CN107169615A - 一种基于沟道纵比降和沟道宽度的拦砂坝淤满条件下泥石流流速衰减值的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于沟道纵比降和沟道宽度的拦砂坝淤满条件下泥石流流速衰减值的计算方法，该方法通过获取震区泥石流沟的沟道纵比降J2，拦砂坝库区纵比降J1，拦砂坝上游的泥石流沟道宽度B2，拦砂坝下游的沟道宽度B1；将所获得的参数带入震区泥石流流速αv的衰减值计算公式中，可以获得泥石流暴发过程的泥石流在拦砂坝淤满条件下的流速衰减值。该方法适用于震区拦砂坝淤满条件下的泥石流流速衰减预测，与现有技术相比，本发明基于泥石流在拦砂坝位置的质量守恒的理论推导，能更准确的得到震区拦砂坝淤满条件下的泥石流流速变化情况，为震区泥石流拦砂坝防治工程的设计提供依据，其运用简单、高效，可满足地质灾害预防需要。

Description

一种基于沟道纵比降和沟道宽度的拦砂坝淤满条件下泥石流 流速衰减值的计算方法
技术领域
本发明属于泥石流防治工程设计应用技术领域，特别涉及一种基于沟道纵比降和沟道宽度的拦砂坝淤满条件下泥石流流速衰减值的计算方法。
背景技术
为了有效的防治震区泥石流灾害，泥石流沟流域内修建了大量的防治工程，其中最为主要的防治措施是泥石流拦砂坝。泥石流在拦砂坝防治工程作用下，使得泥石流的流速发生衰减。汶川震后大规模的群发性泥石流事件使得现存的大部分拦砂坝库区呈淤满状态，且由于震区陡峭的地形使得拦砂坝清库工作几乎成为不可能完成的工程，淤满状态下的拦砂坝使得泥石流的消能功效大为降低，很多拦砂坝已不能满足当初设计的需要。因此，对于类似汶川震区此类不能进行泥石流拦砂坝库区清淤处理的泥石流沟，拦砂坝淤满的条件下的泥石流流速衰减特征成为此类泥石流防治的研究重点。
泥石流流速的变化特征与其所在的沟道冲刷断面、沟道纵比降，以及沟道的糙率等因素相关，其中在空库的拦砂坝下游处泥石流的动能衰减值为80.7％～98.8％。多次的泥石流事件后，拦砂坝库区几乎成淤满状态，使得泥石流拦砂坝的防治效应大为降低。例如，映秀磨子沟在2011年的“7.03”、2013年的“7.10”强降雨过程中均暴发不同规模的泥石流，使得泥石流沟流域内的拦砂坝处于淤满状态，导致2016年的“7.05”强降雨过程中，磨子沟泥石流冲出沟口，使得国道213线的交通处于瘫痪状态。
泥石流的流速反映了泥石流流体的动能条件，泥石流拦砂坝的主要作用为消能，从而降低泥石流的流速，进而降低泥石流灾害的危险程度；现行的泥石流拦砂坝消能主要通过室内实验获取，而泥石流拦砂坝设计主要针对空库状态下的拦挡效应。针对淤满状态下的拦砂坝设计流速值计算方法较少，导致泥石流拦砂坝设计的使用受到限制，且淤满状态下的消能作用不明显。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于沟道纵比降和沟道宽度的拦砂坝淤满条件下泥石流流速衰减值的计算方法，以解决强震区拦砂坝淤满后的泥石流流速设计值，构建基于泥石流沟道横断面参数的泥石流流速衰减值预测模型，并进行实例运用，为泥石流拦砂坝工程设计的流速提供新方法，适用于泥石流防治实际工程的需要。
本发明技术的技术方案实现方式：一种基于沟道纵比降和沟道宽度的拦砂坝淤满条件下泥石流流速衰减值的计算方法，其特征在于：将震区拦砂坝工程上、下游的沟道断面特征应用于震区泥石流的流速预测，通过拦砂坝库区所导致的泥石流沟道变化值得到泥石流暴发时的流速衰减值，其具体计算方法如下：
A.通过获取震区泥石流沟拦砂坝上、下游沟道的参数，确定泥石流沟拦砂坝上、下游的沟道总纵比降J2和J1(‰)，泥石流沟拦砂坝上、下游的沟道宽度B2和B1(m)；
B.通过以下公式确定震区泥石流的流速αv的衰减值，单位m/s；
式中：v2为拦砂坝上游的流速(m/s)，v1为拦砂坝下游的流速(m/s)，J2为拦砂坝上游的沟道纵比降(‰)，J1为拦砂坝下游的沟道纵比降(‰)，B2为拦砂坝上游的沟道宽度(m)，B1为拦砂坝下游的沟道宽度(m)；均由步骤A所确定。
本发明所述的基于沟道纵比降和沟道宽度的拦砂坝淤满条件下泥石流流速衰减值的计算方法，其所述步骤B中确定的震区泥石流流速αv的衰减值公式适用于震区拦砂坝淤满条件下的泥石流流速衰减值预测，将得到的衰减后的泥石流流速作为震区泥石流拦砂坝淤满后的最小设计泥石流流速。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明突破传统经验的限制，从泥石流沟道纵比降、泥石流沟道宽度等多方面入手，构建了基于震区拦砂坝淤满条件下泥石流沟道断面参数的泥石流流速衰减模型。首先，在泥石流沟道纵比降方面，充分考虑震区泥石流沟拦砂坝淤满后上、下游的沟道纵比降变化，利用泥石流沟道纵比降的变化值定量反映了震区泥石流拦砂坝位置的地形坡度特征；其次，基于汶川震区泥石流拦砂坝上、下游沟道宽度变化特征，根据泥石流的质量连续方程反映了震区泥石流拦砂坝淤满条件下流速与沟道横断面参数间的相互关系。本发明的计算理论完善，计算结果符合泥石流现场调查，能够为震区泥石流拦砂坝防治工程设计参数提供技术支持，有效避免了因为泥石流流速设计值低所导致的泥石流防治工程未能满足实际需要，进而造成泥石流防治工程失效的问题。
具体实施方式
下面对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
一种基于沟道纵比降和沟道宽度的拦砂坝淤满条件下泥石流流速衰减值的计算方法，其主要思路是：将震区拦砂坝工程上、下游的沟道断面特征应用于震区泥石流的流速预测，通过拦砂坝库区所导致的泥石流沟道变化值得到泥石流暴发时的流速衰减值。首先，根据质量连续方程推导泥石流在拦砂坝位置运动时的流速衰减值模型；再通过获取震区拦砂坝库区已淤满的泥石流沟道特征参数，确定其沟道坡度、沟道纵比降、沟道糙率系数、沟道宽度；最后将所得参数带入震区泥石流流速衰减模型，得到泥石流在拦砂坝位置的流速衰减预测值。
具体计算过程如下：
首先，根据泥石流拦砂坝上下游的流速关系，分析因为拦砂坝导致的泥石流流速衰减特征。假设拦砂坝上游的流速为v2，拦砂坝下游的流速为v1，泥石流拦砂坝上、下游的流速衰减公式表示为：
式中，αv为泥石流沿其流向的速度衰系数,v2为拦砂坝上游的流速(m/s),v1为拦砂坝下游的流速(m/s)。
然后，根据泥石流流体的质量连续方程，假设拦砂坝上游的沟道横切面积为A2，拦砂坝下游的沟道横切面积为A1。泥石流质量连续条件下拦砂坝上游流量(v2A2)和拦砂坝下游流量(v1A1)相等的公式表示为：
v1A1＝A2v2…………………………………(2)
式中，A2为拦砂坝上游的沟道横切面积(m2)，A1为拦砂坝下游的沟道横切面积(m2)。
然后，根据泥石流流速计算公式，泥石流在堆积区任意位置的流深H公式表示为：
式中，n为泥石流沟道任意位置的沟道糙率系数，通过泥石流防治规范获取泥石流造率系数，H为泥石流堆积区任意位置的泥石流流深(m/s)，J为泥石流堆积区任意位置的沟道纵比降‰；
然后，根据泥石流在淤满的拦砂坝位置的质量守恒，拦砂坝上、下游的流速公式表示为：
式中，A2为拦砂坝上游的沟道横切面积(m2)，A1为拦砂坝下游的沟道横切面积(m2)，v2为拦砂坝上游的流速(m/s),v1为拦砂坝下游的流速(m/s)，B2为拦砂坝上游的沟道宽度(m)，B1为拦砂坝下游的沟道宽度(m)。
根据泥石流流速与泥石流流深的关系，以及泥石流拦砂坝位置的糙率系数相同，得到泥石流在拦砂坝淤满条件下的流速的衰减值公式表示为：
式中：v2为拦砂坝上游的流速(m/s)，v1为拦砂坝下游的流速(m/s)，J2为拦砂坝上游的沟道纵比降(‰)，J1为拦砂坝下游的沟道纵比降(‰)，B2为拦砂坝上游的沟道宽度(m)，B1为拦砂坝下游的沟道宽度(m)。
其中，通过公式(5)确定的震区泥石流流速αv的衰减值适用于震区拦砂坝淤满条件下的泥石流流速衰减值预测，将得到的衰减后的泥石流流速作为震区泥石流拦砂坝淤满后的最小设计泥石流流速，从而有效避免了因为泥石流流速设计值低所导致的泥石流防治工程未能满足实际需要，进而造成泥石流防治工程失效的问题。
以下为本发明的具体实施例：
实施例一：
小岗剑流域汇水面积为0.61km2；形成-流通区的沟道坡降为506‰。小岗剑泥石流沟流域整体坡度在平均坡度在30°以上，泥石流沟道坡度在平均坡度在30°以上，且泥石流流通区下游陡坎位置的坡度在50°以上。
为了有效的防治和治理泥石流，防止绵远河被堵塞威胁下游安全，根据泥石流沟道以及拦砂坝设计宽度等特征进行有效预测，具体计算方法及步骤如下：
A.根据小岗剑泥石流沟的野外调查和泥石流沟道参数测试，确定了小岗剑沟1#拦砂坝的平均泥深0.73m、泥石流纵坡0.483、糙率系数12、沟道宽度15m；1#拦砂坝上游(2#拦砂坝)位置的平均泥深0.64m、泥石流纵坡0.2096、糙率系数12、沟道宽度10m。
B.将A步骤确定的各参数代入下公式，
C.通过公式计算获取泥石流暴发过程中泥石流流速衰减值为7.8％，则小岗剑泥石流1#拦砂坝淤满后的流速是其上游(2#拦砂坝位置)流速的92.2％。
实施例二：
福堂沟的流域形态近似矩形，流域面积约为1.12km2，主沟道长度约为0.78km，主沟纵比降约为625‰，受构造控制，整个泥石流域分布不对称。沟域的最高点位于沟谷山脊地带。福堂泥石流沟道坡度在30°以上，泥石流形成区沟道坡度在30°以上，流通区两岸坡度也在50°以上。
为了有效的防治和治理泥石流，防止岷江被堵塞威胁下游安全，根据泥石流沟道以及拦砂坝设计宽度等特征进行有效预测，具体计算方法及步骤如下：
A.根据福堂沟野外调查和泥石流沟道参数测试，确定了福堂沟1#拦砂坝的平均泥深0.7m、泥石流沟道纵比降0.384‰、糙率系数12、沟道宽度27m；1#拦砂坝上游(2#拦砂坝)位置的平均泥深1.5m、泥石流沟道纵比降394‰、糙率系数12、沟道宽度19m。
B.将A步骤确定的各参数代入下公式，
C.通过公式计算获取泥石流暴发过程中泥石流流速衰减值为13.8％，则福堂沟泥石流1#拦砂坝淤满后的流速是其上游(2#拦砂坝位置)流速的86.2％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于沟道纵比降和沟道宽度的拦砂坝淤满条件下泥石流流速衰减值的计算方法，其特征在于：将震区拦砂坝工程上、下游的沟道断面特征应用于震区泥石流的流速预测，通过拦砂坝库区所导致的泥石流沟道参数变化特征得到泥石流暴发时的流速衰减值，其具体计算方法如下：
A.通过获取震区泥石流沟拦砂坝上、下游沟道的参数，确定泥石流沟拦砂坝上、下游的沟道总纵比降J2和J1(‰)，泥石流沟拦砂坝上、下游的沟道宽度B2和B1(m)；
B.通过以下公式确定震区泥石流的流速αv的衰减值，单位m/s；
<mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>v</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>J</mi> <mn>1</mn> <mrow> <mn>3</mn> <mo>/</mo> <mn>4</mn> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>J</mi> <mn>2</mn> <mrow> <mn>3</mn> <mo>/</mo> <mn>4</mn> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>B</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mo>/</mo> <mn>5</mn> </mrow> </msup> </mrow>
式中：v2为拦砂坝上游的流速(m/s)，v1为拦砂坝下游的流速(m/s)，J2为拦砂坝上游的沟道纵比降(‰)，J1为拦砂坝下游的沟道纵比降(‰)，B2为拦砂坝上游的沟道宽度(m)，B1为拦砂坝下游的沟道宽度(m)；均由步骤A所确定。
2.根据权利要求1所述的基于沟道纵比降和沟道宽度的拦砂坝淤满条件下泥石流流速衰减值的计算方法，其特征在于：所述步骤B中确定的震区泥石流流速αv的衰减值公式适用于震区拦砂坝淤满条件下的泥石流流速衰减值预测，将得到的衰减后的泥石流流速作为震区泥石流拦砂坝淤满后的最小设计泥石流流速。
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