CN106223259A - 沟道泥石流模拟实验系统及确定沟道泥石流起动流量阈值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种沟道泥石流模拟实验系统及确定沟道泥石流起动流量阈值的方法，实验系统包括水泵、出水管、水槽、废料收集池和液压升降机构。确定沟道泥石流起动流量阈值的方法包括：(1)测量实际沟道的各个参数；(2)选取泥沙材料；(3)将泥沙用水饱和后铺在水槽内；(4)控制水槽与实际沟道沟床坡度一致；(5)向水槽内通入水，使泥沙材料起动，并流入废料收集池内；(6)测量冲出的泥流的密度，获得泥石流起动时的水流深度；(7)按公式：Q_m＝v_mh_mb_m计算模型实验的泥石流起动流量；(8)按公式：计算得到沟道的泥石流起动流量阈值。本发明实现了沟道泥石流起动流量阈值的计算，其计算结果非常接近真实数据，很适合推广应用。

Description

沟道泥石流模拟实验系统及确定沟道泥石流起动流量阈值的 方法

技术领域

本发明涉及自然科学技术领域，具体涉及的是一种沟道泥石流模拟实验系统及确定沟道泥石流起动流量阈值的方法。

背景技术

泥石流作为一种灾变性事件，是影响山区经济发展和人民生命财产安全的重大自然灾害，它严重威胁到国民经济发展和社会的可持续发展。泥石流预警作为一项重要的减灾手段，受到减灾科技工作者和政府相关管理部门的广泛关注，其中，泥石流起动时沟道内所需要的水流量或流量阈值一直是决定泥石流预警准确性的关键参数。目前国内外关于沟道泥石流的起动流量阈值的确定方法，都限于经验公式和建立在大量简化和假设基础上的理论公式。然而，由于目前对泥石流的起动机制尚未完全明白，所以现有计算理论和方法一直不能可靠地计算或确定出泥石流起动时的流量阈值。

经验公式计算泥石流的起动流量阈值方法：维诺格拉多夫，美国地质调查局的学者，Tongnacca和Berti等人都通过大量现场调查和测量获得第一手数据，建立了如公式(1)所示的沟床堆积物的起动流量计算的经验公式，其中q为泥石流起动时沟道内的水流量；θ为沟床坡度；d_m为沟床上松散堆积物的平均粒径。然后类似的经验公式参数较为单一，且存在经验系数，其可靠性往往无法保证，因为经验公式是根据一定数量的统计数据回归取得，当地质环境、地形特征和水文环境发生变化时，经验公式的适用性就无法保证。

$q=4\frac{d_m^{1.5}}{{\left(tan\mathrm{\θ}\right)}^{1.17}}---\left(1\right)$

理论公式泥石流的起动流量阈值方法：根据人为假定的边界条件，以及简化的泥石流堆积物的特征，Takahashi提出了泥石流的起动时的水流深度计算公式，如公式(2)所示，其中，h₀—泥石流启动时沟道内的水深(mm)；C_*—堆积体的体积浓度；ρ_s—砂砾密度；ρ_w—水密度；—内摩擦角；θ—沟床坡度；d_m—砂砾平均粒径(mm)。此模型虽然已经被日本泥石流防治规范采用，但仍需配合q^*≥2(q^*为无量纲的单位宽度径流量)或者h/d_m≥1(d_m为平均粒径)来使用，且只能适用于沟床坡度大于15°的情况。

由上不难看出，目前的泥石流起动流量阈值计算方法，无论是经验公式还是简化的理论公式，都受到了各种条件的限制，导致计算结果的可靠性无法保证，不能满足减灾预警的要求。因此需要更可靠地方法来计算泥石流起动流量阈值，为泥石流预测预报和监测预警提供理论和方法上的支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沟道泥石流模拟实验系统及确定沟道泥石流起动流量阈值的方法，主要解决现有技术难以准确确定沟道泥石流起动流量阈值的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

沟道泥石流模拟实验系统，包括水泵，一端与水泵泵出口连接、用于实现出水的出水管，一端与出水管另一端对应、并装有泥沙材料的水槽，设置在该水槽另一端下方的废料收集池，以及与水草底部连接、用于调整水槽坡度的液压升降机构。

进一步地，所述出水管另一端与水草之间还设有用于调整水流流速的可升降集水槽。

再进一步地，所述水槽靠近出水口的一端内还设有用于保证水槽内的泥沙材料表面水流稳定的缓冲平台。

更进一步地，所述水槽靠近废料收集池的一端内还设有用于防止泥沙材料因重力作用而发生自由滑动的阻滑挡板。

基于上述系统，本发明还提供了利用该实验系统确定泥石流启动流量阈值的方法，包括以下步骤：

(1)测量实际沟道的宽度、沟床坡度、堆积物厚度、堆积物颗粒粒径、堆积物密度；

(2)根据堆积物颗粒粒径和堆积物密度，设计与实际沟道中堆积物物理力学参数一致的泥沙材料；

(3)将泥沙材料用水饱和后铺在水槽内；要求水槽内泥沙达到饱和状态，且泥沙堆积物上表面平整、均匀；

(4)利用液压升降机构调整水槽的坡度，使其与实际沟道沟床坡度一致；

(5)开启水泵，令水流按设计好的流速持续、稳定地流入水槽内，使水槽内的泥沙材料在水流的冲刷下起动，并流入水槽下面的废料收集池内；

(6)在废料收集池内对冲出的泥流进行密度测量，如果密度达到泥石流的密度，则认为泥石流已经启动，然后执行步骤(7)；否则，循环步骤(5)、(6)，改变水流流速；

(7)按照公式：Q_m＝v_mh_mb_m计算模型实验的泥石流起动流量，式中，v_m为水槽内的水流流速，h_m为泥石流起动时水槽内的临界水流深度，b_m为水槽的宽度；

石流起动流量阈值，其中，

本发明的设计原理在于，实际泥石流发生时主要由四个方面的情况决定：沟槽几何尺寸﹑沟道内堆积物物理参数和应力状态，以及沟道内的水流速度。而实际的泥石流沟道的宽度以及沟道内的堆积物厚度﹑颗粒大小等指标都非常大，目前很难或无法直接利用泥石流沟道及堆积物的原始尺寸进行泥石流起动过程的模拟，因此，本发明按照相似理论建立实际沟道与实验室内模型在几何尺寸﹑物理参数(密度)﹑应力状态和水流速度等方面的相似关系。

下面将进行以上四个方面的相似比系数的推导。

①首先定义四个相似比如下：C_L为几何相似比，C_τ为应力相似比，C_ρ为密度相似比，C_v为速度相似比。

$C_L=\frac{b_0}{b_m}=\frac{{h_0}^{\′}}{{h_m}^{\′}}=\frac{d_0}{d_m}---\left(1\right)$

$C_{\mathrm{\τ}}=\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{{\mathrm{\τ}}_m}---\left(2\right)$

$C_{\mathrm{\γ}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{{\mathrm{\ρ}}_m}---\left(3\right)$

$C_v=\frac{v_0}{v_m}---\left(4\right)$

其中，b₀—原始宽度，h₀′—堆积物厚度，ρ₀—堆积物密度，h₀—水流深度，d₀—颗粒粒径，v₀—水流流速，τ₀—沟道内堆积物的应力状态；b_m—模拟宽度，h_m′—模拟堆积物厚度，ρ_m—模拟堆积物密度，h_m—模拟水流深度，d_m—模拟颗粒粒径，v_m—模拟水流流速，τ_m—模拟沟道内堆积物的应力状态。

②根据Buckham定理推导相似比。

相关变量有h′，h，τ，ρ，v，b和d，共七个不相关参数，这七个参数是泛指沟道的参数，因此没用下标区分原始沟道和模型实验实验沟道。这七个参数跟三个基本量纲，L(长度)，M(质量)，t(时间)的关系如下：h′∝L，h∝L，τ∝ML^-1t^-2，ρ_s∝M·L^-3，v∝Lt^-1，d∝L，b∝L。

则根据Buckham定理有，

${\mathrm{\π}}_1=\frac{h^{\′}}{h}=\frac{L}{L}=1---\left(5\right)$

${\mathrm{\π}}_2=\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ρ}\·v^2}=\frac{{\mathrm{ML}}^{-1}{t}^{-2}}{{\mathrm{ML}}^{-3}\·{\left({\mathrm{Lt}}^{-1}\right)}^2}=1---\left(6\right)$

${\mathrm{\π}}_3=\frac{d}{b}=\frac{L}{L}=1---\left(7\right)$

π₁，π₃表达式说明几何相似得到满足，由π₂表达式说明应力﹑密度﹑速度相似应满足的关系。

由π₂以及式(2)到式(4)可推导出，

$\frac{C_{\mathrm{\τ}}}{C_{\mathrm{\ρ}}\·C_v^2}=1---\left(8\right)$

此外，根据基本物理公式，作用在沟道底面的应力满足如下公式：

τ＝ρg(h+h₀) (9)

从而结合式(1)到式(3)推导出，

C_τ＝C_ρC_L (10)

因为实际模型实验这几种很难保证材料密度的相似，所以通常情况下都取密度相似C_ρ＝1，从而有式(8)和(10)得到本方法的应力相似比、几何相似比和速度相似比的关系相似关系

$C_v=\sqrt{C_{\mathrm{\τ}}}=\sqrt{C_L}---\left(11\right)$

③由于已经选定密度相似比C_ρ＝1，根据式(11)就可以进一步选定和确定几何相似比C_L，应力相似比C_τ和为速度相似比C_v，进而可以推导出而由于原始沟道与模型实验沟道(水槽)宽度的几何比例为n，因而按照可得到C_L＝n，进而上述公式就可以转换为因此，在获得模型实验泥石流起动流量后，就可以计算出原始沟道泥石流起动流量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于相似理论的思想和原则，通过严谨的推导和分析，得出了实际沟道泥石流起动流量与模型实验泥石流起动流量之间的计算公式然后以此设计出了模型实验系统，在实验系统模拟泥石流起动的过程中，通过测量实验的泥沙材料(即沟道堆积物)的密度，确定泥石流起动时的水流深度，最终依靠原始沟道泥石流起动流量与模型实验泥石流起动流量之间的关系，便可确定实际沟道的泥石流起动流量阈值。可以说，本发明各个设计环节环环相扣、相辅相成、紧密联系，其利用模拟实验结合公式计算的方式，为沟道泥石流启动流量阈值的确定提供了非常高的参考价值，使泥石流预测预报和监测预警具有了理论和方法上的支撑，进而很好地满足了泥石流减灾预警的需要。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-水泵，2-出水管，3-可升降集水槽，4-缓冲平台，5-水槽，6-阻流挡板，7-废料收集池，8-液压升降机构。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

本发明提供了一种可以确定沟道泥石流起动流量的系统，如图1所示，该系统包括水泵1、出水管2、水槽5、废料收集池7和液压升降机构8。所述水泵1泵出口与出水管2连接，出水管2的出水口对应水槽5的一端，用于将水泵1泵出的水流入水槽5内，所述的废料收集池7则位于水槽5的另一端。所述液压升降机构8设置在水槽5的底部，用于调整水槽5的坡度，水槽5内装有泥沙材料，水流进入后将使泥沙材料浸水饱和，并在自身重力和坡度作用下起动，往废料收集池7的方向流动。

为满足水流流速的调节，确保泥沙材料能够正常起动，本发明在出水管与水槽之间还设有可升降集水槽3，出水管2流出的水，可在可升降集水槽3内集满到一定程度后，通过升降的方式，令水流按照设计的流速冲入水槽5内。

本发明是以模拟实验的方式模拟沟道泥石流的起动，并确定其起动流量的阈值，其实验过程如下：

首先，测量某条沟道的宽度、沟床坡度、堆积物厚度、堆积物颗粒粒径、堆积物密度等参数(可使用电子秤、铁筛、工兵铲等工具对随机野外某一沟道横截面一定深度的堆积物取样和测量)。然后，根据堆积物颗粒粒径和堆积物密度，设计与实际沟道中堆积物物理力学参数一致的泥沙材料。

而后，将泥沙材料用水饱和后铺在水槽内；要求水槽内泥沙达到饱和状态，且泥沙堆积物上表面平整、均匀。再然后，利用液压升降机构调整水槽的坡度，使其与实际沟道沟床坡度一致。

准备好上述工作后，开始进行泥石流起动模拟实验，实验目的在于获取泥石流起动时的临界水深h_m，具体做法如下：

(1)开启水泵，令水流按设计好的流速持续、稳定地流入水槽，使水槽内的泥沙材料(模拟沟道的堆积物)在水流的冲刷下起动，并流入水槽下面的废料收集池内。在实验的过程中，利用摄像机对水流冲刷的过程及水流深度进行抓拍，记录实验过程，摄像机镜头要求与待观察截面顶面高度一致，且镜头要垂直拍摄，避免仰视或者俯视；摄像机可选用高速摄像机，然后再于水槽的两侧和正面分别布置一台普通摄像机，这些设备可以配合照明装置进行使用，全方位记录实验的各个细节；

(2)在废料收集池内对冲出的泥流进行密度测量，如果密度达到泥石流的密度，则认为泥石流已经启动。

知晓泥石流已经起动后，按照公式：Q_m＝v_mh_mb_m计算模型实验的泥石流起动流量，式中，v_m为水槽内的水流流速，h_m为泥石流起动时水槽内的临界水流深度，b_m为水槽的宽度，三个参数均为已知参数。最后，按照公式：即可计算得到原始沟道的泥石流起动流量阈值。

此外，在上述实验的过程中，为保证水槽内的泥沙材料表面水流的稳定，在水槽靠近出水口的一端内还设有缓冲平台4，而为了防止泥沙材料不因浸水饱和而导致其在重力作用下发生自由滑动，在水槽靠近废料收集池的一端内还设有阻滑挡板6，如图1所示。

申请人已采取保密的方式，将本发明用于确定四川省成都市都江堰地区的一条泥石流沟(王家沟)的泥石流启动流量阈值，下表为实际泥石流发生时的流量、理论计算流量和本发明确定的流量值对比。

(1)王家沟泥石流现场勘查基本参数如下：

沟道宽(m)	25	沟床坡度(°)	6°
				堆积物厚度(m)	5	砂砾密度(g/cm3)	2.5208
砂砾平均粒径(mm)	81.795	沟道水流速(m/s)	3

(2)通过相似比确定模型试验参数

C_ρ＝1

$C_v=\sqrt{C_{\mathrm{\τ}}}=\sqrt{C_L}=\sqrt{45}$

模型实验参数如下：

沟道宽(m)	0.56	沟床坡度(°)	6°
				堆积物厚度(m)	0.11	砂砾密度(g/cm3)	2.5208
砂砾平均粒径(mm)	1.82	沟道水流速(m/s)	0.45

(3)本发明所述的实验流程开展室内模型实验确定的泥石流启动时的临界水深。

	实际值(mm)	理论计算值(mm)	本发明确定值(mm)
				王家沟	110	90	115

从上可以看出，由于本发明确定的泥石流起动临界水深与实际水深数值差距小，因而通过本发明确定的泥石流起动流量阈值明显更接近实际发生的沟道泥石流起动流量阈值。

本发明为沟道泥石流起动流量阈值的确定提供了一种全新的方案，与现有理论公式和经验公式不同，本发明引入了相似理论的思想，排除了地质环境、地形特征和水文环境的影响，然后根据泥石流起动机制模拟出了泥石流生成实验，并根据实验结果进行记录和计算，从而获得了真实度非常高的计算结果。本发明构思上非常严谨、合理，所测得的数据与实际值之间的误差也非常小，可以说，本发明很好地突破了现有技术的限制，实现了重大的创新，符合了科技发展的潮流。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步，其非常适合在泥石流预警方面大规模推广应用。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.沟道泥石流模拟实验系统，其特征在于，包括水泵(1)，一端与水泵泵出口连接、用于实现出水的出水管(2)，一端与出水管(2)另一端对应、并装有泥沙材料的水槽(5)，设置在该水槽(5)另一端下方的废料收集池(7)，以及与水草(5)底部连接、用于调整水槽坡度的液压升降机构(8)。

2.根据权利要求1所述的沟道泥石流模拟实验系统，其特征在于，所述出水管(2)另一端与水草(5)之间还设有用于调整水流流速的可升降集水槽(3)。

3.根据权利要求1或2所述的沟道泥石流模拟实验系统，其特征在于，所述水槽(5)靠近出水口的一端内还设有用于保证水槽内的泥沙材料表面水流稳定的缓冲平台(4)。

4.根据权利要求3所述的沟道泥石流模拟实验系统，其特征在于，所述水槽(5)靠近废料收集池(7)的一端内还设有用于防止泥沙材料因重力作用而发生自由滑动的阻滑挡板(6)。

5.利用权利要求1～4任一项所述的实验系统确定沟道泥石流起动流量阈值的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量实际沟道的宽度、沟床坡度、堆积物厚度、堆积物颗粒粒径、堆积物密度；

(2)根据堆积物颗粒粒径和堆积物密度，设计与实际沟道中堆积物物理力学参数一致的泥沙材料；

(3)将泥沙材料用水饱和后铺在水槽内；要求水槽内泥沙达到饱和状态，且泥沙堆积物上表面平整、均匀；

(4)利用液压升降机构调整水槽的坡度，使其与实际沟道沟床坡度一致；

(5)开启水泵，令水流按设计好的流速持续、稳定地流入水槽内，使水槽内的泥沙材料在水流的冲刷下起动，并流入水槽下面的废料收集池内；

(6)在废料收集池内对冲出的泥流进行密度测量，如果密度达到泥石流的密度，则认为泥石流已经启动，然后执行步骤(7)；否则，循环步骤(5)、(6)，改变水流流速；

(7)按照公式：Q_m＝v_mh_mb_m计算模型实验的泥石流起动流量，式中，v_m为水槽内的水流流速，h_m为泥石流起动时水槽内的临界水流深度，b_m为水槽的宽度；

(8)按照公式：计算得到实际沟道的泥石流起动流量阈值，其中，