CN106250635A - 一种冰湖溃决型泥石流的防治方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰湖溃决型泥石流的防治方法及其应用。该方法结合流域的地形地貌特征参数、降雨特征参数、以及流域内物源特征参数和主河的输移能力等，确定溃决洪水泥石流的洪峰流量阈值；然后基于对冰碛坝体的现场调查、取样、室内测试获得的基本参数，判断每个计算区域内的冰碛坝体的稳定性并进行危险性分类；在此基础上确定冰碛坝体中桩柱结构体的体型参数及其分布方式。本发明针对冰碛坝内埋藏冰消融、冰滑坡和冰崩入湖导致的冰湖突然溃决易形成特大型泥石流灾害，能有效控制坝体下切速度，延长溃决洪水下泄时间，削弱溃决洪水峰值流量，减小和调控溃决洪水形成泥石流的规模，进而降低溃决洪水对冰湖下游地区造成危害的风险。

Description

一种冰湖溃决型泥石流的防治方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种冰湖溃决洪水过程的防灾减灾技术，特别是涉及一种冰湖溃决形成特大型泥石流的防治方法及其应用。

背景技术

中国的冰湖主要分布在喜马拉雅山和念青唐古拉山地区，该地区的平均海拔在5000m以上，是冰湖发育和受冰湖溃决洪水危害最为严重的地区。由于现代冰川的强烈活动，导致冰川末端的冰碛湖出口的坝体突然溃决，产生大规模的溃决洪水，强烈冲刷和搬运沿途沟床和两侧岸坡的松散堆积物质，使之逐渐形成冰湖溃决型泥石流。此类泥石流虽然分布不多，发生频率也较低，然而一旦发生则危害极大。但现有技术中并未有针对因冰碛坝体内埋藏冰的消融和管涌扩大、冰滑坡和冰崩入湖导致冰湖突然溃决而形成特大型泥石流的防治处理方法。

因此，针对全球气候变暖条件下冰碛坝内埋藏冰的消融导致冰碛坝下沉和管涌扩大，冰碛坝多年冻土退化为不稳定的松散冰碛物、抗侵蚀能力下降、易形成漫顶冲刷溃坝，以及冰滑坡和冰崩入湖导致的冰湖突然溃决等问题，结合冰湖溃决型泥石流突发性强、频度低、洪峰高、流量大、流量过程暴涨暴落、破坏力强和灾害波及范围广等特点，探索一种冰湖溃决特大型泥石流防治方法来保护冰湖下游地区的铁路、公路、水利设施、居民点和农田等，具有显著的现实意义和工程价值。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种针对冰碛坝内埋藏冰的消融、冰滑坡和冰崩入湖导致的冰湖溃决过程中洪峰流量大易形成特大型泥石流的情况，提供一种冰湖溃决洪水特大型泥石流的防治方法及应用，该方法能有效调节冰湖溃决洪水的下泄流量过程，延长溃决洪水下泄的时间过程，削弱溃决洪水的峰值流量，降低溃决洪水冲刷沟道或沟岸物源而形成泥石流的风险，减小和调控溃决洪水形成泥石流的活动规模，从而最大程度地减小对冰湖下游地区铁路、公路、水利设施、居民点和农田等的威胁和危害。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种冰湖溃决型泥石流的防治方法，从而实现对冰湖溃决洪水的有效调控，其具体步骤如下：

(一)从冰碛坝体上的溃决口段中心出发、向冰碛坝体左、右两岸进行计算区域划分，在沿冰碛坝体走向上将整个冰碛坝体划分为至少3个计算区域。计算区域的划分位置和数量根据实际情况而定。

(二)通过实际取样实测，确定溃决洪水形成泥石流的重度γ_c、溃决洪水的重度γ_w和溃决洪水形成泥石流的干重度γ_s，单位均为kN/m³；通过大比例尺地形图测量或现场调查实测、确定冰碛坝体溃决时的冰湖内水位高程，然后根据冰湖内水位高程和库容的关系曲线(采用地形等高线法可得，通过在该关系曲线上查找某一水位高程对应的库容即为该水位高程对应的冰湖内蓄水量)，确定冰碛坝体溃决时的冰湖内蓄水量W、单位m³；通过大比例尺地形图测量或现场调查实测，确定防护对象距冰碛坝体的距离L、单位m；根据肖克列奇经验公式，确定冰碛坝体位置的最大洪水流量Q_max、单位m³/s；根据前期河道水文观测资料，确定防护对象位置处河道洪水期断面最大平均流速V_max、单位m/s；将上述参量代入公式计算得到防护对象位置处形成的泥石流最大流量Q_LD、单位m³/s，式中K为经验系数、山区取值1.1-1.5、丘陵区取值1.0、平原区取值0.8-0.9。

(三)在保证冰碛坝体下游铁路、公路等重要设施安全运行的原则下，允许溃决洪水泥石流由桥下通过。根据冰碛坝体下游路桥(即铁路、公路桥涵)的设计防护标准，确定下游路桥(即铁路、公路桥涵)安全条件下允许通过的泥石流设计峰值流量Q_路桥、单位m³/s；根据冰碛坝体下游主河输移能力，确定可以向主河排泄泥石流的峰值流量Q_主河、单位m³/s；根据冰碛坝体下游重要设施的防护设计标准，确定下游重要设施安全条件下允许通过的泥石流设计峰值流量Q_设施、单位m³/s。

(四)将步骤(三)中得到的Q_路桥、Q_主河、Q_设施，和步骤(二)中得到的Q_LD进行比较，取其中最小值作为不同防洪设计标准安全要求条件下允许通过的溃决洪水泥石流洪峰流量阈值Q_阈值、单位m³/s。即Q_阈值＝min[Q_路桥,Q_主河,Q_设施,Q_LD]，超过Q_阈值的泥石流流量(Q_LD－Q_阈值)则通过工程措施调控溃决洪水的流量过程来实现。

(五)针对步骤(一)得到的每个计算区域，进行如下步骤(i)-(ii)：

i.通过现场调查，确定计算区域内的冰碛坝体高度H、单位m；通过现场取样和室内测试分析，确定计算区域内的冰碛坝体土体粘聚力c、单位kPa，冰碛坝体土体内摩擦角单位°，及冰碛坝体土体重度γ、单位kN/m³；通过现场调查实测、确定计算区域内的冰碛坝体坡角(即冰碛坝体下游坡面与水平面的夹角)，然后根据冰碛坝体坡角和得到的冰碛坝体土体内摩擦角查询均质边坡高度与坡角的关系曲线(采用圆弧法进行计算得到)，得到计算区域内的冰碛坝体高度系数H'(即在均质边坡高度与坡角的关系曲线上，通过冰碛坝体坡角点做垂线，相交于对应已知冰碛坝体土体内摩擦角的曲线，得到一交点，然后从交点做一水平线交于纵轴，从而得到冰碛坝体的高度系数H')；将上述参量代入公式计算得到计算区域内的冰碛坝体坡面稳定性系数F_s。F_s用来判断冰碛坝体的稳定性；F_s>1.0，冰碛坝体处于稳定状态；F_s≤1.0，冰碛坝体处于不稳定状态。

ii.冰碛坝体的颗粒组成特性主要影响坝体本身的抗侵蚀能力和溃决后的侵蚀速率，以及坝体上下游边坡的稳定性等。坝体组成中含有的粗大块石多则抗冲刷能力强，反之则抗冲刷能力弱。根据步骤(五)(a)中得到的F_s、步骤(四)中得到的Q_阈值和步骤(二)中得到的Q_LD，进行计算区域内的冰碛坝体危险性分类(0、Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类危险程度依次增加)；如果0.8≤F_s≤1.0、且则该计算区域内的冰碛坝体危险性为Ⅰ类；如果0.8≤F_s≤1.0、且 则该计算区域内的冰碛坝体危险性为Ⅰ类；如果0.6≤F_s＜0.8、且则该计算区域内的冰碛坝体危险性为Ⅱ类；如果0.6≤F_s＜0.8、且则该计算区域内的冰碛坝体危险性为Ⅱ类；如果F_s＜0.6、且则该计算区域内的冰碛坝体危险性为Ⅲ类；如果F_s＞1.0，则该计算区域内的冰碛坝体处于稳定状态，危险性为0。随着冰碛坝体坡面稳定性系数F_s的减小，冰碛坝体稳定性危险程度依次增加；随着的增加，冰碛坝体稳定性危险程度依次增加。

最终得到所有计算区域内的冰碛坝体危险性分类。

(六)在危险性为Ⅰ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设一行桩柱结构体，在危险性为Ⅱ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设两行桩柱结构体，在危险性为Ⅲ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设三行桩柱结构体；即在不同危险分区内的冰碛坝体坝顶轴线至坝体下游段内布设相应行数的桩柱结构体。在危险性为0的冰碛坝体下游不进行桩柱结构体的布设。

布设一行桩柱结构体时(即在危险性为Ⅰ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设桩柱结构体)，桩柱结构体距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体坝顶平均宽度B的0-0.2；布设两行桩柱结构体时(即在危险性为Ⅱ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设桩柱结构体)，第一行桩柱结构体距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体坝顶平均宽度B的0-0.2，第二行桩柱结构体距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体坝顶平均宽度B的0.4-0.6；布设三行桩柱结构体时(即在危险性为Ⅲ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设桩柱结构体)，第一行桩柱结构体距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体坝顶平均宽度B的0-0.2，第二行桩柱结构体距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体坝顶平均宽度B的0.4-0.6，第三行桩柱结构体距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体坝顶平均宽度B的0.8-1.0。

桩柱结构体间距过大使桩间土体易受洪水冲刷，间距过小又使工程投资增加、造成浪费；同一行桩柱结构体之间的间距b一般为溃决口段长度L₁的0.1-0.4。桩柱结构体为直径0.5-2.0m的圆柱体结构，高度为冰碛坝体平均高度的0.5-0.7。桩柱结构体采用混凝土或钢筋混凝土结构，混凝土一般为C20或C25，钢筋混凝土桩柱结构体的配筋率一般为0.5％-1.5％。

所述桩柱结构体根据下游防护对象的设计标准要求布置在冰碛坝体的不同危险分区内，充分利用桩柱结构体与冰碛坝体物质的相互作用，防止冰碛坝体受到溃决洪水的冲刷快速下切产生大规模的溃决洪水而形成特大型泥石流灾害，从而能够有效的保护冰湖下游区域沟道两岸的重要工程设施。本发明的冰湖溃决型泥石流防治方法适用于高海拔地区冰湖溃决形成的特大型低频率泥石流的防治。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：充分利用桩柱结构体和冰碛坝体的相互作用，通过提高坝体的抗冲刷能力来调控溃决洪水的流量下泄过程，延长溃决洪水下泄的时间过程，达到安全排泄冰湖溃决洪水、削弱泥石流的形成条件，减小泥石流暴发规模，降低冰湖溃决洪水形成泥石流给下游带来的风险。能够有效地调控冰湖溃决洪水的下泄流量过程，控制坝体的快速下切，延长溃决洪水下泄的时间，削弱溃决洪水的峰值流量，减小和控制溃决洪水泥石流的活动规模，从而最大程度地减小由于坝体快速下切产生超过下游防护标准的溃决洪水，进而降低冰湖下游地区铁路、公路、水利设施、居民点和农田等遭受溃决洪水泥石流危害的风险。

附图说明

图1是实施例一中冰碛坝体处置方法的主视示意图。

图2是实施例一中冰碛坝体处置方法的俯视示意图。

图3是实施例二中冰碛坝体处置方法的主视示意图。

图4是实施例二中冰碛坝体处置方法的俯视示意图。

图5是实施例三中冰碛坝体处置方法的主视示意图。

图6是实施例三中冰碛坝体处置方法的俯视示意图。

图中标号如下：

1 冰碛坝体 2 桩柱结构体

H 冰碛坝体高度 B 冰碛坝体坝顶平均宽度

b 同一行桩柱结构体之间的间距

L₁ 溃决口段长度

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

如图1、图2所示。位于海拔4500m山区的某流域面积30km²，上游有冰碛湖，其汇水面积为约20km²，通过现场调查发现冰碛坝体1平均高度42m，坝顶轴线长度80m，冰碛坝体1坝顶平均宽度B为15m，溃决口段长度L₁为20m，在冰湖蓄满水的情况下库容约为300×10⁴m³。为最大程度地减小对冰湖下游地区铁路、公路、水利设施、居民点和农田等的威胁和危害，采用本发明的冰湖溃决型泥石流防治方法，具体步骤如下：

第一步，从冰碛坝体1上的溃决口段中心出发、向冰碛坝体1两岸进行计算区域划分，将整个冰碛坝体1划分为3个计算区域：溃决口段区域、溃决口左岸区域、溃决口右岸区域。

第二步，通过实际取样实测，确定溃决洪水形成泥石流的重度γ_c为17.64kN/m³，溃决洪水的重度γ_w为9.8kN/m³，溃决洪水形成泥石流的干重度γ_s为25.48kN/m³；通过大比例尺地形图测量、确定冰碛坝体1溃决时的冰湖内水位高程为4660m，然后根据冰湖内水位高程和库容的关系曲线，确定冰碛坝体1溃决时的冰湖内蓄水量W为180×10⁴m³；通过大比例尺地形图测量，确定防护对象距冰碛坝体1的距离L为4100m；根据肖克列奇经验公式，确定冰碛坝体1位置的最大洪水流量Q_max为293m³/s；根据前期河道水文观测资料，确定防护对象位置处河道洪水期断面最大平均流速V_max为2.1m/s；K为经验系数，取值1.3；将上述参量代入公式

$Q_{LD}=(1+\frac{{\mathrm{\γ}}_c-{\mathrm{\γ}}_w}{{\mathrm{\γ}}_s-{\mathrm{\γ}}_c})\frac{W}{\frac{W}{Q_{max}}+\frac{L}{V_{max}K}}=(1+\frac{17.64-9.8}{25.48-9.8})\frac{1800000}{\frac{1800000}{293}+\frac{4100}{2.1\×1.3}}=353,$

计算得到防护对象位置处形成的泥石流最大流量Q_LD为353m³/s。

第三步，根据冰碛坝体1下游路桥的设计防护标准，确定下游路桥安全条件下允许通过的设计流量Q_路桥为330m³/s；根据冰碛坝体1下游主河输移能力，确定可以向主河排泄泥石流的峰值流量Q_主河为320m³/s；根据冰碛坝体1下游重要设施的防护设计标准，确定下游重要设施安全条件下允许通过的设计流量Q_设施为310m³/s。

第四步，将第三步中得到的Q_路桥、Q_主河、Q_设施，和第二步中得到的Q_LD进行比较，取其中最小值作为溃决洪水泥石流洪峰阈值Q_阈值，即Q_阈值为310m³/s。

第五步，针对第一步得到的每个计算区域，进行如下步骤(i)-(ii)：

i.通过现场调查，确定计算区域内的冰碛坝体1高度H、单位m；通过现场取样和室内测试分析，确定计算区域内的冰碛坝体1土体粘聚力c、单位kPa，冰碛坝体1土体内摩擦角单位°，及冰碛坝体1土体重度γ、单位kN/m³；通过现场调查实测、确定计算区域内的冰碛坝体1坡角，然后根据冰碛坝体1坡角和得到的冰碛坝体1土体内摩擦角查询均质边坡高度与坡角的关系曲线，得到计算区域内的冰碛坝体1高度系数H'；将上述参量代入公式计算得到计算区域内的冰碛坝体1坡面稳定性系数F_s。每个计算区域的相应参量取值及计算结果见下表1。

表1 每个计算区域的相应参量取值及计算结果

ii.根据第五步(a)中得到的F_s、第四步中得到的Q_阈值和第二步中得到的Q_LD，进行计算区域内的冰碛坝体1危险性分类。如果0.8≤F_s≤1.0，同时或则该计算区域内的冰碛坝体1危险性为Ⅰ类；如果0.6≤F_s＜0.8，同时 或则该计算区域内的冰碛坝体1危险性为Ⅱ类；如果F_s＜0.6、且则该计算区域内的冰碛坝体1危险性为Ⅲ类。

最终得到所有计算区域内的冰碛坝体1危险性分类：在划分的三个计算区域中F_s值均大于0.8同时小于1.0，且小于0.15，因此划分的三个计算区域内的冰碛坝体1危险性分类均为Ⅰ类。

第六步，拟采用以下工程措施进行处置：在危险性为Ⅰ类的冰碛坝体1坝顶轴线下游布设一行桩柱结构体2。桩柱结构体2距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体1坝顶平均宽度B的0.2、即3m；同一行桩柱结构体2之间的间距b为溃决口段长度L₁的0.4、即8m；桩柱结构体2为直径2.0m的圆柱体结构，高度为冰碛坝体1平均高度的0.5、即21m；桩柱结构体2采用钢筋混凝土结构，配筋率为1.5％。

通过采用桩柱结构体2来提高冰碛坝体1的抗冲刷能力，能够将溃决洪水下泄时间从20分钟延长到45分钟。采取该措施后，坝址最大流量减小为230m³/s，溃决洪水到达防护对象位置的洪水流量为193m³/s，形成泥石流的流量为289m³/s。此时泥石流的峰值流量小于满足不同防洪设计标准安全要求的条件下允许通过的溃决洪水泥石流的洪峰流量阈值Q_阈值＝310m³/s，能够满足不同防护对象的设防标准要求：下游路桥安全条件下允许通过的设计流量Q_路桥＝330m³/s，可以向主河排泄泥石流的峰值流量Q_主河＝320m³/s，以及下游重要设施安全条件下允许通过的设计流量Q_设施＝310m³/s。

实施例二

如图3、图4所示。位于海拔4000m山区的某流域面积70km²，上游有冰碛湖，其汇水面积为约30km²，通过现场调查发现冰碛坝体1平均高度60m，坝顶轴线长度150m，冰碛坝体1坝顶平均宽度B为12m，溃决口段长度L₁为40m，在冰湖蓄满水的情况下库容约为600×10⁴m³。为最大程度地减小对冰湖下游地区铁路、公路、水利设施、居民点和农田等的威胁和危害，采用本发明的冰湖溃决型泥石流防治方法，具体步骤如下：

第一步，从冰碛坝体1上的溃决口段中心出发、向冰碛坝体1两岸进行计算区域划分，将整个冰碛坝体1划分为3个计算区域：溃决口段区域、溃决口左岸区域、溃决口右岸区域。

第二步，通过实际取样实测，确定溃决洪水形成泥石流的重度γ_c为14.70kN/m³，溃决洪水的重度γ_w为9.8kN/m³，溃决洪水形成泥石流的干重度γ_s为24.50kN/m³；通过现场调查实测、确定冰碛坝体1溃决时的冰湖内水位高程为4827m，然后根据冰湖内水位高程和库容的关系曲线，确定冰碛坝体1溃决时的冰湖内蓄水量W为420×10⁴m³；通过现场调查实测，确定防护对象距冰碛坝体1的距离L为5000m；根据肖克列奇经验公式，确定冰碛坝体1位置的最大洪水流量Q_max为759m³/s；根据前期河道水文观测资料，确定防护对象位置处河道洪水期断面最大平均流速V_max为2.5m/s；K为经验系数，取值1.3；将上述参量代入公式

$Q_{LD}=(1+\frac{{\mathrm{\γ}}_c-{\mathrm{\γ}}_w}{{\mathrm{\γ}}_s-{\mathrm{\γ}}_c})\frac{W}{\frac{W}{Q_{max}}+\frac{L}{V_{max}K}}=(1+\frac{14.70-9.8}{24.50-9.8})\frac{4200000}{\frac{4200000}{759}+\frac{5000}{2.5\×1.3}}=891,$

计算得到防护对象位置处形成的泥石流最大流量Q_LD为891m³/s。

第三步，根据冰碛坝体1下游路桥的设计防护标准，确定下游路桥安全条件下允许通过的设计流量Q_路桥为730m³/s；根据冰碛坝体1下游主河输移能力，确定可以向主河排泄泥石流的峰值流量Q_主河为750m³/s；根据冰碛坝体1下游重要设施的防护设计标准，确定下游重要设施安全条件下允许通过的设计流量Q_设施为710m³/s。

第四步，将第三步中得到的Q_路桥、Q_主河、Q_设施，和第二步中得到的Q_LD进行比较，取其中最小值作为溃决洪水泥石流洪峰阈值Q_阈值，即Q_阈值为710m³/s。

第五步，针对第一步得到的每个计算区域，进行如下步骤(i)-(ii)：

i.通过现场调查，确定计算区域内的冰碛坝体1高度H、单位m；通过现场取样和室内测试分析，确定计算区域内的冰碛坝体1土体粘聚力c、单位kPa，冰碛坝体1土体内摩擦角单位°，及冰碛坝体1土体重度γ、单位kN/m³；通过现场调查实测、确定计算区域内的冰碛坝体1坡角，然后根据冰碛坝体1坡角和得到的冰碛坝体1土体内摩擦角查询均质边坡高度与坡角的关系曲线，得到计算区域内的冰碛坝体1高度系数H'；将上述参量代入公式计算得到计算区域内的冰碛坝体1坡面稳定性系数F_s。每个计算区域的相应参量取值及计算结果见下表2。

表2 每个计算区域的相应参量取值及计算结果

ii.根据第五步(a)中得到的F_s、第四步中得到的Q_阈值和第二步中得到的Q_LD，进行计算区域内的冰碛坝体1危险性分类。如果0.8≤F_s≤1.0，同时或则该计算区域内的冰碛坝体1危险性为Ⅰ类；如果0.6≤F_s＜0.8，同时 或则该计算区域内的冰碛坝体1危险性为Ⅱ类；如果F_s＜0.6、且则该计算区域内的冰碛坝体1危险性为Ⅲ类。

最终得到所有计算区域内的冰碛坝体1危险性分类：在划分的三个计算区域中，溃决口段区域F_s值大于0.6同时小于0.8，且满足大于0.15同时小于0.30，因此溃决口段区域的冰碛坝体1危险性分类为Ⅱ类；溃决口左岸区域和溃决口右岸区域的F_s值均大于0.8同时小于1.0，且满足小于0.15，因此溃决口左岸区域和溃决口右岸区域的冰碛坝体1危险性分类均为Ⅰ类。

第六步，拟采用以下工程措施进行处置：在危险性为Ⅰ类的冰碛坝体1坝顶轴线下游布设一行桩柱结构体2，其距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体1坝顶平均宽度B的0.17、即2m；在危险性为Ⅱ类的冰碛坝体1坝顶轴线下游布设两行桩柱结构体2，第一行桩柱结构体2距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体1坝顶平均宽度B的0.17、即2m，第二行桩柱结构体2距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体1坝顶平均宽度B的0.58、即7m。同一行桩柱结构体2之间的间距b为溃决口段长度L₁的0.4、即16m；桩柱结构体2为直径0.5m的圆柱体结构，高度为冰碛坝体1平均高度的0.5、即30m；桩柱结构体2采用钢筋混凝土结构，配筋率为0.5％。

通过采用桩柱结构体2来提高冰碛坝体1的抗冲刷能力，能够将溃决洪水下泄时间从20分钟延长到50分钟。采取该措施后，坝址最大流量减小为560m³/s，溃决洪水到达防护对象位置的洪水流量为465m³/s，形成泥石流的流量为697m³/s。此时泥石流的峰值流量小于满足不同防洪设计标准安全要求的条件下允许通过的溃决洪水泥石流的洪峰流量阈值Q_阈值＝710m³/s，能够满足不同防护对象的设防标准要求：下游路桥安全条件下允许通过的设计流量Q_路桥＝730m³/s，可以向主河排泄泥石流的峰值流量Q_主河＝750m³/s，以及下游重要设施安全条件下允许通过的设计流量Q_设施＝710m³/s。

实施例三

如图5、图6所示。位于海拔5000m山区的某流域面积120km²，上游有冰碛湖，其汇水面积为约70km²，通过现场调查发现冰碛坝体1平均高度100m，坝顶轴线长度260m，冰碛坝体1坝顶平均宽度B为20m，溃决口段长度L₁为80m，在冰湖蓄满水的情况下库容约为1100×10⁴m³。为最大程度地减小对冰湖下游地区铁路、公路、水利设施、居民点和农田等的威胁和危害，采用本发明的冰湖溃决型泥石流防治方法，具体步骤如下：

第一步，从冰碛坝体1上的溃决口段中心出发、向冰碛坝体1两岸进行计算区域划分，将整个冰碛坝体1划分为5个计算区域：溃决口段区域、溃决口左岸区域M1、溃决口左岸区域M2、溃决口右岸区域N1、溃决口右岸区域N2。

第二步，通过实际取样实测，确定溃决洪水形成泥石流的重度γ_c为17.64kN/m³，溃决洪水的重度γ_w为9.8kN/m³，溃决洪水形成泥石流的干重度γ_s为25.48kN/m³；通过大比例尺地形图测量、确定冰碛坝体1溃决时的冰湖内水位高程为5896m，然后根据冰湖内水位高程和库容的关系曲线，确定冰碛坝体1溃决时的冰湖内蓄水量W为540×10⁴m³；通过大比例尺地形图测量，确定防护对象距冰碛坝体1的距离L为8000m；根据肖克列奇经验公式，确定冰碛坝体1位置的最大洪水流量Q_max为1846m³/s；根据前期河道水文观测资料，确定防护对象位置处河道洪水期断面最大平均流速V_max为3.0m/s；K为经验系数，取值1.3；将上述参量代入公式

$Q_{LD}=(1+\frac{{\mathrm{\γ}}_c-{\mathrm{\γ}}_w}{{\mathrm{\γ}}_s-{\mathrm{\γ}}_c})\frac{W}{\frac{W}{Q_{max}}+\frac{L}{V_{\max }K}}=(1+\frac{17.64-9.8}{25.48-9.8})\frac{5400000}{\frac{5400000}{1846}+\frac{8000}{3.0\×1.3}}=1628,$

计算得到防护对象位置处形成的泥石流最大流量Q_LD为1628m³/s。

第三步，根据冰碛坝体1下游路桥的设计防护标准，确定下游路桥安全条件下允许通过的设计流量Q_路桥为1260m³/s；根据冰碛坝体1下游主河输移能力，确定可以向主河排泄泥石流的峰值流量Q_主河为1300m³/s；根据冰碛坝体1下游重要设施的防护设计标准，确定下游重要设施安全条件下允许通过的设计流量Q_设施为1200m³/s。

第四步，将第三步中得到的Q_路桥、Q_主河、Q_设施，和第二步中得到的Q_LD进行比较，取其中最小值作为溃决洪水泥石流洪峰阈值Q_阈值，即Q_阈值为1200m³/s。

第五步，针对第一步得到的每个计算区域，进行如下步骤(i)-(ii)：

i.通过现场调查，确定计算区域内的冰碛坝体1高度H、单位m；通过现场取样和室内测试分析，确定计算区域内的冰碛坝体1土体粘聚力c、单位kPa，冰碛坝体1土体内摩擦角单位°，及冰碛坝体1土体重度γ、单位kN/m³；通过现场调查实测、确定计算区域内的冰碛坝体1坡角，然后根据冰碛坝体1坡角和得到的冰碛坝体1土体内摩擦角查询均质边坡高度与坡角的关系曲线，得到计算区域内的冰碛坝体1高度系数H'；将上述参量代入公式计算得到计算区域内的冰碛坝体1坡面稳定性系数F_s。每个计算区域的相应参量取值及计算结果见下表3。

表3 每个计算区域的相应参量取值及计算结果

ii.根据第五步(a)中得到的F_s、第四步中得到的Q_阈值和第二步中得到的Q_LD，进行计算区域内的冰碛坝体1危险性分类。如果0.8≤F_s≤1.0，同时或则该计算区域内的冰碛坝体1危险性为Ⅰ类；如果0.6≤F_s＜0.8，同时 或则该计算区域内的冰碛坝体1危险性为Ⅱ类；如果F_s＜0.6、且则该计算区域内的冰碛坝体1危险性为Ⅲ类。

最终得到所有计算区域内的冰碛坝体1危险性分类：在划分的5个计算区域中，溃决口段区域F_s值小于0.6，且满足大于0.30，因此溃决口段区域的冰碛坝体1危险性分类为Ⅲ类；溃决口左岸区域M1和溃决口右岸区域N1的F_s值均大于0.6同时小于0.8，且满足大于0.15同时小于0.30，因此溃决口左岸区域M1和溃决口右岸区域N1的冰碛坝体1危险性分类为Ⅱ类；溃决口左岸区域M2和溃决口右岸区域N2的F_s值均大于0.8同时小于1.0，且满足小于0.15，因此溃决口左岸区域M2和溃决口右岸区域N2的冰碛坝体1危险性分类均为Ⅰ类。

第六步，拟采用以下工程措施进行处置：在危险性为Ⅰ类的冰碛坝体1坝顶轴线下游布设一行桩柱结构体2，其距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体1坝顶平均宽度B的0.2、即4m；在危险性为Ⅱ类的冰碛坝体1坝顶轴线下游布设两行桩柱结构体2，第一行桩柱结构体2距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体1坝顶平均宽度B的0.2、即4m，第二行桩柱结构体2距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体1坝顶平均宽度B的0.6、即12m；在危险性为Ⅲ类的冰碛坝体1坝顶轴线下游布设三行桩柱结构体2，第一行桩柱结构体2距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体1坝顶平均宽度B的0.2、即4m，第二行桩柱结构体2距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体1坝顶平均宽度B的0.6、即12m，第三行桩柱结构体2距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体1坝顶平均宽度B的1.0、即20m。同一行桩柱结构体2之间的间距b为溃决口段长度L₁的0.1、即8m；桩柱结构体2为直径2.0m的圆柱体结构，高度为冰碛坝体1平均高度的0.7、即70m；桩柱结构体2采用钢筋混凝土结构，配筋率为1.5％。

通过采用桩柱结构体2来提高冰碛坝体1的抗冲刷能力，能够将溃决洪水下泄时间从30分钟延长到60分钟。采取该措施后，坝址最大流量减小为1130m³/s，溃决洪水到达防护对象位置的洪水流量为791m³/s，形成泥石流的流量为1186m³/s。此时泥石流的峰值流量小于满足不同防洪设计标准安全要求的条件下允许通过的溃决洪水泥石流的洪峰流量阈值Q_阈值＝1200m³/s，能够满足不同防护对象的设防标准要求：下游路桥安全条件下允许通过的设计流量Q_路桥＝1260m³/s，可以向主河排泄泥石流的峰值流量Q_主河＝1300m³/s，以及下游重要设施安全条件下允许通过的设计流量Q_设施＝1200m³/s。

Claims (7)

1.一种冰湖溃决型泥石流的防治方法，其特征在于：所述冰湖溃决型泥石流的防治方法步骤如下：

(一)从冰碛坝体(1)上的溃决口段中心出发、向冰碛坝体(1)两岸进行计算区域划分，将整个冰碛坝体(1)划分为至少3个计算区域；

(二)通过实际取样实测，确定溃决洪水形成泥石流的重度γ_c、溃决洪水的重度γ_w和溃决洪水形成泥石流的干重度γ_s，单位均为kN/m³；通过大比例尺地形图测量或现场调查实测、确定冰碛坝体(1)溃决时的冰湖内水位高程，然后根据冰湖内水位高程和库容的关系曲线，确定冰碛坝体(1)溃决时的冰湖内蓄水量W、单位m³；通过大比例尺地形图测量或现场调查实测，确定防护对象距冰碛坝体(1)的距离L、单位m；根据肖克列奇经验公式，确定冰碛坝体(1)位置的最大洪水流量Q_max、单位m³/s；根据前期河道水文观测资料，确定防护对象位置处河道洪水期断面最大平均流速V_max、单位m/s；将上述参量代入公式计算得到防护对象位置处形成的泥石流最大流量Q_LD、单位m³/s，式中K为经验系数、山区取值1.1-1.5、丘陵区取值1.0、平原区取值0.8-0.9；

(三)根据冰碛坝体(1)下游路桥的设计防护标准，确定下游路桥安全条件下允许通过的设计流量Q_路桥、单位m³/s；根据冰碛坝体(1)下游主河输移能力，确定可以向主河排泄泥石流的峰值流量Q_主河、单位m³/s；根据冰碛坝体(1)下游重要设施的防护设计标准，确定下游重要设施安全条件下允许通过的设计流量Q_设施、单位m³/s；

(四)将步骤(三)中得到的Q_路桥、Q_主河、Q_设施，和步骤(二)中得到的Q_LD进行比较，取其中最小值作为溃决洪水泥石流洪峰阈值Q_阈值、单位m³/s；

(五)针对步骤(一)得到的每个计算区域，进行如下步骤(i)-(ii)：

i.通过现场调查，确定计算区域内的冰碛坝体(1)高度H、单位m；通过现场取样和室内测试分析，确定计算区域内的冰碛坝体(1)土体粘聚力c、单位kPa，冰碛坝体(1)土体内摩擦角单位°，及冰碛坝体(1)土体重度γ、单位kN/m³；通过现场调查实测、确定计算区域内的冰碛坝体(1)坡角，然后根据冰碛坝体(1)坡角和得到的冰碛坝体(1)土体内摩擦角查询均质边坡高度与坡角的关系曲线，得到计算区域内的冰碛坝体(1)高度系数H'；将上述参量代入公式计算得到计算区域内的冰碛坝体(1)坡面稳定性系数F_s；

ii.根据步骤(五)(a)中得到的F_s、步骤(四)中得到的Q_阈值和步骤(二)中得到的Q_LD，进行计算区域内的冰碛坝体(1)危险性分类；如果0.8≤F_s≤1.0，同时或则该计算区域内的冰碛坝体(1)危险性为Ⅰ类；如果0.6≤F_s＜0.8，同时或则该计算区域内的冰碛坝体(1)危险性为Ⅱ类；如果F_s＜0.6、且则该计算区域内的冰碛坝体(1)危险性为Ⅲ类；

最终得到所有计算区域内的冰碛坝体(1)危险性分类；

(六)在危险性为Ⅰ类的冰碛坝体(1)坝顶轴线下游布设一行桩柱结构体(2)，在危险性为Ⅱ类的冰碛坝体(1)坝顶轴线下游布设两行桩柱结构体(2)，在危险性为Ⅲ类的冰碛坝体(1)坝顶轴线下游布设三行桩柱结构体(2)。

2.根据权利要求1所述冰湖溃决型泥石流的防治方法，其特征在于：布设一行桩柱结构体(2)时，桩柱结构体(2)距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体(1)坝顶平均宽度B的0-0.2；布设两行桩柱结构体(2)时，第一行桩柱结构体(2)距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体(1)坝顶平均宽度B的0-0.2，第二行桩柱结构体(2)距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体(1)坝顶平均宽度B的0.4-0.6；布设三行桩柱结构体(2)时，第一行桩柱结构体(2)距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体(1)坝顶平均宽度B的0-0.2，第二行桩柱结构体(2)距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体(1)坝顶平均宽度B的0.4-0.6，第三行桩柱结构体(2)距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体(1)坝顶平均宽度B的0.8-1.0。

3.根据权利要求1所述冰湖溃决型泥石流的防治方法，其特征在于：同一行桩柱结构体(2)之间的间距b为溃决口段长度L₁的0.1-0.4。

4.根据权利要求1-3任一所述冰湖溃决型泥石流的防治方法，其特征在于：桩柱结构体(2)为直径0.5-2.0m的圆柱体结构，高度为冰碛坝体(1)平均高度的0.5-0.7。

5.根据权利要求1-3任一所述冰湖溃决型泥石流的防治方法，其特征在于：桩柱结构体(2)采用混凝土或钢筋混凝土。

6.根据权利要求5所述冰湖溃决型泥石流的防治方法，其特征在于：钢筋混凝土桩柱结构体(2)的配筋率为0.5％-1.5％。

7.如权利要求1所述冰湖溃决型泥石流的防治方法的应用，其特征在于：适用于高海拔地区冰湖溃决形成的特大型低频率泥石流的防治。