

式中：θ—泥石流运动方向同沟道方向夹角。

通过以上原理推导，得到更加准确的粘性泥石流冲起高度的计算方法。通过泥石流沟调查资料、泥石流设计参数及泥石流特征参数测试手段确定粘性泥石流的重度γ_c，泥石流运动方向同沟道障碍物之间的夹角θ，泥石流沟道平均纵比降J，塑性粘度η，屈服应力τ_B以及原始沟道面上泥石流体的流深H；将这些参数带入公式③，即可测算出粘性泥石流最大冲起高度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)所述方法综合考虑沟床条件和泥石流自身特性，并结合防治工程自身特点，通过推导得到粘性泥石流最大冲起高度的计算公式，能合理确定不同情况下粘性泥石流在遭遇防治工程后产生的最大冲起高度值；(2)计算结果精度高，所述方法在粘性泥石流防治工程安全高度确定的应用，为泥石流灾害防治工程设计提供科学依据；(3)所述测算方法计算简便，适应工程需要。

附图说明

图1是泥石流在遇到障碍物阻挡后的流动示意图。

图中标号如下：

10——障碍物、20——沟道、H——泥石流流深、h——泥石流最大冲起高度、v_p——泥石流表面流速、V——泥石流平均流速、O——势能计算基准点、AB——天然沟道坡面线、AC——水平线、OP——计算基准线

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例，对本发明所述的测算方法及在在粘性泥石流防治工程安全高度确定的应用作进一步的描述。

如图1所示，沟道20的天然沟道坡面线为AB，水平线为AC。粘性泥石流流深为H，在沟道20中以平均流速V遇到障碍物10，其表面流速为V_p，以未遇到障碍物时的泥位线为基准线，即以图1中障碍物10上O点位置处的虚线OP为计算基准线，粘性泥石流遭遇障碍物10的冲起泥位线上垂直于基准线的最大距离即为泥石流最大冲起高度h。

实施例一

某泥石流沟是一条中型泥石流沟，流域海拔高度为1920m～3500m，流域面积12.2km²。该沟曾多次爆发泥石流，严重威胁当地人民生命财产安全。为了减轻泥石流灾害，拟在该泥石流运移区修建拦砂坝工程。下面对拦砂坝的泥石流冲起安全高度进行设计，步骤如下：

(一)通过大比例尺地形图测量计算，确定泥石流沟道平均纵比降J为0.10，泥石流运动方向同拦砂坝夹角θ为120°。

(二)通过实际取样测量，确定泥石流容重γ_c为22kN/m³。

(三)通过实际调查计算得出泥石流设计流量Q为200m³/s；

(四)通过对泥石流的流变实验，确定泥石流粘滞系数η为120Pa.s；确定泥石流屈服应力τ_B为480Pa。

(五)通过试算法确定流深H值，如取流深H为1.2m，通过公式①计算得到确定该流深H下的平均流速v＝6.43m/s；然后，通过障碍物所在位置处进行实地野外测量，确定该流深H值下的断面面积S＝31.1m²；通过公式②Q_s＝v·S得到计算流量Q_s为200m³/s，使得计算流量Q_s同设计流量Q相等，即可确定流深H为1.2m。

(六)通过公式③确定粘性泥石流最大冲起高度h：

将粘性泥石流最大冲起高度计算值应用于粘性泥石流拦挡结构安全高度的确定。泥石流冲起高度h加上泥石流流深H，再加上安全超高为拦挡结构设计安全高度。因此，本实施例中拦砂坝非溢流段高度值拟取1.2m+3m+1m＝5.2m，其中1.2m为泥石流流深，3m为粘性泥石流最大冲起高度，1m为安全超高值，可以保证拦砂坝非溢流段部分不会有泥石流冲过，保证坝肩及坝后边坡的安全。

实施例二

某泥石流沟是一条十分活跃的粘性泥石流沟。该沟流域面积为3.7km²，主沟长2.5km，流域最高点高程3061m，最低点高程2400m。该沟频繁暴发泥石流，给当地交通、工农业生产和村镇安全造成了严重威胁。为了减轻泥石流灾害，保障沟岸右侧村镇人民群众的生产生活，拟在该沟与主河交汇处修长为500m防护堤，防护堤为直线型，同泥石流沟口方向夹角θ为140°。对所述泥石流防护堤的泥石流冲起安全高度进行设计，步骤如下：

(一)通过大比例尺地形图测量计算，确定泥石流沟道平均纵比降J为0.06，泥石流运动方向同拦砂坝夹角θ为140°。

(二)通过实际取样测量，确定泥石流容重γ_c为21kN/m³。

(三)通过实际调查计算得出泥石流设计流量Q为60m³/s；

(四)通过对泥石流的流变实验，确定泥石流粘滞系数η为50.29Pa.s；确定泥石流屈服应力τ_B为245Pa。

(五)通过试算法确定流深H值，如取流深H为1m，通过公式①计算得到确定该流深H下的平均流速v＝5.95m/s；然后，通过障碍物所在位置处进行实地野外测量，确定该流深H值下的断面面积S＝10.08m²；通过公式②Q_s＝v·S得到计算流量Q_s为60m³/s，使得计算流量Q_s同设计流量Q相等，即可确定流深H为1.0m。

(六)通过公式③确定粘性泥石流最大冲起高度h：

拟取泥石流防护堤高度为1m+1.4m+0.5m，其中1m为泥石流流深，1.4m为粘性泥石流最大冲起高度，0.5m为泥石流安全超高，则可以保证防护堤后村镇居民生产生活安全。

实施例三

某泥石流沟流域面积为0.66km²，主沟长度2.20km。该沟具备泥石流暴发的地形、松散物质和水源条件，为一条灾害性的老泥石流沟，历史上曾多次发生泥石流，对沟口的道路、房屋等造成严重的危害。为了减轻泥石流灾害，拟在该泥石流堆积区修建排导槽工程。下面对排导槽弯道处考虑泥石流最大冲起高度的安全高度值进行设计，步骤如下：

(一)通过现场调查实测，确定泥石流排导槽平均纵比降J为0.08，弯道处泥石流运动方向同排导槽夹角θ为150°。

(二)通过实际取样实测，确定泥石流体重度γ_c为20kN/m³。

(三)通过实际调查计算得出泥石流设计流量Q为35m³/s；

(四)通过对泥石流的流变实验，确定泥石流粘滞系数η为30.40Pa.s；确定泥石流屈服应力τ_B为195Pa。

(五)通过试算法确定流深H值，如取流深H为0.8m，通过公式①计算得到确定该流深H下的平均流速v＝8.68m/s；然后，通过障碍物所在位置处进行实地野外测量，确定该流深H值下的断面面积S＝4.0m²；通过公式②Q_s＝v·S得到计算流量Q_s为35m³/s，使得计算流量Q_s同设计流量Q相等，即可确定流深H为0.8m。

(六)通过公式③确定粘性泥石流最大冲起高度h：

拟取泥石流排导槽弯道处高度为0.8m+1.9m+0.7m，其中0.8m为泥石流流深，1.9m为粘性泥石流最大冲起高度，0.7m为泥石流安全超高，则可以保证泥石流在弯道不会因冲起越过排导槽。

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。

Claims (5)

1.一种粘性泥石流最大冲起高度的测算方法，其特征在于：以粘性泥石流在自然沟道中的泥位线作为基准线，在粘性泥石流遭遇障碍物过程中泥石流冲起泥位线上垂直基准线的最大距离即为粘性泥石流冲起高度最大值；所述的粘性泥石流最大冲起高度的测算方法的步骤如下：

(一)通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定泥石流沟道平均纵比降J，泥石流流动方向同障碍物夹角θ；

(二)通过现场实际取样测量，确定泥石流容重γ_c，单位kN/m³；

(三)通过实际调查计算得出泥石流设计流量Q，单位为m³/s；

(四)通过对泥石流体的流变实验，确定泥石流粘滞系数η和泥石流屈服应力τ_B，粘滞系数η单位为Pa.s，屈服应力单位为Pa；

(五)采用试算法确定流深H，单位为m，具体步骤：首先，通过障碍物所在位置的地形图测量选取流深H的不同值，通过公式①确定不同流深H下的平均流速，单位为m/s，

$v=\frac{{\mathrm{\γ}}_c{H}^{2}J}{3\mathrm{\η}}\[1-\frac{3}{2}\frac{{\mathrm{\τ}}_B}{{\mathrm{\γ}}_{c}HJ}+\frac{1}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_B}{{\mathrm{\γ}}_{c}HJ}\right)}^3\]$ 公式①

然后，通过障碍物所在位置处进行实地野外测量，确定不同流深H值下的断面面积S，单位为m；通过以下公式②得到计算流量Q_s，单位为m³/s，

Qs＝v·S公式②

当计算流量Qs同设计流量Q相等时，即可得出流深H；

(六)通过公式③确定粘性泥石流最大冲起高度值h：

$h=\frac{{\mathrm{\γ}}_c^2{H}^4{J}^2}{8{\mathrm{\η}}^{2}g}{(1-\frac{{\mathrm{\τ}}_B}{{\mathrm{\γ}}_{c}HJ})}^4{\sin }^2\mathrm{\θ}$ 公式③

以上式中，h—粘性泥石流最大冲起高度值，单位为m；

γ_c—泥石流容重，单位为kN/m³，由步骤(二)确定；

H—泥石流流深，单位为m，由步骤(五)确定；

J—泥石流沟道平均纵比降，由步骤(一)确定；

η—粘滞系数，单位为Pa.s，由步骤(四)确定；

g—重力加速度，单位为m/s²；

τ_B—屈服应力，单位为Pa，由步骤(四)确定；

θ—泥石流流动方向同障碍物夹角，由步骤(一)确定。

2.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于：所述g取9.8m/s²。

3.根据权利要求1或2所述的粘性泥石流冲起高度的测算方法的应用，其特征在于：应用于粘性泥石流防治结构安全高度的确定。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：将泥石流冲起高度h加上泥石流流深H，再加上安全超高为防治结构设计安全高度。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述安全超高为0.5m～1m。