CN107220513B - 一种计算泥石流平均流速的方法及其应用 - Google Patents

一种计算泥石流平均流速的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计算泥石流平均流速的方法及其应用，属于泥石流防治工程领域，其特征在于，包括以下步骤：a、现场调查确定泥石流屈服应力τ0；b、现场测量泥石流容重ρ；c、现场测量泥石流流深h；d、通过式1计算无量纲化的屈服应力τ；e、现场测量泥石流的表面速度Vs；f、现场测量泥石流运动的底床粗糙率n；g、通过式2计算泥石流平均流速Vm。本发明充分考虑了泥石流运动的底床粗糙率、流深与泥石流性质，通过无量纲化将尺寸效应消除，利于推演到实际发生的泥石流中，具有计算方便、计算准确度高的特点，适用于野外大尺度的实际计算，能够为泥石流评估与防治提供关键的参考依据。

Description

一种计算泥石流平均流速的方法及其应用
技术领域
本发明涉及到泥石流防治工程领域，尤其涉及一种计算泥石流平均流速的方法及其应用。
背景技术
泥石流的运动速度是泥石流的最重要的参数之一，是评估泥石流和防治泥石流灾害的重要参数。泥石流的运动速度一般包括泥石流的平均流速和表面速度。泥石流的平均流速是代表泥石流速度的主要特征速度，评估和防治泥石流的两个重要参数之一的泥石流峰值流量，就是从泥石流的平均流速计算得来的。但野外条件很难观测到泥石流的平均流速；相反的，泥石流运动的表面速度往往比较容易观测测量，获得表面速度值。如果能通过泥石流表面速度，以及表面速度与平均流速的关系获得泥石流平均流速，也能满足泥石流的评估和防治中的要求，从而解决问题泥石流的评估和防治问题。
目前国内外学者对泥石流的平均流速与表面流速的关系研究相对较少且以流速垂向分布规律为主，由Bagnold的膨胀体模型得出的水石流平均流速与表面流速的关系有：Vm/Vs＝0.6(Vm为水石流的平均流速，Vs为水石流的表面流速，费祥俊，舒安平，泥石流运动机理与灾害防治，清华大学出版社，2004，104-108)；宏观粘性模型的平均流速与表面流速的关系有：Vm/Vs＝0.67(费祥俊，舒安平，泥石流运动机理与灾害防治，清华大学出版社，2004，104-108)；由Bingham模型得到的接近于粘性泥石流的粘塑性模型的平均流速与表面流速的关系有：Vm/Vs＝0.67(无流核)-1(全部为流核)(仅适用于层流运动，费祥俊，舒安平，泥石流运动机理与灾害防治，清华大学出版社，2004，104-108)；由固体颗粒摩擦与碰撞混合模型的平均流速与表面流速的关系有：Vm/Vs＝0.6(无流核)-1(全部为流核)，(费祥俊，舒安平，泥石流运动机理与灾害防治，清华大学出版社，2004，104-108)。由此可见泥石流的平均流速与表面流速的关系比较复杂，不仅范围很大，从0.6到1；而且随泥石流的性质不同，差别也很大。此外，这些研究中没有直接考虑泥石流的底部粗糙率、流深及泥石流性质这3个关键因素，仅从泥石流运动的机理上可以看出这3个因素的作用：底部粗糙率越大，底部速度越小，底部速度的影响区越大，平均流速与表面流速的比值越小；泥石流流深越大，底部较小速度的影响范围相对越小，平均流速与表面流速的比值越大；泥石流性质的影响主要体现在泥石流的底部阻力：从清水到稀性泥石流，再到粘性泥石流，粘滞阻力随粘性的增加逐渐增大，底部阻力也逐渐增大，底部速度也逐渐变小，平均流速与表面流速的比值逐渐减小。
公开号为CN 104794362A，公开日为2015年07月22日的中国专利文献公开了一种泥石流断面平均流速的测算方法及应用，所述测算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、和泥石流粘滞系数等参数，将获取的参数代入泥石流断面平均流速计算公式，从而获得较为准确的泥石流断面平均流速。
该专利文献公开的泥石流断面平均流速的测算方法及应用，综合考虑了泥石流沟道或排导槽形状变化引起的外部糙率变化和泥石流流体性质产生的内部糙率，能够合理确定泥石流断面平均流速，但是，整个测算方法涉及到的参数较多，测算难度较大，不适用于野外大尺度的实际计算。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种计算泥石流平均流速的方法及其应用，本发明充分考虑了泥石流运动的底部粗糙率、流深与泥石流性质，通过无量纲化将尺寸效应消除，利于推演到实际发生的泥石流中，具有计算方便、计算准确度高的特点，适用于野外大尺度的实际计算，能够为泥石流评估与防治提供关键的参考依据。
本发明通过下述技术方案实现：
一种计算泥石流平均流速的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、现场调查确定泥石流屈服应力τ0，单位Pa；
b、现场测量泥石流容重ρ，单位kg/m3；
c、现场测量泥石流流深h，单位m；
d、通过式1计算无量纲化的屈服应力τ；
τ＝τ0/(ρgh) (式1)
其中，g为重力加速度，g＝9.8m/s2；
e、现场测量泥石流的表面速度Vs，单位m/s；
f、现场测量泥石流运动的底床粗糙率n；
g、通过式2计算泥石流的平均流速Vm，单位m/s；
Vm/Vs＝(18.63n2-3.53n+0.6)τ-0.07 (式2)。
所述步骤f中，泥石流运动的底床粗糙率n的取值范围为0.02-0.09。
本发明适用于稀性泥石流和粘性泥石流的平均流速计算。
本发明适用于不同屈服应力泥石流的平均流速计算。
本发明的基本原理如下：
泥石流的速度是泥石流评估与防治中最重要的参数之一。往往采用泥石流的平均流速作为特征量，作为泥石流评估与泥石流防治的重要依据。
泥石流的平均流速很难测量，但是泥石流的表面速度能比较容易地测量到。如果能测量泥石流的表面速度，同时有表面速度计算平均流速的方法，就可以得到泥石流的平均流速，可以为泥石流的评估与防治提供重要的依据。
泥石流的平均流速与表面速度之间的关系，受泥石流运动底床的粗糙率和泥石流性质的影响：泥石流运动底床的粗糙率越大，泥石流的下部速度越小，泥石流的平均流速越小，平均流速与表面速度之比越小。
无量纲化的泥石流屈服应力(泥石流屈服应力与泥石流容重、重力加速度、泥石流水深之比)可以表达泥石流的粘性性质：泥石流的屈服应力与泥石流容重越大，泥石流的粘性越强，泥石流的内部阻力越大，泥石流的平均流速与表面速度之比越小；但是泥石流的屈服应力的变化远大于泥石流的容重变化，因此泥石流的屈服应力与泥石流的容重之比越大，泥石流的粘性越强，泥石流的内部阻力越大，泥石流的平均流速与表面速度之比越小；泥石流运动水深越大，泥石流下部受底床粗糙率的影响范围相对越小，平均流速与表面速度之比越大。综合分析可以得出：无量纲化的泥石流屈服应力越大，泥石流的平均流速与表面速度之比越小。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
一、本发明，“a、现场调查确定泥石流屈服应力τ0；b、现场测量泥石流容重ρ；c、现场测量泥石流流深h；d、通过式1计算无量纲化的屈服应力τ；e、现场测量泥石流的表面速度Vs；f、现场测量泥石流运动的底床粗糙率n；g、通过式2计算泥石流平均流速Vm”，作为一个完整的技术方案，本发明充分考虑了泥石流运动的底床粗糙率、流深与泥石流性质，通过无量纲化将尺寸效应消除，利于推演到实际发生的泥石流中，具有计算方便、计算准确度高的特点，适用于野外大尺度的实际计算，能够为泥石流评估与防治提供关键的参考依据。
二、本发明，将泥石流运动的底床粗糙率、流深与泥石流性质综合起来考虑得出的计算式，对于使用者更加方便，普适性好。
三、本发明，以泥石流的流深、泥石流屈服应力和容重、底床糙率等为基本参数，通过实验研究得出泥石流平均流速与表面流速关系，对于泥石流防治及将来的理论研究有更好的指导作用，具有更高的防灾适用性。
具体实施方式
实施例1
一种计算泥石流平均流速的方法，包括以下步骤：
a、现场调查确定泥石流屈服应力τ0，单位Pa；
b、现场测量泥石流容重ρ，单位kg/m3；
c、现场测量泥石流流深h，单位m；
d、通过式1计算无量纲化的屈服应力τ；
τ＝τ0/(ρgh) (式1)
其中，g为重力加速度，g＝9.8m/s2；
e、现场测量泥石流的表面速度Vs，单位m/s；
f、现场测量泥石流运动的底床粗糙率n；
g、通过式2计算泥石流的平均流速Vm，单位m/s；
Vm/Vs＝(18.63n2-3.53n+0.6)τ-0.07 (式2)。
“a、现场调查确定泥石流屈服应力τ0；b、现场测量泥石流容重ρ；c、现场测量泥石流流深h；d、通过式1计算无量纲化的屈服应力τ；e、现场测量泥石流的表面速度Vs；f、现场测量泥石流运动的底床粗糙率n；g、通过式2计算泥石流平均流速Vm”，作为一个完整的技术方案，本发明充分考虑了泥石流运动的底床粗糙率、流深与泥石流性质，通过无量纲化将尺寸效应消除，利于推演到实际发生的泥石流中，具有计算方便、计算准确度高的特点，适用于野外大尺度的实际计算，能够为泥石流评估与防治提供关键的参考依据。
实施例2
一种计算泥石流平均流速的方法，包括以下步骤：
a、现场调查确定泥石流屈服应力τ0，单位Pa；
b、现场测量泥石流容重ρ，单位kg/m3；
c、现场测量泥石流流深h，单位m；
d、通过式1计算无量纲化的屈服应力τ；
τ＝τ0/(ρgh) (式1)
其中，g为重力加速度，g＝9.8m/s2；
e、现场测量泥石流的表面速度Vs，单位m/s；
f、现场测量泥石流运动的底床粗糙率n；
g、通过式2计算泥石流的平均流速Vm，单位m/s；
Vm/Vs＝(18.63n2-3.53n+0.6)τ-0.07 (式2)。
所述步骤f中，泥石流运动的底床粗糙率n的取值范围为0.02。
实施例3
一种计算泥石流平均流速的方法，包括以下步骤：
a、现场调查确定泥石流屈服应力τ0，单位Pa；
b、现场测量泥石流容重ρ，单位kg/m3；
c、现场测量泥石流流深h，单位m；
d、通过式1计算无量纲化的屈服应力τ；
τ＝τ0/(ρgh) (式1)
其中，g为重力加速度，g＝9.8m/s2；
e、现场测量泥石流的表面速度Vs，单位m/s；
f、现场测量泥石流运动的底床粗糙率n；
g、通过式2计算泥石流的平均流速Vm，单位m/s；
Vm/Vs＝(18.63n2-3.53n+0.6)τ-0.07 (式2)。
所述步骤f中，泥石流运动的底床粗糙率n的取值范围为0.04。
将泥石流运动的底床粗糙率、流深与泥石流性质综合起来考虑得出的计算式，对于使用者更加方便，普适性好。
实施例4
一种计算泥石流平均流速的方法，包括以下步骤：
a、现场调查确定泥石流屈服应力τ0，单位Pa；
b、现场测量泥石流容重ρ，单位kg/m3；
c、现场测量泥石流流深h，单位m；
d、通过式1计算无量纲化的屈服应力τ；
τ＝τ0/(ρgh) (式1)
其中，g为重力加速度，g＝9.8m/s2；
e、现场测量泥石流的表面速度Vs，单位m/s；
f、现场测量泥石流运动的底床粗糙率n；
g、通过式2计算泥石流的平均流速Vm，单位m/s；
Vm/Vs＝(18.63n2-3.53n+0.6)τ-0.07 (式2)。
所述步骤f中，泥石流运动的底床粗糙率n的取值范围为0.09。
本发明适用于稀性泥石流和粘性泥石流的平均流速计算。
本发明适用于不同屈服应力泥石流的平均流速计算。
以泥石流的流深、泥石流屈服应力和容重、底床糙率等为基本参数，通过实验研究得出泥石流平均流速与表面流速关系，对于泥石流防治及将来的理论研究有更好的指导作用，具有更高的防灾适用性。
本发明用于泥石流水槽验证，泥石流平均流速与表面流速关系试验数据参见表1。
Figure GDA0002583820090000061
表1
通过表1可以看出，公式2在泥石流试验的验证中与实测数据吻合度很好，最大误差为-7.8％(仅1个，占6.25％)，其余误差在4.92％(绝对值)以下。故该泥石流平均流速与表面流速比值的计算公式可靠度高，计算准确性好。

Claims (3)

1.一种计算泥石流平均流速的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、现场调查确定泥石流屈服应力τ0，单位Pa；
b、现场测量泥石流容重ρ，单位kg/m3；
c、现场测量泥石流流深h，单位m；
d、通过式1计算无量纲化的屈服应力τ；
τ＝τ0/(ρgh) (式1)
其中，g为重力加速度，g＝9.8m/s2；
e、现场测量泥石流的表面速度Vs，单位m/s；
f、现场测量泥石流运动的底床粗糙率n；
g、通过式2计算泥石流的平均流速Vm，单位m/s；
Vm/Vs＝(18.63n2-3.53n+0.6)τ-0.07 (式2)。
2.根据权利要求1所述的一种计算泥石流平均流速的方法，其特征在于：所述步骤f中，泥石流运动的底床粗糙率n的取值范围为0.02-0.09。
3.根据权利要求1所述的一种计算泥石流平均流速的方法的应用，其特征在于：适用于不同屈服应力泥石流的平均流速计算。
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