CN106202770A - 一种泥石流拦砂坝后回淤坡度的计算方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泥石流拦砂坝后回淤坡度的计算方法及应用，属于泥石流防治工程技术领域，包括以下步骤：确定泥石流的屈服应力τ，泥石流容重ρ，泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 ，通过泥石流的屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 确定无量纲化的屈服应力 *；建立回淤坡度计算模型，将无量纲化的屈服应力 *代入回淤坡度计算模型式2中，确定坡度因子S，将坡度因子S代入式3确定泥石流在拦砂坝后的回淤坡度α。本发明通过量纲分析，确定影响回淤坡度的重要影响因素，得出精确的回淤坡度计算模型，能够给拦砂坝提供重要的数据参考，提高了泥石流防治效果。
Description
技术领域
本发明涉及到泥石流防治工程技术领域，尤其涉及一种泥石流拦砂坝后回淤坡度的计算方法及应用。
背景技术
泥石流是指在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，因为暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带有大量泥沙以及石块的洪流。它的面积、体积和流量都较大，而滑坡是经稀释土质山体小面积的区域，典型的泥石流由悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘土的粘稠泥浆组成。在适当的地形条件下，大量的水体浸透流水山坡或沟床中的固体堆积物质，使其稳定性降低，饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动，就形成了泥石流。泥石流是一种灾害性的地质现象。通常泥石流爆发突然、来势凶猛，可携带巨大的石块。因其高速前进，具有强大的能量，因而破坏性极大。
我国是一个山区面积占总国土面积达70%的多山国家，泥石流沟分布广泛，并且灾害严重。泥石流防治工程作为泥石流防灾减灾的主要措施之一，特别是对城镇、交通干线等重要地点的保护尤为重要。拦砂坝是建在泥石流形成区-流通区内的一种横断沟床的人工建筑物，是防治泥石流最具重要性和有效性的工程建筑物之一。因其可拦蓄山洪或泥石流中的泥沙(包括块石)，抬高坝址处的侵蚀基准，减缓坝上游沟床坡降和减少崩塌滑坡等特点，被广泛应用于泥石流防治工程。
拦砂坝的一个重要参数就是库容，泥石流回淤坡度是拦砂坝设计的一项很重要的参数，直接影响拦截库容和工程效益。
目前，国内外学者对泥石流在拦砂坝后的研究主要集中于室内模型实验研究，没有深入研究其内在机理（人民长江，2013，09:63-66；）粗略地研究了粘性泥石流的回淤坡度与底坡和坝高的关系，忽略了屈服应力对于回淤坡度影响最重要的因素，存在重大缺陷，并且未给出具体的计算式。（岩石力学与工程学报，2011，11: 2338-2345；防灾减灾工程学报，2005，9；258-264)研究成果很难用于其他区域，但大多集中于定性研究和描述单一因素的影响，很少有定量的计算方法，基本没有考虑无量纲，因此均不能应用于野外实际工程。
公开号为CN 103276687A，公开日为2013年09月04日的中国专利文献公开了一种拦砂坝后泥石流回淤形态测算方法，其特征在于：所述拦砂坝后泥石流回淤形态测算方法的步骤如下：A、通过现场调查测量，确定土体体积比CV；通过室内土工实验，确定泥石流体中土粒密度ρs，单位g/cm3；通过室内土工实验，确定密度参数ρy，单位g/cm3；通过土工三轴实验，确定泥石流体中松散土的内摩擦角φs，单位度；通过室内颗分实验，确定泥石流体中粒径≤0.05mm的粘土和粉土颗粒所占的重量百分比Pc；确定泥石流体内摩擦角单位度；B、通过大比例尺地形图测量计算，确定泥石流沟的沟道坡度θ，单位度；C、确定拦砂坝后泥石流回淤形态。
该专利文献公开的拦砂坝后泥石流回淤形态测算方法，没有考虑到泥石流的屈服应力和容重对回淤坡度的影响，致使整个回淤形态测算准确度低，不适用于野外大尺度的实际计算，不能给拦砂坝提供重要数据参考，进而导致泥石流防治效果较差。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种泥石流拦砂坝后回淤坡度的计算方法及应用，本发明通过室内试验获得相关数据并进行量纲分析处理，确定影响回淤坡度的重要影响因素，得出精确的回淤坡度计算模型，适用于野外大尺度的实际计算，能够给拦砂坝提供重要的数据参考，极大的提高了泥石流防治效果。
本发明通过下述技术方案实现：
一种泥石流拦砂坝后回淤坡度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、通过现场调查确定泥石流的屈服应力τ，单位pa，泥石流容重p，单位kg/m3，泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 ，单位m；
b、将泥石流的屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 代入式1，确定无量纲化的屈服应力 *；
（式1）
式1中，g为重力加速度，g=9.8m/s2；
c、建立回淤坡度计算模型，将步骤b得到的无量纲化的屈服应力 *代入回淤坡度计算模型式2中，确定坡度因子S，单位度；
（式2）
d、将坡度因子S代入式3确定泥石流在拦砂坝后的回淤坡度α，单位度；
（式3）。
本发明，适用于计算稀性泥石流和粘性泥石流在拦砂坝后的回淤坡度。
本发明，适用于计算拦砂坝库容。
本发明的原理：
泥石流在拦砂坝后的淤积坡度决定了拦砂坝的拦砂效果。当泥石流回淤坡度较小时，泥石流在拦砂坝后的淤积表面平缓，表面到达原来的沟床底部位于很近的位置，回淤的距离短，拦截泥沙量小，拦截效益低。
相反地，当泥石流回淤坡度较大时，泥石流在拦砂坝后的淤积表面较陡，表面到达原来的沟床底部位于较远的位置，回淤的距离长，拦截泥沙量大，拦截效益高。
无量纲化的屈服应力是拦砂坝后回淤坡度的一个重大影响因素。
泥石流的屈服应力越大，代表泥石流的粘性越强，泥石流的淤积厚度越大，在拦砂坝后的淤积厚度越大，相对于拦砂坝的高度不变，在坝后的泥石流淤积厚度越大，泥石流表面到坝顶位置的坡度越大，泥石流在坝后的回淤坡度越大。
泥石流中的粗颗粒越大，在拦挡坝中的沉降越快，拦挡坝中的泥石流表面的粗颗粒越少，泥石流容重越来越小，泥石流的屈服应力越来越小，回淤坡度越小。
重力加速度是一个常数；泥石流的容重的变化幅度范围较小，一般地，容重越大，泥石流的屈服应力也越大，泥石流回淤坡度越大。但屈服应力增长的幅度远大于容重的增长幅度。
无量纲化的屈服应力，反映了泥石流的特征与泥石流在拦砂坝后的回淤坡度关系：无量纲化的屈服应力越大，泥石流在拦砂坝后的回淤坡度也越大。式2反映了泥石流的特征与拦砂坝后的回淤坡度关系。
最后，通过式3，可以计算出泥石流在拦砂坝后的回淤坡度。
本发明公式使用的参数均经过无量纲处理，可以较好的避免因为单位数量级差距带来的误差，可以较好的适用于野外情况。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
一、本发明，a、通过调查确定泥石流的屈服应力τ，泥石流容重p，泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 ，b、通过泥石流的屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 确定无量纲化的屈服应力 *；c、建立回淤坡度计算模型，将步骤b得到的无量纲化的屈服应力 *代入回淤坡度计算模型式2中，确定坡度因子S，单位度；d、将坡度因子S代入式3确定泥石流在拦砂坝后的回淤坡度α，单位度；a-d步骤构成一个完整的技术方案，针对泥石流在拦砂坝后的回淤坡度，通过室内试验获得相关数据进行研究，并且进行量纲分析处理，排除影响回淤坡度极小的因素：坝高与底坡坡度；确定重要影响因素：泥石流的屈服应力τ，泥石流容重p和D90，拟合出精确的计算式，开创性的建立了泥石流在拦砂坝后的回淤坡度计算模型，对于稀性泥石流和粘性泥石流均有较强的适用性；对于泥石流在拦砂坝后的回淤坡度的计算考虑了量纲和谐这一基本原理，因此计算方法适用于野外大尺度的实际计算，能够给拦砂坝提供重要的数据参考，极大的提高了泥石流防治效果。
二、本发明，适用于计算稀性泥石流和粘性泥石流在拦砂坝后的回淤坡度，通过回淤坡度计算模型计算得到的回淤坡度，准确度高，能够给拦砂坝提供重要的数据参考，从而能够有效提高泥石流防治效果。
三、本发明，可以根据泥石流在拦砂坝后的回淤坡度，计算出泥石流的回淤长度，进而计算出拦砂坝库容，本发明可以为拦砂坝的效益计算提供依据，为拦砂坝设计提供依据：准确地计算泥石流回淤坡度及长度，可以准确地计算出拦砂坝的库容量，避免浪费库容或库容不足引起的泥石流防治工程失效，极大的提高了泥石流防治效果。
具体实施方式
实施例1
一种泥石流拦砂坝后回淤坡度的计算方法，包括以下步骤：
a、通过现场调查确定泥石流的屈服应力τ，单位pa，泥石流容重p，单位kg/m3，泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 ，单位m；
b、将泥石流的屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 代入式1，确定无量纲化的屈服应力 *；
（式1）
式1中，g为重力加速度，g=9.8m/s2；
c、建立回淤坡度计算模型，将步骤b得到的无量纲化的屈服应力 *代入回淤坡度计算模型式2中，确定坡度因子S，单位度；
（式2）
d、将坡度因子S代入式3确定泥石流在拦砂坝后的回淤坡度α，单位度；
（式3）。
针对泥石流在拦砂坝后的回淤坡度，通过室内试验获得相关数据进行研究，并且进行量纲分析处理，排除影响回淤坡度极小的因素：坝高与底坡坡度；确定重要影响因素：泥石流的屈服应力τ，泥石流容重ρ和D 90 ，拟合出精确的计算式，开创性的建立了泥石流在拦砂坝后的回淤坡度计算模型，对于稀性泥石流和粘性泥石流均有较强的适用性；对于泥石流在拦砂坝后的回淤坡度的计算考虑了量纲和谐这一基本原理，因此计算方法适用于野外大尺度的实际计算，能够给拦砂坝提供重要的数据参考，极大的提高了泥石流防治效果。
实施例2
一种泥石流拦砂坝后回淤坡度的计算方法，包括以下步骤：
a、通过现场调查确定泥石流的屈服应力τ，单位pa，泥石流容重p，单位kg/m3，泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 ，单位m；
b、将泥石流的屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 代入式1，确定无量纲化的屈服应力 *；
（式1）
式1中，g为重力加速度，g=9.8m/s2；
c、建立回淤坡度计算模型，将步骤b得到的无量纲化的屈服应力 *代入回淤坡度计算模型式2中，确定坡度因子S，单位度；
（式2）
d、将坡度因子S代入式3确定泥石流在拦砂坝后的回淤坡度α，单位度；
（式3）。
本发明，适用于计算稀性泥石流和粘性泥石流在拦砂坝后的回淤坡度。
通过回淤坡度计算模型计算得到的回淤坡度，准确度高，能够给拦砂坝提供重要的数据参考，从而能够有效提高泥石流防治效果。
实施例3
一种泥石流拦砂坝后回淤坡度的计算方法，包括以下步骤：
a、通过现场调查确定泥石流的屈服应力τ，单位pa，泥石流容重p，单位kg/m3，泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 ，单位m；
b、将泥石流的屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 代入式1，确定无量纲化的屈服应力 *；
（式1）
式1中，g为重力加速度，g=9.8m/s2；
c、建立回淤坡度计算模型，将步骤b得到的无量纲化的屈服应力 *代入回淤坡度计算模型式2中，确定坡度因子S，单位度；
（式2）
d、将坡度因子S代入式3确定泥石流在拦砂坝后的回淤坡度α，单位度；
（式3）。
本发明，适用于计算拦砂坝库容。
可以根据泥石流在拦砂坝后的回淤坡度，计算出泥石流的回淤长度，进而计算出拦砂坝库容，本发明可以为拦砂坝的效益计算提供依据，为拦砂坝设计提供依据：准确地计算泥石流回淤坡度及长度，可以准确地计算出拦砂坝的库容量，避免浪费库容或库容不足引起的泥石流防治工程失效，极大的提高了泥石流防治效果。
采用本发明回淤坡度计算方法对雅安市石棉县草科乡阴山沟进行分析：
雅安市石棉县草科乡阴山沟，沟口坐标为102°04′19.02″E，29°22′38.47″N，流域面积0.64 km2，沟长为1.6 km，沟床纵比降为670‰。该地区年平均降雨量为1200.9 mm，在有较大降雨时可能发生泥石流灾害。阴山沟于2008年7月爆发泥石流，之后进行灾害治理，修建了拦砂坝；2012年7月14日，在连续强降雨作用下，阴山沟再次爆发泥石流，故选用此次进行举例说明。通过现场调查，测出此次泥石流容重ρ为2.1 kg/m3，泥石流的屈服应力τ为5000pa，泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 为0.2 m；通过式1可计算出无量纲化的屈服应力 *=1.21，再通过式2可计算出坡度因子S=0.080。
而野外实际调查阴山沟拦砂坝S=0.087，计算准确度为92%，证明采用本方法计算精确度极高。
采用本发明回淤坡度计算方法对云南东川大桥河浑2好拦砂坝进行分析：
云南东川大桥河泥石流治理工程在1975年完成，在最上游的拦砂坝浑2号坝的回淤坡度在5.8%-6.9%之间（泥石流防治指南，科学出版社，1991）。1977年8月1日在大桥河支沟浑水沟发生泥石流，泥石流容重ρ为2.17 kg/m3，泥石流的屈服应力τ为7000 pa，泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 为0.5 m（云南小江泥石流综合考察与防治规划研究，科学技术出版社重庆分社，1987）；通过式1计算无量纲化的屈服应力 *=0.66，再通过式2可计算出坡度因子S=0.066。
大桥河浑2号拦砂坝后回淤坡度在5.8%-6.9%之间，计算的回淤坡度为6.6%，证明采用本方法计算泥石流拦砂坝后回淤坡度，精确度很高。
本发明对于泥石流在拦砂坝后的回淤坡度的计算考虑了量纲和谐这一基本原理，因此计算方法适用于野外大尺度的实际计算，能够给拦砂坝提供重要的数据参考，极大的提高了泥石流防治效果。
Claims (3)
1.一种泥石流拦砂坝后回淤坡度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、通过现场调查确定泥石流的屈服应力τ，单位pa，泥石流容重p，单位kg/m3，泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 ，单位m；
b、将泥石流的屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径D 90 代入式1，确定无量纲化的屈服应力 *；
（式1）
式1中，g为重力加速度，g=9.8m/s2；
c、建立回淤坡度计算模型，将步骤b得到的无量纲化的屈服应力 *代入回淤坡度计算模型式2中，确定坡度因子S，单位度；
（式2）
d、将坡度因子S代入式3确定泥石流在拦砂坝后的回淤坡度α，单位度；
（式3）。
2.根据权利要求1所述的一种泥石流拦砂坝后回淤坡度的计算方法的应用，其特征在于：适用于计算稀性泥石流和粘性泥石流在拦砂坝后的回淤坡度。
3.根据权利要求1所述的一种泥石流拦砂坝后回淤坡度的计算方法的应用，其特征在于：适用于计算拦砂坝库容。
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