CN107180150B

CN107180150B - 一种震区泥石流沟道堆积物起动流深阀值的计算方法

Info

Publication number: CN107180150B
Application number: CN201710588586.1A
Authority: CN
Inventors: 屈永平
Original assignee: Sichuan College of Architectural Technology
Current assignee: Sichuan College of Architectural Technology
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2037-07-19
Also published as: CN107180150A

Abstract

本发明公开了一种震区泥石流沟道堆积物起动流深阀值的计算方法,该方法通过获取震区泥石流沟的沟道坡度α，沟道纵比降J，沟道堆积物的内摩擦角θ，泥石流黏滞系数η，泥石流容重γ，泥石流体中水的容重γ_W，沟道堆积物饱和容重γ_sat；将所获得的参数带入计算公式，可以获得泥石流起动过程的预测泥石流流深的阀值。该方法适用于震区泥石流沟道堆积物起动时的流深预测，与现有技术相比，本发明基于严密的理论推导，能更准确的得到震区泥石流起动流深，为震区泥石流预防提供依据，其运用简单、高效，可满足地质灾害预防需要。

Description

一种震区泥石流沟道堆积物起动流深阀值的计算方法

技术领域

本发明属于泥石流预警程技术领域，特别涉及一种震区泥石流沟道堆积物起动流深阀值的计算方法。

背景技术

“5.12”地震以后，强震区内诱发了大量的地震次生灾害，其中强震区内每年都有不同规模的泥石流事件暴发，给强震区带来了严重的人员伤害和巨大的经济损失，且强震区地质灾害的活跃期将持续于地震后的20年。泥石流的预警是泥石流防治的主要方法之一，现有的泥石流预警主要基于泥石流流域的降雨条件和山洪流深，且主要的方法是基于统计方法和室内实验。根据汶川震区泥石流沟的沟道纵比降大、泥石流流域面积小等特征，使得震区泥石流的汇水速度快，泥石流冲击力强。为此，震区泥石流的预警和防治是泥石流研究的重点。

一定流深的地表径流形成一定的动水压力，对泥石流沟道堆积物形成冲击力，当泥石流沟道堆积物的抗剪强度小于等于地表径流的冲击力时，泥石流沟道堆积物处于临界起动状态，随着地表径流流深的增加，冲蚀泥石流沟道堆积物进而诱发泥石流过程。泥石流流深是泥石流暴发的最直接影响因素，也是泥石流预警预报最主要的参数之一。地表径流流深与其所在的沟道冲刷断面、沟道纵比降，以及沟道糙率系数等因素相关。由于汶川震区泥石流沟道纵比降大、泥石流流域面积小，使得在强降雨汇流条件下泥石流流域内的汇水速度快，形成地表径流冲蚀泥石流物源进而诱发降雨型泥石流。例如，小岗剑泥石流沟灾害点在2009年的“9.8”、2011年的“9.5”以及2016年的“1.21”均发生地质灾害事件，严重堵断公路，多次堵塞绵远河。

然而，目前基于泥石流流深的预警预报主要是根据不同地区的经验值和统计模型，目前泥石流预警预报主要还是基于降雨强度对泥石流进行。由于降雨强度的分布的不均一性，使得泥石流预警存在一定误差，且相对于雨量资料较少的地区，根据降雨强度的泥石流预警存在风险，不能高效、便捷的推广到设计单位和生产单位。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种震区泥石流沟道堆积物起动流深阀值的计算方法，解决强震区泥石流沟道堆积物起动过程中临界泥石流流深，构建基于泥石流沟道坡度、沟道堆积物性质的泥石流流深阀值的预测模型，并进行实例运用，为泥石流预警的提供新方法，适用于泥石流预警实际工程的需要。

本发明技术的技术方案实现方式：一种震区泥石流沟道堆积物起动流深阀值的计算方法，其特征在于：将震区泥石流沟道特征、沟道堆积物性质应用于震区泥石流起动的流深预测，其具体计算方法如下：

A.通过获取震区泥石流沟道的参数，确定泥石流沟的沟道纵比降J(‰)，沟道坡度α(°)，泥石流沟道堆积物饱和状态时的饱和容重γ_sat(KN/m³)，泥石流容重γ(KN/m³),泥石流体中水的容重γ_W(KN/m³)，γ_W＝10KN/m³，泥石流堆积物的内摩擦角θ(°)，泥石流的黏滞系数η(Pa·s)；

B.通过以下公式确定震区泥石流起动的流深阀值H，单位m；

H＝[(γcosαtanθ-(γ-γ_W)sinα)/(ηJ^1/2)]^-3/4

式中：J为沟道纵比降(‰)，α为沟道坡度(°)，γ为泥石流容重(KN/m³),γ_W为泥石流体中水的容重(KN/m³)，γ_W＝10KN/m³，θ为泥石流堆积物的内摩擦角(°),η为泥石流的黏滞系数(Pa·s)；均由步骤A所确定。

本发明所述的震区泥石流沟道堆积物起动流深阀值的计算方法，其所述步骤B中的确定震区泥石流起动的流深阀值公式适用于震区泥石流沟道堆积物在地表径流冲蚀条件下的泥石流起动的流深阀值的预测，将得到的泥石流流深将作为震区泥石流暴发的最小流深。

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，构建了基于泥石流沟道参数的泥石流流深阀值计算模型。首先，在泥石流沟道坡度方面，利用泥石流沟道纵比降变化特征定量反映了震区泥石流沟道堆积物起动时的流深特征；其次，根据泥石流沟道堆积物的内摩擦角反映了汶川震区泥石流流深与沟道堆积物物理性质间的相互关系，计算理论完善，计算结果符合泥石流现场调查，能够为震区泥石流预警参数提供技术支持。

附图说明

图1是泥石流沟道堆积物受力分析示意图。

图中标号如下：△h为沟道堆积物任意侵蚀厚度，△l为堆积物任意侵蚀长度，h为泥石流堆积厚度，α为泥石流沟道坡度，γ_sat为泥石流沟道堆积物饱和状态时的饱和容重，dN为堆积物所受支撑应力，dG_Y为泥石流固体颗粒的自重应力，dτ为堆积物所受剪应力。

具体实施方式

下面结合附图，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，以下结合附图及实施例，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。

如图1所示，一种震区泥石流沟道堆积物起动流深阀值的计算方法，其主要思路是：将震区泥石流沟道特征、沟道堆积物性质应用于震区泥石流起动的流深预测。首选根据土力学推导泥石流沟道堆积物起动时的受力条件；再通过震区典型泥石流沟的调查以及泥石流沟道特征参数的测量等手段确定沟道坡度、沟道纵比降、沟道糙率系数、泥石流容重、泥石流粘滞系数；将所得参数带入震区泥石流沟道堆积物起动流深阀值的计算模型中，得到泥石流流起动的临界流深预测值。

具体计算方法及步骤如下：

首先，根据震区泥石流沟道堆积物的受力特征绘制泥石流沟道堆积物的受力示意图，分析泥石流沟道堆积物起动过程中的驱动力条件和阻力条件。假设震区泥石流沟道坡度为α，泥石流沟道纵比降为J，泥石流容重为γ，泥石流沟道的糙率系数为n，泥石流的粘滞系数为η，如图1所示，泥石流沟道堆积物起动时，堆积物受地表径流的受剪应力(τ₂)公式表示为：

式中，τ₂为泥石流剪应力(Pa)，τ_B为泥石流浆体的屈服剪应力(Pa)，η为泥石流的黏滞系数(Pa·s)，在常温20℃时，粘滞系数为1.005Pa·s，v为泥石流的流速(m/s)，α为泥石流沟道坡度(°),γ为泥石流容重(KN/m³),γ_W为泥石流体中水的容重(KN/m³)，γ_W＝10KN/m³。

则泥石流沟道堆积物受到的剪应力(τ₂)公式表示为：

然后，泥石流沟道物源堆积体在上覆地表径流自重压力和沟道堆积物的自重应力下的正应力(δ)和剪应力(τ₁)公式表示为：

式中，H为地表径流的流深(m)，△h为沟道堆积物的任意侵蚀厚度(m)，γ_sat为泥石流沟道堆积物饱和状态时的饱和容重(KN/m³)，其他符号同上所示。

然后，根据土力学理论得到泥石流沟道堆积物的抗剪强度τ_f公式表示为：

式中，c为泥石流沟道堆积物的内聚力(Pa)，其他符合同上。

由于汶川震区泥石流沟道堆积物沉积时间短，堆积体粘粒含量低，即泥石流沟道堆积物的内聚力c忽略不计，当泥石流沟道堆积物的抗剪强度τ_f与泥石流的剪应力τ相等时，泥石流沟道堆积物处于极限稳定状态。则泥石流沟道堆积物侵蚀深度△h＝0的泥石流起动流深阀值公式表示为：

H＝[(γcosαtanθ-(γ-γ_W)sinα)/(ηJ^1/2)]^-3/4…………………(5)

式中：J为沟道纵比降(‰)，α为沟道坡度(°)，θ为泥石流堆积物的内摩擦角(°)，η为泥石流的黏滞系数(Pa·s)，在常温20℃时，粘滞系数为1.005Pa·s，γ为泥石流容重(KN/m³),γ_W为泥石流体中水的容重(KN/m³)，γ_W＝10KN/m³。

其中，所述步骤B中的确定震区泥石流起动的流深阀值的公式适用于震区泥石流沟道堆积物在地表径流冲蚀条件下泥石流起动的流深阀值的预测，将得到的泥石流流深将作为震区泥石流暴发的最小流深。

以下为本发明的具体实施例：

红椿沟流域形态为扇形，流域面积5.35km²，流域最高点位于新店子沟的沟源处(望乡石)，高程2168.4m，沟口与岷江交汇处高程为880m，相对高差1288.4m。红椿沟发育有甘溪铺沟、大水沟和新店子沟等3条较大的支沟，其中主沟长约3.6km，上陡下缓，沟谷平均纵比降358‰。

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，根据泥石流沟道特征对泥石流起动的流深阀值进行有效预测，具体计算方法及步骤如下：

A.根据红椿沟泥石流沟的野外调查和泥石流沟道参数测试，确定了红椿沟泥石流沟道堆积物的内摩擦角为33°～35°，沟谷平均纵比降358‰，粘性泥石流沟床糙率为0.08，泥石流重度为17.10KN/m³，粘滞系数为1.005Pa·s。

B.将A步骤确定的各参数代入下公式，

H＝[(γcosαtanθ-(γ-γ_W)sinα)/(ηJ^1/2)]^-3/4

C.通过公式计算获取红椿沟泥石流起动时的流深阀值约为15cm，则红椿沟泥石流起动的最小流深约为15cm。

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

1.一种震区泥石流沟道堆积物起动流深阀值的计算方法，其特征在于：将震区泥石流沟道特征、沟道堆积物性质应用于震区泥石流起动的流深预测，其具体计算方法如下：

A.通过获取震区泥石流沟道的参数，确定泥石流沟的沟道纵比降J，单位为‰，沟道坡度α，单位为°，泥石流沟道堆积物饱和状态时的饱和容重γ_sat，单位为KN/m³，泥石流容重γ，单位为KN/m³,泥石流体中水的容重γ_W，单位为KN/m³，γ_W＝10KN/m³，泥石流堆积物的内摩擦角θ，单位为°，泥石流的黏滞系数η，单位为Pa·s；

B.通过以下公式确定震区泥石流起动的流深阀值H，单位m；

H＝[(γcosαtanθ-(γ-γ_W)sinα)/(ηJ^1/2)]^-3/4

式中参数均由步骤A所确定。

2.根据权利要求1所述的震区泥石流沟道堆积物起动流深阀值的计算方法，其特征在于：所述步骤B中的确定震区泥石流起动的流深阀值的公式适用于震区泥石流沟道堆积物在地表径流冲蚀条件下的泥石流起动的流深阀值的预测，将得到的泥石流流深将作为震区泥石流暴发的最小流深。