CN107273680A - 一种泥石流最大弯道超高位置计算方法及应用 - Google Patents

一种泥石流最大弯道超高位置计算方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种泥石流最大弯道超高位置计算方法及应用，属于泥石流防治工程技术领域，包括以下步骤：a、获取泥石流发生地的泥石流平均流速V，现场测量泥石流发生地的泥石流沟道宽度B；b、现场测量泥石流发生地的泥石流弯道中心曲率半径R；c、测量计算泥石流屈服应力τ；d、测量计算泥石流密度p；根据式1计算泥石流弯道最大超高位置θ。本发明遵循量纲和谐原理，能够提供一个准确计算泥石流在不同弯道不同速度下的最大弯道超高位置的模型，能够为泥石流防御措施提供更好的理论数据参考，进而能够有效防止人员伤亡和财产损失，对于泥石流减灾具有更高的防灾适用性，极大的提高了泥石流的防治效果。

Description

一种泥石流最大弯道超高位置计算方法及应用
技术领域
本发明涉及到泥石流防治工程技术领域，尤其涉及一种泥石流最大弯道超高位置计算方法及应用。
背景技术
泥石流是暴雨、洪水将含有沙石且松软的土质山体经饱和稀释后形成的洪流，它的面积、体积和流量都较大，而滑坡是经稀释土质山体小面积的区域，典型的泥石流由悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘土的粘稠泥浆组成。
在适当的地形条件下，大量的水体浸透流水山坡或沟床中的固体堆积物质，使其稳定性降低，饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动，就形成了泥石流。泥石流是一种灾害性的地质现象。通常泥石流爆发突然、来势凶猛，可携带巨大的石块。因其高速前进，具有强大的能量，因而破坏性极大。在泥石流运动过程中，由于泥石流速度较快，惯性大，因此在弯道凹处有比水流更加显著的弯道超高现象。泥石流在弯道处运动时，由于凹岸流速较凸岸大，导致凹岸的泥深较凸岸的深，结果形成一种超高现象。
弯道超高并不总是处于超高状态，而是在进入弯道时，逐渐超高，达到最大超高后，再逐渐减小，在出弯道后恢复到弯道前的状态，因此存在一个最大的弯道超高，同时，也存在一个最大弯道超高的位置。当弯道沟岸有足够的超高时，泥石流可能会有强烈的冲刷作用或强烈淤埋作用，破坏弯道上的防护建筑物及弯道附近的建筑物。
目前国内外还没有关于泥石流弯道最大超高位置的研究，主要是关于清水弯道最大超高位置的研究。主要有：
1、罗锁福斯基经过实验得出：水流仅在经过弯段时水面形成横比降，最大横比降发生于弯道中点的稍上游，继而比降逐渐减小(罗锁福斯基，尹学良译，弯道水流的研究，泥沙研究，1958.1)。
2、刘焕芳通过实验研究，得到了弯道自由水面超高在进口直段、弯道段和出口直段的沿程分布计算公式，据其公式，清水弯道超高最大位置恒为弯道中心位置(刘焕芳，弯道自由水面形状的研究，水利学报，1990.4)。
公开号为CN 104652370A，公开日为2015年05月27日的中国专利文献公开了一种偏心荷载作用下泥石流拦挡坝设计的优化方法，该方法利用室内试验和野外调查相结合的方法确定泥石流重度γc，根据泥石流拦挡坝的设防标准计算拟建拦挡坝断面泥石流洪峰流量Qc和过流断面A，由弯道形态确定拟建拦挡坝所在区域沟谷的曲率半径R，根据泥石流在流经弯道处角速度ω相等和设防泥石流峰值流量Qc计算断面上的流速横向分布，得到泥石流在流经拟建拦挡坝上的冲击力σ、弯道超高Δh，根据泥石流运动特征和参数、地基条件、技术性确定拦挡坝设计方案。
该专利文献公开的偏心荷载作用下泥石流拦挡坝设计的优化方法，通过泥石流在流经弯道处角速度ω相等和设防泥石流峰值流量Qc计算断面上的流速横向分布，实质是假定近似的采用断面平均流速来替代纵向流速，与实际并不相符，得到泥石流的弯道超高值不准确；不能够提供一个准确计算泥石流在不同弯道不同速度下的最大弯道超高位置的模型，不能有效的为泥石流拦挡坝设计提供科学的数据参考，影响泥石流防治工程的防治效果。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种泥石流最大弯道超高位置计算方法及应用，本发明遵循量纲和谐原理，能够提供一个准确计算泥石流在不同弯道不同速度下的最大弯道超高位置的模型，能够为泥石流防御措施提供更好的理论数据参考，进而能够有效防止人员伤亡和财产损失，对于泥石流减灾具有更高的防灾适用性，极大的提高了泥石流的防治效果。
本发明通过下述技术方案实现：
一种泥石流最大弯道超高位置计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、获取泥石流发生地的泥石流平均流速V，单位m/s，现场测量泥石流发生地的泥石流沟道宽度B，单位m；
b、现场测量泥石流发生地的泥石流弯道中心曲率半径R，单位m；
c、测量计算泥石流屈服应力τ，单位Pa；
d、测量计算泥石流密度p，单位kg/m3；根据式1计算泥石流弯道最大超高位置θ，单位度；
本发明，适用于泥石流在不同弯道不同速度下的最大弯道超高位置的计算。
本发明，适用于道路桥梁工程建设。
本发明，适用于不同屈服应力泥石流在不同弯道处不同速度情况下可能产生的最大超高位置的计算。
本发明的原理如下：
泥石流的弯道最大超高常常造成泥石流治理工程失效，或泥石流冲出沟道造成危害。弯道最大超高的计算对泥石流的危险性评估和泥石流防治工程都非常重要。弯道超高并不总是处于超高状态，而是在进入弯道时，逐渐超高，达到最大超高后，再逐渐减小，在出弯道后恢复到弯道前的状态，因此存在一个最大的弯道超高，同时，也存在一个最大弯道超高的位置。
泥石流运动速度对弯道超高的影响：泥石流运动速度越大，泥石流动能越大，在弯道处的超高越大。
泥石流运动的沟道宽度对弯道超高的影响：泥石流运动的沟道宽度越大，弯道断面超高的积累越多，在弯道断面的超高越大。
泥石流运动的弯道曲率半径对弯道超高的影响：泥石流运动的弯道曲率半径越小，维持弯道运动的向心力越大，需要在弯道处的超高越多，在弯道处的超高越大；反之，超高越小。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
一、本发明，“a、获取泥石流发生地的泥石流平均流速V，单位m/s，现场测量泥石流发生地的泥石流沟道宽度B，单位m；b、现场测量泥石流发生地的泥石流弯道中心曲率半径R，单位m；c、测量计算泥石流屈服应力τ，单位Pa；d、测量计算泥石流密度p，单位kg/m3；根据式1计算泥石流弯道最大超高位置θ，单位度；”作为一个完整的技术方案，本发明遵循量纲和谐原理，能够提供一个准确计算泥石流在不同弯道不同速度下的最大弯道超高位置的模型，能够为泥石流防御措施提供更好的理论数据参考，进而能够有效防止人员伤亡和财产损失，对于泥石流减灾具有更高的防灾适用性，极大的提高了泥石流的防治效果。
二、本发明，适用于泥石流在不同弯道不同速度下的最大弯道超高位置的计算，适用于野外大尺度的实际计算，对于泥石流减灾具有更高的防灾适用性。
三、本发明，适用于道路桥梁工程建设，通过准确计算泥石流最大弯道超高位置，能够为道路桥梁工程提供重要数据参考，既保障了泥石流防治效果，又能够在一定程度上节省工程材料，降低工程造价。
四、本发明，适用于不同屈服应力泥石流在不同弯道处不同速度情况下可能产生的最大超高位置的计算，充分考虑了泥石流本身性质对超高的影响，能够根据计算得到的最大超高位置有针对性的设计防御措施，进而能够有效防止人员伤亡和财产损失。
具体实施方式
实施例1
一种泥石流最大弯道超高位置计算方法，包括以下步骤：
a、获取泥石流发生地的泥石流平均流速V，单位m/s，现场测量泥石流发生地的泥石流沟道宽度B，单位m；
b、现场测量泥石流发生地的泥石流弯道中心曲率半径R，单位m；
c、测量计算泥石流屈服应力τ，单位Pa；
d、测量计算泥石流密度p，单位kg/m3；根据式1计算泥石流弯道最大超高位置θ，单位度；
本发明，“a、获取泥石流发生地的泥石流平均流速V，单位m/s，现场测量泥石流发生地的泥石流沟道宽度B，单位m；b、现场测量泥石流发生地的泥石流弯道中心曲率半径R，单位m；c、测量计算泥石流屈服应力τ，单位Pa；d、测量计算泥石流密度p，单位kg/m3；根据式1计算泥石流弯道最大超高位置θ，单位度；”作为一个完整的技术方案，本发明遵循量纲和谐原理，能够提供一个准确计算泥石流在不同弯道不同速度下的最大弯道超高位置的模型，能够为泥石流防御措施提供更好的理论数据参考，进而能够有效防止人员伤亡和财产损失，对于泥石流减灾具有更高的防灾适用性，极大的提高了泥石流的防治效果。
实施例2
一种泥石流最大弯道超高位置计算方法，包括以下步骤：
a、获取泥石流发生地的泥石流平均流速V，单位m/s，现场测量泥石流发生地的泥石流沟道宽度B，单位m；
b、现场测量泥石流发生地的泥石流弯道中心曲率半径R，单位m；
c、测量计算泥石流屈服应力τ，单位Pa；
d、测量计算泥石流密度p，单位kg/m3；根据式1计算泥石流弯道最大超高位置θ，单位度；
本发明，适用于泥石流在不同弯道不同速度下的最大弯道超高位置的计算。
进一步的，适用于野外大尺度的实际计算，对于泥石流减灾具有更高的防灾适用性。
实施例3
一种泥石流最大弯道超高位置计算方法，包括以下步骤：
a、获取泥石流发生地的泥石流平均流速V，单位m/s，现场测量泥石流发生地的泥石流沟道宽度B，单位m；
b、现场测量泥石流发生地的泥石流弯道中心曲率半径R，单位m；
c、测量计算泥石流屈服应力τ，单位Pa；
d、测量计算泥石流密度p，单位kg/m3；根据式1计算泥石流弯道最大超高位置θ，单位度；
本发明，适用于道路桥梁工程建设。
适用于道路桥梁工程建设，通过准确计算泥石流最大弯道超高位置，能够为道路桥梁工程提供重要数据参考，既保障了泥石流防治效果，又能够在一定程度上节省工程材料，降低工程造价。
实施例4
一种泥石流最大弯道超高位置计算方法，包括以下步骤：
a、获取泥石流发生地的泥石流平均流速V，单位m/s，现场测量泥石流发生地的泥石流沟道宽度B，单位m；
b、现场测量泥石流发生地的泥石流弯道中心曲率半径R，单位m；
c、测量计算泥石流屈服应力τ，单位Pa；
d、测量计算泥石流密度p，单位kg/m3；根据式1计算泥石流弯道最大超高位置θ，单位度；
进一步的，适用于不同屈服应力泥石流在不同弯道处不同速度情况下可能产生的最大超高位置的计算。
适用于不同屈服应力泥石流在不同弯道处不同速度情况下可能产生的最大超高位置的计算，充分考虑了泥石流本身性质对超高的影响，能够根据计算得到的最大超高位置有针对性的设计防御措施，进而能够有效防止人员伤亡和财产损失。
采用本发明分别对大渡河支流田湾河、利子依达沟泥石流、舟曲泥石流进行检测：
1、大渡河支流田湾河地处青藏高原边缘的大雪山南麓，四川省雅安市石棉县草科藏族乡位于田湾河中游。
田湾河支流中堡沟于2012年8月14日爆发泥石流，3间房屋损毁。2013年7月14日再次爆发泥石流，规模较小，无伤亡。2014年7月9日爆发泥石流，因泥石流爆发前十天修建排导槽，危害较小。
排导槽内堆积物主要为2014年7月9日泥石流爆发所留。经现场测量，沟道宽度为22.5m，曲率半径为23m，泥石流密度为2080kg/m3，泥石流屈服应力为8000pa，超高3.6m，最大弯道超高位置40°。
经公式计算，最大弯道超高位置为38.5°，与实际调查相近。
2、利子依达沟泥石流弯道超高：1981年7月9日凌晨1时30分成昆线，位于沟道弯曲处的利子依达桥，在该处暴发特大规模泥石流,冲毁利子依达大桥，堵塞大渡河，并造成一列开往成都的列车车头和前几节车厢翻入大渡河，此次泥石流共造成400多人死伤，成昆铁路瘫痪372h，直接经济损失达2000多万元，是世界铁路史上有史以来由泥石流导致的最严重的列车事故。
利子依达沟位于四川省甘洛县大桥乡乃乃堡村，系大渡河的一条支沟，乌斯河附近。沟口坐标：E102°53′39″，N29°12′45.6″，利子依达沟流域面积：24.9km2，主沟长：7.9km，沟顶海拔3200m，沟口海拔670m，相对高差2530m。沟床平均纵比降180‰。形成区内沟床纵比降在300‰以上，两岸山坡坡度为50°至70°，两岸岸坡陡峻，流域内有三条支沟，沟长2km至4km，支沟下切深度较浅。流通区沟床纵比降在100‰以上，两岸山坡坡度为40°至70°。流域呈V字形峡谷，下切较深。利子依达沟海拔高差较大，沟床纵比降大，流域面积大，中上游支沟发育，岸坡陡峭，有利于降水汇集。(陈俊虎,丁玉寿.1982.成昆线利子依达泥石流[J].铁道建筑,12:14-18.)。
在沟口桥址上游500米处有一S形弯卡口，S形弯卡口以下为半径R＝160m的弯道，沟道宽B＝45m，主流高度集中于凹岸(成都方向岸)，正对着成都端桥台和第一孔，弯道超高约4.8-5.1米(陈俊虎,丁玉寿.1982.成昆线利子依达泥石流[J].铁道建筑,12:14-18.)。泥石流密度ρ＝2350kg/m3，泥石流屈服应力τ＝15000Pa。成都端方位角在NEE60°，而泥石流入弯方向方位角为NE90°，据此推测最大超高位置为弯道中心角30°附近。经本发明公式计算，最大弯道超高位置为31.1°，与实际调查相近。
3、舟曲特大泥石流大峪沟泥石流弯道超高：2010年8月7日晚23时许，甘肃舟曲爆发特大规模泥石流，共造成1481人遇难，284人失踪，1824人受伤(截至2010年9月7日)，给当地群众造成了巨大生命财产损失，为其生产生活造成了巨大困难。舟曲特大泥石流由三眼峪沟和罗家峪沟两个流域组成，两流域均为白龙江左岸一级支流，流域整体呈南北向展布，地势北高南低，呈漏斗状。大峪沟和小峪沟构成“Y”字形。三眼峪流域面积25km2，主沟长9.7km，最高点海拔3828m，最低点海拔1320m，高差2508m，大峪沟上游平均纵比降235‰，小峪沟上游平均纵比降258‰，三眼峪沟中游平均纵比降144‰，下游平均纵比降88‰，整个流域内冲沟发育，且纵比降较大，有利于汇水。
王群敏(2011.舟曲特大泥石流的冲击作用及其防治对策[D].兰州:兰州大学)于大峪沟与小峪沟交汇处往大峪沟上游方向约0.4km处调查了弯道超高，断面位置坐标：E104°22′36.1″，N33°48′23.8″，凸岸至凹岸断面观测方位角SSW197°。而根据谷歌影像测量泥石流入弯方位角为SSE170°。根据舟曲1：50000地形图量出该断面所处的弯道曲率半径，其中中心线曲率半径为84.5m，据其断面剖面图测量，沟道宽B＝60米，弯道超高h＝13.9m，最大超高位置为弯道中心角27°附近。余斌等(2010.甘肃省舟曲8.7特大泥石流调查研究[J].工程地质学报18(4):437-444)计算大峪沟泥石流密度ρ＝2190kg/m3，泥石流流速V＝10.52m/s，泥石流屈服应力τ＝7900Pa，经本发明公式计算的最大弯道超高位置为32.2°，与实际调查相近。

Claims (4)

1.一种泥石流最大弯道超高位置计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、获取泥石流发生地的泥石流平均流速V，单位m/s，现场测量泥石流发生地的泥石流沟道宽度B，单位m；
b、现场测量泥石流发生地的泥石流弯道中心曲率半径R，单位m；
c、测量计算泥石流屈服应力τ，单位Pa；
d、测量计算泥石流密度p，单位kg/m3；根据式1计算泥石流弯道最大超高位置θ，单位度；
2.根据权利要求1所述的一种泥石流最大弯道超高位置计算方法的应用，其特征在于：适用于泥石流在不同弯道不同速度下的最大弯道超高位置的计算。
3.根据权利要求1所述的一种泥石流最大弯道超高位置计算方法的应用，其特征在于：适用于道路桥梁工程建设。
4.根据权利要求1所述的一种泥石流最大弯道超高位置计算方法的应用，其特征在于：适用于不同屈服应力泥石流在不同弯道处不同速度情况下可能产生的最大超高位置的计算。
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