CN107169229B - 一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法，属于泥石流防治工程技术领域，包括以下步骤：a、计算支沟与主河的单宽流量比ε；b、计算体积因子y_t；c、计算泥石流屈服应力因子x以及屈服应力；d、计算入汇角因子

Description

一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法

技术领域

本发明涉及到泥石流防治工程技术领域，尤其涉及一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法。

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，具有流速快，流量大的特点，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。发生泥石流常常会冲毁公路铁路等交通设施甚至村镇等，因此，泥石流的防治显得尤为重要。

目前国内外对泥石流堵江的计算研究，主要有三种方法：

1、以室内水槽试验模拟为主，主要是模拟在不同交汇角的条件下，主支沟的交汇及河床响应过程，选择不同的评价指标，例如：流量比、容重、规模等，分析得出泥石流的堵河判别式。此类方法得到的式往往由于野外数据尺度远大于室内试验数据，在量纲不和谐的情况下实际计算存在较大的误差。

2、基于统计学的相关性分析，该方法主要以文献查阅、实地调查得到各泥石流沟的基本数据和堵河特征资料，对堵河型泥石流基本特征进行分析总结，得出计算泥石流堵断主河的定性或动量的经验式。此类方法得到的式往往只适用于部分区域，缺乏普适性。

3、该方法主要为建立起泥石流沉积及泥石流与主河水流相互作用动力学方程组，以动量与动能平衡为主要切入点，分析得到其各自的理论解，理论分析了泥石流堵断主河的条件。这类方法虽然切入点较前沿，但尚不成熟，不能广泛应用于实际生产。

且以上三种方法得到的式往往针对山洪泥石流同时发生的情况，但是在主河流域面积较大，洪水历时较长，洪水未至爆发泥石流的这种特殊情况下并不适用。

公开号为CN 105527405A，公开日为2016年04月27日的中国专利文献公开了一种泥石流汇江物理模拟试验装置,其特征在于，包括第一泥石流支沟沟槽、第二泥石流支沟沟槽、泥石流主沟形成区沟槽、泥石流主沟流通区沟槽、泥石流主沟堆积区沟槽、宽度可变河流主河道槽、三角堰、蓄水池、模拟降雨装置、数据采集装置和移动支撑装置，所述第一泥石流支沟沟槽、所述第二泥石流支沟沟槽、所述泥石流主沟形成区沟槽和所述泥石流主沟流通区沟槽均倾斜设置，所述第一泥石流支沟沟槽的水平低端、第二泥石流支沟沟槽的水平低端、所述泥石流主沟形成区沟槽的水平低端和所述泥石流主沟流通区沟槽的水平高端通过可活动橡胶带固定连接，所述第一泥石流支沟沟槽和所述第二泥石流支沟沟槽分别设置在所述泥石流主沟形成区沟槽的两侧，所述第一泥石流支沟沟槽、所述第二泥石流支沟沟槽、所述泥石流主沟形成区沟槽和所述泥石流主沟流通区沟槽的上方均设有所述模拟降雨装置，所述宽度可变河流主河道槽和所述蓄水池均设在所述移动支撑装置上，所述蓄水池的出水口通过可活动橡胶带与所述宽度可变河流主河道槽的一端连接，所述蓄水池的出水口上设有阀门，所述宽度可变河流主河道槽的另一端与所述三角堰的一端连接，所述泥石流主沟流通区沟槽的水平低端通过所述泥石流主沟堆积区沟槽与所述宽度可变河流主河道槽的侧面连通，所述数据采集装置设在所述移动支撑装置的周围。

该专利文献公开的泥石流汇江物理模拟试验装置,虽然能模拟泥石流暴发及汇江过程，研究不同固体物源、坡面角度、江水流速、泥石流堆积区与江河河道交汇角等因素对泥石流汇江的影响，但是，由于野外数据尺度远大于室内试验数据，在量纲不和谐的情况下实际计算存在较大的误差，影响泥石流堵江判断的准确性，不利于提高泥石流防治效果。

公开号为CN 106683019A，公开日为2017年05月17日的中国专利文献公开了一种泥石流堵江计算方法及其应用，属于泥石流防治工程技术领域，包括以下步骤：测得支沟与主河的交汇角θ；测量主河与支沟交汇处主河的平均宽度B₁，主河流量Qm，确定主河单宽流量Q₁；测量主河与支沟交汇处支沟的平均宽度B₂，泥石流流量Q，确定支沟单宽流量Q₂，确定支沟与主河的单宽流量比ε，测量主河与支沟交汇处主河的水深h，确定体积因子y_t，测量泥石流屈服应力τ₁，泥石流密度ρ，确定泥石流屈服应力因子x；根据判断因子y值判断泥石流是否会造成堵江。

该专利文献公开的泥石流堵江计算方法及其应用，具有量纲和谐、计算结果准确度高的特点，能够对泥石流堵江进行准确判断；但是，其泥石流堵江计算方法有限定条件，即必须与主河正交、流量比较大才行，其普适性还是较差。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法，本发明结合室内试验和野外数据分析，充分考虑了泥石流屈服应力和单宽流量比，将泥石流堵江的影响因素进行无量纲化，能适应野外复杂多变的灾害情况，计算结果准确，普适性高，能够为泥石流堵江防治提供科学指导。

本发明通过下述技术方案实现：

一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、根据式1计算支沟与主河的单宽流量比ε；

其中，Q₁为主河单宽流量，单位m²/s，Q_Z为主河流量，单位m³/s，根据调查，结合国家相关规范以及设计任务获得Q_Z，B₁为主河与支沟交汇处主河的平均宽度，单位m，实地测量获得B₁；Q₂为支沟单宽流量，单位m²/s，Q_n为泥石流流量，单位m³/s，根据调查，结合国家相关规范以及设计任务获得Q_n，B₂为主河与支沟交汇处支沟的平均宽度，

单位m，实地测量获得B₂；

b、根据式2计算体积因子y_t；

其中，y_t为体积因子；V为泥石流冲入河道总量，单位m³，根据实际调查结合相关规范计算获得；B₁为主河与支沟交汇处主河的平均宽度，单位m；h为主河与支沟交汇处主河的水深，单位m，实地调查获得；

c、根据式3计算泥石流屈服应力因子x以及屈服应力；

其中，x为屈服应力因子；ρ为泥石流密度，单位kg/m³；g为重力加速度，取值9.8m/s²；τ₁为泥石流屈服应力，单位pa，屈服应力根据实地调查计算获得；

d、根据式4计算入汇角因子

其中，为入汇角因子；θ为支流与主流的交汇角，单位度，实地调查或通过卫星影像图获得；

e、通过式5判断堵江发生概率，当y＜0.16时，不会发生堵江；当0.16≤y＜0.3时，有可能发生局部堵江；当0.3≤y＜0.46时，有可能发生大部堵江；当y≥0.46时，有可能发生全堵；

所述步骤e中，局部堵江是指流体入河后出露部分的长度与交汇处河宽的比值为30％-69％时。

所述步骤e中，大部堵江是指流体入河后出露部分的长度与交汇处河宽的比值为70％-99％时。

所述步骤e中，全堵是指流体入河后出露部分的长度与交汇处河宽的比值为100％时，且造成断流两分钟以上。

本发明的有益效果主要表现在：

本发明，“a、根据式1计算支沟与主河的单宽流量比ε；b、根据式2计算体积因子y_t；c、根据式3计算泥石流屈服应力因子x以及屈服应力；d、根据式4计算入汇角因子e、通过式5判断堵江发生概率，当y＜0.16时，不会发生堵江；当0.16≤y＜0.3时，有可能发生局部堵江；当0.3≤y＜0.46时，有可能发生大部堵江；当y≥0.46时，有可能发生全堵；”首先，单宽流量比是泥石流堵江的一个重大影响因素；主河流量越大，越不易发生堵塞；泥石流流量越大，越容易发生堵塞。单宽流量比很好的将流量、河道宽度、水深等影响因素联系到了一起，合理简化了复杂的实际情况。式1得到的单宽流量比，反映了泥石流流量与主河流量之间的潜在关系。其次，泥石流的入河体积量和沟道交汇处的宽度、水深也较大的影响了泥石流堵江的结果。在泥石流屈服应力、单宽流量比变化不大的情况下，泥石流入河体积越大，沟道越窄，水越浅，就越容易发生全堵。式2很好的联系了泥石流入河体积量与沟道、水深。再次，泥石流的性质也是堵江是否会发生的一大影响因素，屈服应力较好的反映了泥石流的性质。泥石流越粘，屈服应力越大，那么同样条件下发生堵江的可能性就越高。式3反映了泥石流的性质。最后，支沟与主河的交汇角会较大幅度的影响泥石流流体在沟口的冲淤状况，实验与文献调查可知钝角交汇比锐角交汇更容易发生堵江。式4描述了交汇角对堵江的影响。本技术方案作为一个整体，结合室内试验和野外数据分析，充分考虑了泥石流屈服应力和单宽流量比，将泥石流堵江的影响因素进行无量纲化，可以较好的避免因为单位数量级差距带来的误差，能适应野外复杂多变的灾害情况，计算结果准确，普适性高，能够为泥石流堵江防治提供科学指导。

具体实施方式

实施例1

一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法，包括以下步骤：

a、根据式1计算支沟与主河的单宽流量比ε；

其中，Q₁为主河单宽流量，单位m²/s，Q_Z为主河流量，单位m³/s，根据调查，结合国家相关规范以及设计任务获得Q_Z，B₁为主河与支沟交汇处主河的平均宽度，单位m，实地测量获得B₁；Q₂为支沟单宽流量，单位m²/s，Q_n为泥石流流量，单位m³/s，根据调查，结合国家相关规范以及设计任务获得Q_n，B₂为主河与支沟交汇处支沟的平均宽度，

单位m，实地测量获得B₂；

b、根据式2计算体积因子y_t；

其中，y_t为体积因子；V为泥石流冲入河道总量，单位m³，根据实际调查结合相关规范计算获得；B₁为主河与支沟交汇处主河的平均宽度，单位m；h为主河与支沟交汇处主河的水深，单位m，实地调查获得；

c、根据式3计算泥石流屈服应力因子x以及屈服应力；

其中，x为屈服应力因子；ρ为泥石流密度，单位kg/m³；g为重力加速度，取值9.8m/s²；τ₁为泥石流屈服应力，单位pa，屈服应力根据实地调查计算获得；

d、根据式4计算入汇角因子

其中，为入汇角因子；θ为支流与主流的交汇角，单位度，实地调查或通过卫星影像图获得；

e、通过式5判断堵江发生概率，当y＜0.16时，不会发生堵江；当0.16≤y＜0.3时，有可能发生局部堵江；当0.3≤y＜0.46时，有可能发生大部堵江；当y≥0.46时，有可能发生全堵；

本发明，“a、根据式1计算支沟与主河的单宽流量比ε；b、根据式2计算体积因子y_t；c、根据式3计算泥石流屈服应力因子x以及屈服应力；d、根据式4计算入汇角因子e、通过式5判断堵江发生概率，当y＜0.16时，不会发生堵江；当0.16≤y＜0.3时，有可能发生局部堵江；当0.3≤y＜0.46时，有可能发生大部堵江；当y≥0.46时，有可能发生全堵；”首先，单宽流量比是泥石流堵江的一个重大影响因素；主河流量越大，越不易发生堵塞；泥石流流量越大，越容易发生堵塞。单宽流量比很好的将流量、河道宽度、水深等影响因素联系到了一起，合理简化了复杂的实际情况。式1得到的单宽流量比，反映了泥石流流量与主河流量之间的潜在关系。其次，泥石流的入河体积量和沟道交汇处的宽度、水深也较大的影响了泥石流堵江的结果。在泥石流屈服应力、单宽流量比变化不大的情况下，泥石流入河体积越大，沟道越窄，水越浅，就越容易发生全堵。式2很好的联系了泥石流入河体积量与沟道、水深。再次，泥石流的性质也是堵江是否会发生的一大影响因素，屈服应力较好的反映了泥石流的性质。泥石流越粘，屈服应力越大，那么同样条件下发生堵江的可能性就越高。式3反映了泥石流的性质。最后，支沟与主河的交汇角会较大幅度的影响泥石流流体在沟口的冲淤状况，实验与文献调查可知钝角交汇比锐角交汇更容易发生堵江。式4描述了交汇角对堵江的影响。本技术方案作为一个整体，结合室内试验和野外数据分析，充分考虑了泥石流屈服应力和单宽流量比，将泥石流堵江的影响因素进行无量纲化，可以较好的避免因为单位数量级差距带来的误差，能适应野外复杂多变的灾害情况，计算结果准确，普适性高，能够为泥石流堵江防治提供科学指导。

实施例2

一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法，包括以下步骤：

a、根据式1计算支沟与主河的单宽流量比ε；

其中，Q₁为主河单宽流量，单位m²/s，Q_Z为主河流量，单位m³/s，根据调查，结合国家相关规范以及设计任务获得Q_Z，B₁为主河与支沟交汇处主河的平均宽度，单位m，实地测量获得B₁；Q₂为支沟单宽流量，单位m²/s，Q_n为泥石流流量，单位m³/s，根据调查，结合国家相关规范以及设计任务获得Q_n，B₂为主河与支沟交汇处支沟的平均宽度，

单位m，实地测量获得B₂；

b、根据式2计算体积因子y_t；

其中，y_t为体积因子；V为泥石流冲入河道总量，单位m³，根据实际调查结合相关规范计算获得；B₁为主河与支沟交汇处主河的平均宽度，单位m；h为主河与支沟交汇处主河的水深，单位m，实地调查获得；

c、根据式3计算泥石流屈服应力因子x以及屈服应力；

其中，x为屈服应力因子；ρ为泥石流密度，单位kg/m³；g为重力加速度，取值9.8m/s²；τ₁为泥石流屈服应力，单位pa，屈服应力根据实地调查计算获得；

d、根据式4计算入汇角因子

其中，为入汇角因子；θ为支流与主流的交汇角，单位度，实地调查或通过卫星影像图获得；

e、通过式5判断堵江发生概率，当y＜0.16时，不会发生堵江；当0.16≤y＜0.3时，有可能发生局部堵江；当0.3≤y＜0.46时，有可能发生大部堵江；当y≥0.46时，有可能发生全堵；

所述步骤e中，局部堵江是指流体入河后出露部分的长度与交汇处河宽的比值为30％-69％时。

所述步骤e中，大部堵江是指流体入河后出露部分的长度与交汇处河宽的比值为70％-99％时。

所述步骤e中，全堵是指流体入河后出露部分的长度与交汇处河宽的比值为100％时，且造成断流两分钟以上。

下面采用本发明分别对大渡河支流田湾河及大渡河支流利子依达沟爆发的泥石流进行验证：

1、大渡河支流田湾河地处青藏高原边缘的大雪山南麓，四川省雅安市石棉县草科藏族乡位于田湾河中游。2012年7月14日凌晨，草科乡和平村的田湾河支流唐家沟及小热水山坡等发生泥石流，简称“7·14”泥石流，造成2人死亡、5人失踪、1户46人因房屋被泥石流摧毁而无家可归、当地政府紧急转移和安置群众210人的重大地质灾害；此外，3座小型水电站、2个养殖场、数十公顷即将收获的玉米等农作物被毁，公路、桥梁、供水管道和电力设施等损坏严重。据和平村村委会统计，仅该村的经济损失就超过6000万元。

其间涌出的泥石流堵塞了田湾河，导致形成堰塞湖，极大的威胁了附近群众的生命财产安全。

根据现场调查，“7·14”泥石流支沟流量1027m³/s，宽25m，主河流量390m³/s，宽53.9m，入汇角90°，冲出量32.5万方。使用式1，计算得到支主沟单宽流量比为5.67,按照式2计算得到体积因子y_t为34.95,式3计算屈服应力因子x＝0.0051，使用式4计算的交汇角因子使用式5算出的判断因子为1.48。

根据实验得到的临界条件，当判断因子大于等于0.46的时候就有较高可能性发生全堵，因此唐家沟“7·14”泥石流发生严重全堵形成堰塞湖也就不足为奇了。

2、1981年7月9日凌晨1时30分许，大渡河支流利子依达沟爆发泥石流，把沟口的17米高、百多米长的利子依达大桥冲毁。1981年成昆铁路利子依达事故，是1981年7月9日发生在中国成昆铁路的一起严重的旅客列车意外重大事故，造成超过240人死亡或失踪，也是中国铁路历史上旅客伤亡最为惨重的事故。

此次泥石流同时也造成大渡河堵断,冲毁对岸汉源至乌斯河公路70余米。

根据文献(陈俊虎,丁玉寿.成昆线利子依达泥石流.铁道建筑，1982，(12)：14-18.)以及卫星影像图，此次利子依达沟泥石流支沟流量2656m³/s，宽34米，泥石流屈服应力15000pa，泥石流密度2350kg/m³，主河大渡河流量2500m³/s，宽120米，入汇角135°，冲出量87.75万方。根据式1，计算得到支主沟单宽流量比为3.75，根据式2计算得到体积因子y_t为13.54,根据式3计算屈服应力因子x＝0.0054，根据式4计算的交汇角因子根据式5算出的判断因子为0.49。

根据实验得到的临界条件，当判断因子大于等于0.46的时候就有较高可能性发生全堵，因此综合当时情况，利子依达沟泥石流实际情况与本发明的计算结果较为符合。

综上所述，本发明针对各种情况下粘性泥石流爆发时计算是否发生堵江有较高的准确性。

Claims (4)

1.一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、根据式1计算支沟与主河的单宽流量比ε；

其中，Q₁为主河单宽流量，单位m²/s，Q_Z为主河流量，单位m³/s，根据调查，结合国家相关规范以及设计任务获得Q_Z，B₁为主河与支沟交汇处主河的平均宽度，单位m，实地测量获得B₁；Q₂为支沟单宽流量，单位m²/s，Q_n为泥石流流量，单位m³/s，根据调查，结合国家相关规范以及设计任务获得Q_n，B₂为主河与支沟交汇处支沟的平均宽度，

单位m，实地测量获得B₂；

b、根据式2计算体积因子y_t；

其中，y_t为体积因子；V为泥石流冲入河道总量，单位m³，根据实际调查结合相关规范计算获得；B₁为主河与支沟交汇处主河的平均宽度，单位m；h为主河与支沟交汇处主河的水深，单位m，实地调查获得；

c、根据式3计算泥石流屈服应力因子x以及屈服应力；

其中，x为屈服应力因子；ρ为泥石流密度，单位kg/m³；g为重力加速度，取值9.8m/s²；τ₁为泥石流屈服应力，单位pa，屈服应力根据实地调查计算获得；

d、根据式4计算入汇角因子

其中，为入汇角因子；θ为支沟与主河的交汇角，单位度，实地调查或通过卫星影像图获得；

e、通过式5判断堵江发生概率，当y＜0.16时，不会发生堵江；当0.16≤y＜0.3时，有可能发生局部堵江；当0.3≤y＜0.46时，有可能发生大部堵江；当y≥0.46时，有可能发生全堵；

2.根据权利要求1所述的一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法，其特征在于：所述步骤e中，局部堵江是指流体入河后出露部分的长度与交汇处河宽的比值为30％-69％时。

3.根据权利要求1所述的一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法，其特征在于：所述步骤e中，大部堵江是指流体入河后出露部分的长度与交汇处河宽的比值为70％-99％时。

4.根据权利要求1所述的一种计算粘性泥石流堵江的临界条件的方法，其特征在于：所述步骤e中，全堵是指流体入河后出露部分的长度与交汇处河宽的比值为100％时，且造成断流两分钟以上。