CN107194134B - 一种基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法 - Google Patents

一种基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法，该方法通过汶川震区泥石流沟的野外调查、测量、取样以及泥石流沟特征参数提取等手段，确定泥石流沟的沟道纵比降J，泥石流流深h，沟道坡度α，泥石流固体颗粒容重γs，泥石流的粘滞系数η，泥石流固体颗粒粒径di；将所得到的参数代入计算公式以得到震区泥石流容重预测值。与现有技术相比，本发明基于严密的理论推导，能够合理准确的反映汶川震区低黏粒含量的泥石流容重，为震区灾后重建中的泥石流防治设计提供理论依据，计算结果精度高，符合实际工程需要。

Description

一种基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法
技术领域
本发明属于泥石流防治工程设计应用技术领域，特别涉及一种基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法。
背景技术
“5.12”汶川地震以后，强震区内诱发了大量的地震次生灾害，强震区内每年都有不同规模的泥石流事件暴发，其中在2008年的“9.26”、2010年的“8.13”、2011年的“7.03”、2013年的“7.10”以及2016年的“7.05”强降雨过程中，强震区暴发了多期大规模的群发性泥石流灾害，给强震区带来了严重的人员伤害和巨大的经济损失，也给震后重建项目带来了巨大的破坏，而在震后的10年至15年内也将是泥石流灾害的高发期。为了保证汶川震区经济的可持续发展，泥石流防治工程的有效防治就显得十分必要。
泥石流容重特征是泥石流动力学参数的主要参数之一，也是泥石流防治工程设计的主要参数之一。例如，2013年“7.10”特大暴雨期间，羊店1组后山坡面泥石流3条沟道均发生泥石流，泥石流物源以碎石、块石和砂粒堆积为主，粒径范围为10～30cm，砂及粉粘土充填，通过现场配方法和查表法分别得到泥石流的容重为19.6KN/m3和17.2KN/m3，通过黏粒百分含量和粗颗粒百分含量得到的容重约为16.8KN/m3。2008年“9·26”洪灾和2010年“8·14”洪灾期间牛圈沟发生大规模泥石流，其中侵蚀的物源量分别为17.15×104m3和14.87×104m3，牛圈沟泥石流松散固体物源中以碎块石为主，通过现场配方法得到泥石流的容重为17.8KN/m3，通过黏粒百分含量和粗颗粒百分含量得到的容重约为16.4KN/m3。
泥石流的容重反映了泥石流的流体的固体颗粒含量和水分含量之间的相互关系，不同的泥石流容重反映了泥石流的内部受力条件、搬运条件和泥石流暴发的降雨条件等，现行的泥石流容重主要根据泥石流固体颗粒(＞2mm)的累积百分含量和黏粒(＜0.05mm)的累积百分含量。汶川震区泥石流沟物源主要为松散的岩土体颗粒，黏粒含量极低，基于泥石流粗颗粒和黏粒累积百分含量的泥石流容重计算方法导致泥石流的容重相对于其实际容重值偏小，使得泥石流的防治工程设计过程中的动力学参数过低，不能满足震区泥石流防治工程设计的需要。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法，解决强震区泥石流暴发过程中固体颗粒与泥石流容重的关系，构建基于泥石流固体颗粒粒径的泥石流容重预测模型，并进行实例运用，为泥石流预警预报和防治提供新方法，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：一种基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法，所述震区的泥石流沟包括沟道和在沟道上运动的泥石流体，其特征在于：将震区泥石流的固体颗粒粒径应用于泥石流容重计算，所述震区泥石流容重预测计算方法如下：
A.获取震区泥石流沟的泥石流体流深h(m)，通过泥石流沟大比例尺测绘得到沟道的沟道坡度α(°)，沟道纵比降J(‰)，通过泥石流采样和筛分得到泥石流体固体颗粒粒径di(mm)，通过泥石流沟床状况确定泥石流体糙率系数n，通过为泥石流暴发时的野外温度调查确定泥石流体的粘滞系数η(Pa·s)；
B.通过以下公式确定震区泥石流浆体密度ρ(Kg/m3)公式表示为：
Figure BDA0001354172790000031
式中：di为累积百分含量为i的泥石流固体颗粒粒径(mm)，η为泥石流的粘滞系数(Pa·s)，ρ为泥石流浆体的密度(kg/m3)，g为重力加速度(m/s2)，γS为泥石流固体颗粒容重(KN/m3)，H为泥石流沟道堆积物的堆积厚度(m)，n为泥石流沟道的糙率系数；
C.通过以下公式确定震区泥石流容重γL(KN/m3)公式表示为：
γL＝C(γS-γ)+γ,式中：C＝(ρ-ρW)/(ρS-ρW)
式中：C为泥石流体积浓度(％)，ρw为水体的密度(kg/m3)，ρ为泥石流浆体的密度(kg/m3)，γ为泥石流浆体容重(KN/m3)，γ＝ρg；γS为泥石流固体颗粒容重(KN/m3)，γS＝ρSg；γL为泥石流容重(KN/m3)。
本发明所述的基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法，其所述步骤C中确定震区泥石流容重的公式适用于震区泥石流沟的防治工程设计，将得到的泥石流容重作为泥石流防治工程设计的最小泥石流容重参数。
本发明所述的基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法，其所述步骤C中确定震区泥石流容重的公式适用于汶川震区黏粒小于0.05mm含量，泥石流固体颗粒大于2mm级配宽的泥石流沟的泥石流容重预测。
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统计模型的限制，从泥石流颗粒在泥石流体中的受力特征入手，通过泥石流固体颗粒在泥石流体的运移时的静力极限平衡条件构建了沿流向方向和垂直流向方向的受力特征，充分考虑了因为泥石流不同容重所形成的不同粘滞性条件对泥石流颗粒运移影响，因地制宜的反映了汶川震区的低粘粒含量泥石流中的固体颗粒粒径与泥石流容重间的相互关系，计算理论完善，计算结果符合泥石流现场调查，能够为汶川震区泥石流防治工程设计参数提供技术支持，避免因为容重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。
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：①为沟道，②为泥石流体，H为堆积层厚度，h为泥石流流深，vZ为沿流向方向的泥石流流速，dN为固体颗粒所受的支持力，dGdh为泥石流流体颗粒的自重应力，dGi为泥石流固体颗粒的自重应力，dτh为沿流向方向的泥石流单位剪应力。
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。
一种基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法，所述震区的泥石流沟包括沟道①和在沟道上运动的泥石流体②，将震区泥石流的固体颗粒粒径应用于泥石流容重计算，其主要思路是：首先根据震区泥石流固体颗粒在泥石流体中的受力平衡绘制泥石流固体颗粒受力示意图，分析泥石流固体颗粒运动过程中的驱动力条件和阻力条件；然后根据理论力学推导泥石流固体颗粒运动时的泥石流容重；再通过震区已发生泥石流事件的泥石流沟的调查、采样、筛分以及泥石流特征参数的测量等手段确定泥石流流深、沟道坡度、沟道纵比降、泥石流固体颗粒粒径泥石流糙率系数泥石流粘滞系数；将所得参数带入震区泥石流容重计算模型中，得到泥石流容重预测值。
所述震区泥石流容重预测计算方法及步骤如下：
首先，根据震区泥石流固体颗粒在泥石流体中的受力平衡绘制泥石流固体颗粒受力示意图，分析泥石流固体颗粒运动过程中的驱动力条件和阻力条件。假设震区泥石流沟道纵比降为J，沟道坡度为α，泥石流固体颗粒粒径为di，如图1所示，泥石流固体颗粒受到的支持力dfB、固体颗粒自重应力dGS、泥石流体自重应力dGA、泥石流体剪切应力τ公式表示为：
Figure BDA0001354172790000051
式中：dfB为固体颗粒所受的支持力(Pa)，dGS为泥石流流体颗粒的自重应力(Pa)，dGA为泥石流固体颗粒的自重应力(Pa)，τ为流体剪切应力(Pa)，γ为泥石流浆体容重(KN/m3)，γS为泥石流固体颗粒的容重(KN/m3)，VG为泥石流因固体颗粒挤排的体积(mm3)，VG＝VS，VS为泥石流固体颗粒体积(mm3)，h为泥石流流深(m)，J为沟道纵比降(‰)。
然后，根据力学平衡条件，分别分析沿流向(X轴)和沿垂直流向(Z轴)的驱动力条件与阻力条件关系，沿X轴的受力(dfx)和沿Z轴的受力(dfz)公式表示为：
Figure BDA0001354172790000052
式中：dfx表示为沿流向方向的合力(Pa)，dfz表示为沿垂直流向方向的合力(Pa)，dN为固体颗粒所受的支持力(Pa)，dGdh为泥石流流体颗粒的自重应力(Pa)，dGdi为泥石流固体颗粒的自重应力(Pa)，dτh为流体剪切应力(Pa)，h为泥石流流深(m)，α为沟道坡度(°)，J为沟道纵比降(‰)，di为泥石流固体颗粒粒径(mm)，n为泥石流糙率系数，v为泥石流沿流向的流速(m/s)，CL为上升力系数，ρ为泥石流浆体密度(kg/m3)，ρs为泥石流固体颗粒的密度(kg/m3)，g为重力加速度(m/s2)。对位于床面上的单个颗粒，即暴露度最大时而言CL＝0.1，ΔS为泥石流单位横截面积(m2)，dv/dx为沿泥石流流向的加速度(m/s2)；其他符号同前面一致。
泥石流沿流向X轴的加速度dv/dx公式表示为：
Figure BDA0001354172790000061
式中：h为泥石流流深(m)，n为泥石流沟道的糙率系数；其他符号同前面一致。
当驱动力条件等于阻力条件，泥石流固体颗粒处于极限平衡状态，根据静力极限平衡条件，得到泥石流浆体密度公式表示为：
Figure BDA0001354172790000062
式中：di为累积百分含量为i的泥石流固体颗粒粒径(mm)，γS为泥石流固体颗粒容重(KN/m3)，H为泥石流沟道堆积物的堆积厚度(m)，η为泥石流暴发时的野外温度的粘滞系数(Pa·s)，当室外温度为20℃时，η＝1.0042Pa·s，ρ为泥石流浆体的密度(kg/m3)；其他符号同前面一致。
通过以下公式确定震区泥石流容重γL(KN/m3)，
γL＝C(γS-γ)+γ,式中：C＝(ρ-ρW)/(ρS-ρW)
式中：C为泥石流体积浓度(％)，ρw为水体的密度(kg/m3)，ρ为泥石流浆体的密度(kg/m3)，ρS为泥石流固体颗粒的密度(kg/m3)，γ为泥石流浆体容重(KN/m3)，γ＝ρg；γS为泥石流固体颗粒容重(KN/m3)，γS＝ρSg；γL为泥石流容重(KN/m3)；其他符号同前面一致。
其中，所述步骤C中确定震区泥石流容重的公式适用于震区泥石流沟的防治工程设计，将得到的泥石流容重作为泥石流防治工程设计的最小泥石流容重参数。
其中，所述步骤C中确定震区泥石流容重的公式适用于汶川震区黏粒小于0.05mm含量，泥石流固体颗粒大于2mm级配宽的泥石流沟的泥石流容重预测。
以下为本发明的具体实施例：
实施例一：
牛圈沟位于映秀镇南侧，岷江右岸，往上游至映秀新镇约1km。牛圈沟流域形态为扇形，流域纵向长度5.4km，平均宽度2.0km，流域面积10.7km2。流域最高点位于勘查区西侧，高程约2700m，最低点位于牛圈沟汇入岷江河口，高程858.3m，相对高差约1842m。沟道总体上以深切割“V”型谷为主，主沟纵长6124m，相对高差1629m，主沟平均纵坡降266‰。
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，提前获得泥石流暴发时容重，根据泥石流物源级配特征进行有效预测，具体计算方法及步骤如下：
A.根据牛圈沟沟口位置的野外调查、采样和泥石流参数测试，确定了牛圈沟沟口的平均泥深0.7(m)，泥石流纵比降130‰，糙率系数11，固体物质重度26.5(KN/m3)，泥石流固体颗粒粒径d90为0.72m。
B.将A步骤确定的各参数代入下公式，
Figure BDA0001354172790000071
C.将B步骤确定的各参数代入下公式，
γL＝C(γS-γ)+γ,式中：C＝(ρ-ρW)/(ρS-ρW)
D.通过公式计算获取泥石流暴发时的容重为17.91KN/m3，则牛圈沟泥石流防治工程设计的泥石流最小容重参数为17.91KN/m3。
实施例二：
高家沟位于银杏乡北侧，岷江右岸，主沟纵向长3.26km，横向宽1.3km，沟域面积3.79km2，平面形态呈近似扇形，流域相对高差约1807m。高家沟纵坡总体较陡，全沟域平均纵比降523‰。沟域内共发育4条支沟，支沟长度较短，一般长度在0.5～1.6km之间，沟道纵比降较大，多在500‰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，提前获得泥石流暴发时容重，根据泥石流物源级配特征进行有效预测，具体计算方法及步骤如下：
A.根据高家沟口支沟(南天门沟口)位置的野外调查、采样和泥石流参数测试，确定了牛圈沟沟口的平均泥深1m，泥石流纵坡0.62，糙率系数20，固体物质重度26.5(KN/m3)，泥石流固体颗粒粒径d90为1.6m。
B.将A步骤确定的各参数代入下公式，
Figure BDA0001354172790000081
C.将B步骤确定的各参数代入下公式，
γL＝C(γS-γ)+γ,式中：C＝(ρ-ρW)/(ρS-ρW)
D.通过公式计算获取泥石流暴发时的容重为20.1KN/m3，则高家沟口支沟(南天门沟口)泥石流防治工程设计的泥石流最小容重参数为20.1KN/m3。
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 (3)

1.一种基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法，所述震区的泥石流沟包括沟道和在沟道上运动的泥石流体，其特征在于：将震区泥石流的固体颗粒粒径应用于泥石流容重计算，所述震区泥石流容重预测计算方法如下：
A.获取震区泥石流沟的泥石流体流深h，单位m，通过泥石流沟大比例尺测绘得到沟道的沟道坡度α，单位°，沟道纵比降J，单位‰，通过泥石流采样和筛分得到泥石流体固体颗粒粒径di，单位mm，通过泥石流沟床状况确定泥石流体糙率系数n，通过为泥石流暴发时的野外温度确定泥石流体的粘滞系数η，单位Pa·s；
B.首先，根据震区泥石流固体颗粒在泥石流体中的受力平衡绘制泥石流固体颗粒受力示意图，分析泥石流固体颗粒运动过程中的驱动力条件和阻力条件，假设震区泥石流沟道纵比降为J，沟道坡度为α，泥石流体固体颗粒粒径为di，泥石流固体颗粒受到的支持力dfB、固体颗粒自重应力dGS、泥石流体自重应力dGA、泥石流体剪切应力τ公式表示为：
Figure FDA0002388341490000011
式中：dfB为固体颗粒所受的支持力，单位Pa，dGS为泥石流流体颗粒的自重应力，单位Pa，dGA为泥石流固体颗粒的自重应力，单位Pa，τ为流体剪切应力，单位Pa，γ为泥石流浆体容重，单位KN/m3，γS为泥石流固体颗粒容重，单位KN/m3，VG为泥石流因固体颗粒挤排的体积，单位mm3，VG＝VS，VS为泥石流固体颗粒体积，单位mm3，h为泥石流流深，单位m，J为沟道纵比降，单位‰；
然后，根据力学平衡条件，分别分析沿流向，X轴和沿垂直流向，Z轴的驱动力条件与阻力条件关系，沿X轴的受力dfx和沿Z轴的受力dfz公式表示为：
Figure FDA0002388341490000021
式中：dfx表示为沿流向方向的合力，单位Pa，dfz表示为沿垂直流向方向的合力，单位Pa，dN为固体颗粒所受的支持力，单位Pa，dGdh为泥石流流体颗粒的自重应力，单位Pa，dGdi为泥石流固体颗粒的自重应力，单位Pa，dτh为流体剪切应力，单位Pa，h为泥石流体流深，单位m，α为沟道坡度，单位°，J为沟道纵比降，单位‰，di为泥石流体固体颗粒粒径，单位mm，n为泥石流体糙率系数，v为泥石流沿流向的流速，单位m/s，CL为上升力系数，ρ为泥石流浆体密度，单位kg/m3，ρs为泥石流固体颗粒的密度，单位kg/m3，g为重力加速度，单位m/s2；对位于床面上的单个颗粒，即暴露度最大时而言CL＝0.1，ΔS为泥石流单位横截面积，单位m2，dv/dx为沿泥石流流向的加速度，单位m/s2；
泥石流沿流向X轴的加速度dv/dx公式表示为：
Figure FDA0002388341490000022
式中：h为泥石流体流深，单位m，n为泥石流体糙率系数；
当驱动力条件等于阻力条件，泥石流固体颗粒处于极限平衡状态，根据静力极限平衡条件，得到震区泥石流浆体密度ρ，单位kg/m3，公式表示为：
Figure FDA0002388341490000023
式中：di为泥石流体固体颗粒粒径，单位mm，η为泥石流的粘滞系数，单位Pa·s，ρ为泥石流浆体密度，单位kg/m3，g为重力加速度，单位m/s2,h为泥石流流深，单位m,n为泥石流体糙率系数，γS为泥石流固体颗粒容重，单位KN/m3，H为泥石流沟道堆积物的堆积厚度，单位m；
C.通过以下公式确定震区泥石流容重γ，单位KN/m3，
γL＝C(γS-γ)+γ,式中：C＝(ρ-ρW)/(ρS-ρW)
式中：C为泥石流体积浓度，单位％，ρw为水体的密度，单位kg/m3，ρ为泥石流浆体的密度，单位kg/m3，ρS为泥石流固体颗粒的密度，单位kg/m3，γ为泥石流浆体容重，单位KN/m3，γ＝ρg；γS为泥石流固体颗粒容重，单位KN/m3，γS＝ρSg；γL为泥石流容重，单位KN/m3。
2.根据权利要求1所述的基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法，其特征在于：所述步骤C中确定震区泥石流容重的公式适用于震区泥石流沟的防治工程设计，将得到的泥石流容重作为泥石流防治工程设计的最小泥石流容重参数。
3.根据权利要求1所述的基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法，其特征在于：所述步骤C中确定震区泥石流容重的公式适用于汶川震区黏粒小于0.05mm含量，泥石流固体颗粒大于2mm级配宽的泥石流沟的泥石流容重预测。
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