CN107179419B - 粘性泥石流断面平均流速测算方法 - Google Patents

粘性泥石流断面平均流速测算方法 Download PDF

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    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft

Abstract

本发明公开了一种泥石流流速测算方法。针对现有技术中存在没有考虑泥石流的颗粒组成、泥石流体积比含沙量等对糙率系数、流速系数以及泥石流流速的影响，以及某些变量难以通过查表或调查准确确定的缺陷，本发明提供了一种充分考虑泥石流颗粒组成对其流速的泥石流断面平均流速计算方法。本方法将泥石流颗分参数(μ,Dc)引入泥石流流速测算中，并在充分考虑泥石流体积比含沙量对泥石流流速的双重影响，采用Sv(1‑Sv)综合表示泥石流体积比含沙量对泥石流流速的影响，最终以曼宁公式为原型，可以得到黏性泥石流流速公式模型

Description

粘性泥石流断面平均流速测算方法
技术领域
本发明涉及一种泥石流流速测算方法，特别是涉及一种泥石流断面平均流速测算方法，属于测量技术、山地灾害防治领域。
背景技术
泥石流流速是泥石流运动力学的核心研究内容之一，是研究泥石流流变性质和运动机理的关键。在实际工程中泥石流流速，尤其是泥石流体断面的平均流速测算是防治工程设计的重要基础性参数。
公开号为CN104794362A的中国发明专利申请公开了一种泥石流断面平均流速的测算方法及应用。该方法通过现场调查测量、实际取样实测容重和室内流变实验等手段，分别确定泥石流流体容重、泥石流固体物质容重、泥石流沟道或排导槽坡度、泥石流过流断面水力半径、泥石流沟道或排导槽外部糙率等参数，将获取的参数代入泥石流断面平均流速计算公式，从而获得较为泥石流断面平均流速。但该测算方法在考虑泥石流本身组成对其流速影响时涉及泥石流体的内部糙率以及排导槽所引起的外部糙率。内部糙率包含泥沙特性与泥石流粘性作用两方面因素。其技术缺陷主要包括：两方面：其一，泥石流是一种典型包含大量泥沙、块石、巨粒等颗粒的固液两相流，泥石流颗粒在流体运动中的关键作用。该方法没有体现出其它重要相关因子(如泥石流的颗粒组成、泥石流体积比含沙量等)对糙率系数、流速系数的影响，进而没有考虑这些泥石流特征物理参数对泥石流流速的影响；其二，泥石流(尤其是粘性泥石流)多呈阵性运动，沿途铺床前进，泥石流颗粒的交换、碰撞、沉积等过程使得泥石流的综合糙率系数难以通过查表或调查准确确定，从而影响测算的精度。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种泥石流断面平均流速测量方法，该方法能充分考虑泥石流颗粒组成对其流速的影响。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
粘性泥石流断面平均流速测算方法，用于测算粘性泥石流断面平均流速，其特征在于：
在野外现场选取沟道内较为顺直段设置泥石流测量断面，通过野外现场调查实验确定泥石流体积比含沙量Sv、泥石流平均流深H、泥石流沟道纵坡J、泥石流颗分参数(μ,Dc)；
依式1计算粘性泥石流断面平均流速：
v＝30.68exp(μ)(H/Dc)1/6[Sv(1-Sv)]1/2H2/3J1/2 式1
式中，v——粘性泥石流流速，单位m·s-1，
(μ,Dc)——泥石流颗分参数，根据室内筛分、粒度分析实验确定，
Sv——泥石流体积比含沙量，通过野外现场调查实验确定，
H——泥石流平均流深，单位m，根据野外现场调查确定，
J——泥石流沟道纵坡，％，根据野外调查确定。
上述泥石流断面平均流速测量方法是基于我国典型泥石流观测实验研究站多年观测数据，在粘性泥石流平均流速经典公式曼宁公式基础上，考虑泥石流颗粒组成、泥石流体积比含沙量、泥深等对糙率的影响，综合各因子拟合得到。
上述流速测量方法的核心是在曼宁公式的基础上，充分考虑泥石流颗粒组成对其流速的影响。方法的主要技术原理在于：
第一，颗分参数(μ,Dc)中，μ代表细颗粒的含量，Dc代表泥石流样品的粒径组成范围。由于细颗粒在泥石流运动过程中主要起到润滑作用，因而当细颗粒含量越多时，泥石流体内部阻力减小，对应的流速也应越快。故而颗分参数(μ,Dc)的两个参数都能够影响泥石流流速。进一步采用H/Dc表示泥石流体内部的相对粗糙度，即当H一定时，Dc越大，表明流体中粗颗粒的粒径越大，对应糙率越大，流速降低。故而流速v与μ、H/Dc存在函数关系。在测量数据中，μ值量级太小，无法与其它参量配合完成计算。由此采用数学变换得到exp(μ)参与计算。结合前述分析结果有v＝f(exp(μ)，H/Dc)。
第二，泥石流体积比含沙量Sv对泥石流流速的影响是双重的。一方面，泥石流体积比含沙量Sv的增高会使得泥石流内部阻力的增大；另一方面，Sv的继续增加会使得泥石流颗粒下沉速度降低，减小流体内部的颗粒交换，降低能量耗散，降低内部阻力，使得流体速度提高。经前期数据分析，选用Sv(1-Sv)综合表示泥石流体积比含沙量对泥石流流速的影响。
第三，以曼宁公式为原型，可以得到黏性泥石流流速公式模型：v＝f(exp(μ)，
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明测算方法充分考虑泥石流颗粒组成对其流速的影响，将泥石流颗分参数(μ,Dc)作为变量引入泥石流流速计算中，再进一步同时综合其他因子分析，得出新的泥石流断面平均流速测算方法。相比于现有技术采用综合糙率系数的泥石流流速测算方法，本发明方法细化了综合糙率系数的物理意义，同时可以摒弃经验参数选取所造成的人为主观影响，具有更科学的测算原理与较高的精度。本发明方法计算简便，工程实用价值高。
附图说明
图1是实施例一测量断面示意图(纵轴为海拔高程，横轴为水平距离，L为左岸，R为右岸，1:500)。
图2是实施例二测量断面示意图(纵轴为海拔高程，横轴为水平距离，L为左岸，R为右岸，1:500)。
图3是更多流速野外观测值与本公式计算值的对比关系。
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所示，用本发明方法测算金沙江上游支流小江一条泥石流支沟的一次泥石流流速。
某泥石流沟是金沙江上游支流小江一条泥石流支沟，流域面积48km2，主沟长14km，流域最高点海拔3230m，最低点海拔1040m。沟岸两侧以千枚岩和板岩为主，强烈的风化作用，使得该地区存在大量的浅层滑坡、崩塌等松散堆积物，为泥石流的形成提供了大量物源。为了防治该条泥石流沟，需要在上游修建拦挡工程，需要计算该沟道泥石流的平均流速。
在沟内任一较为顺直位置设置测量断面，测量断面图如图1。通过大比例尺地形图测量计算以及实地调查测得断面上泥石流沟道纵坡J＝6.67％。
该沟于2007年7月25日发生泥石流。泥石流结束后，通过野外现场调查实验确定该次泥石流体积比含沙量Sv＝0.727，密度为2.2g/cm3，经过现场调查，发现泥石流堆积体中黏粒含量较多，初步断定为黏性泥石流，其平均流深H＝1.2m。
在泥石流堆积体上，取方量为2m×2m×H的泥石流样品，通过室内筛分、粒度分析，得到颗粒级配(表1)，将颗粒级配导入Matlab中，把泥石流标度分布公式(式中，P(>D)是大于粒径D的颗粒百分比、C是系数、D是粒径、Dc是特征粒径、μ是幂指数)输入curve fitting tool中的自定义公式中，通过curve fittingtool确定标度分布公式中的参数(μ,Dc)为(0.0349,21.5610)。
表1 实施例一大于某粒径(mm)泥石流颗粒质量百分比(％)
将(μ,Dc)＝(0.0349,21.5610)、Sv＝0.727、H＝1.2、J＝6.67％代入式1，计算得到测量断面上泥石流平均流速v＝8.07m/s。
本次泥石流中，在该测量断面上的实测得泥石流断面平均流速为7.97m/s。本发明测算方法结果误差为1.25％，符合技术标准。
实施例二
如图2所示，用本发明方法测算大渡河上游一条泥石流支沟的一次泥石流流速。
该泥石流支沟流域面积8.6km2，主沟长6.3km，流域最高点海拔3655m，最低点海拔2705m。坡度大，地形陡峭，且风化严重，这为泥石流的形成提供了有力条件。该沟经常爆发泥石流，且规模较大，威胁下游人民安全。为了防治该条泥石流沟，需要在上游修建拦挡工程，需要计算该沟道泥石流的平均流速。
在沟内任一较为顺直位置设置测量断面，测量断面图如图2。通过大比例尺地形图测量计算以及实地调查测得断面上泥石流沟道纵坡J＝15.07％。
该沟于2010年8月12日发生泥石流。泥石流结束后，通过野外现场调查实验确定该次泥石流体积比含沙量Sv＝0.5330，密度为1.9g/cm3，经过现场调查，发现堆积体中黏粒成分较多，初步断定为黏性泥石流，其平均流深H＝0.7m。
在泥石流堆积体上，取方量为2m×2m×H的泥石流样品，采用同实施例一相同方法计算泥石流颗分参数(μ,Dc)为(0.0377,46.4484)。泥石流颗粒质量百分比数据见表2。
表2 实施例二大于某粒径(mm)泥石流颗粒质量百分比(％)
将(μ,Dc)＝(0.0377,46.4484)、Sv＝0.5330、H＝0.7、J＝15.07％代入式1，计算得到测量断面上泥石流平均流速v＝7.65m/s。
本次泥石流中，在该测量断面上的实测得泥石流断面平均流速为7.92m/s。本发明测算方法结果误差为3.41％，符合技术标准。
申请人将本发明方法应用于更多地点泥石流沟中发生的粘性泥石流的实际流速测算。图3是更多流速野外观测值与本公式计算值的对比关系。
参考文献：李泳等.泥石流颗粒的标度分布.四川大学学报(工程科学版),2013年1月。

Claims (2)

1.粘性泥石流断面平均流速测算方法，用于测算粘性泥石流断面平均流速，其特征在于：在野外现场选取沟道内较为顺直段设置泥石流测量断面，通过野外现场调查实验确定泥石流体积比含沙量Sv、泥石流平均流深H、泥石流沟道纵坡J、泥石流颗分参数(μ,Dc)；依式1计算粘性泥石流断面平均流速
v＝30.68exp(μ)(H/Dc)1/6[Sv(1-Sv)]1/2H2/3J1/2 式1
式中，v——粘性泥石流流速，单位m·s-1，
(μ,Dc)——泥石流颗分参数，根据室内筛分、粒度分析实验确定，
μ——泥石流颗分参数的无量纲参数，通过野外现场调查实验确定，
Dc——泥石流颗分参数的特征粒径，单位mm，通过野外现场调查实验确定，
Sv——泥石流体积比含沙量，通过野外现场调查实验确定，
H——泥石流平均流深，单位m，根据野外现场调查确定，
J——泥石流沟道纵坡，％，根据野外调查确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述(μ,Dc)的确定是取方量为2m×2m×H的泥石流样品，通过室内筛分、粒度分析之后，利用泥石流颗粒标度分布公式计算确定；泥石流颗粒标度分布公式中，P(>D)是大于粒径D的颗粒百分比，单位％；C是系数；D是粒径，单位mm；Dc是特征粒径，单位mm；μ是幂指数，即泥石流颗分参数的无量纲参数。
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