CN107330565B - 一种饱水状态下沟道堆积体破坏角的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种饱水状态下沟道堆积体破坏角的预测方法，该方法通过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，确定泥石流沟的堆积物容重γ_S，堆积物厚度h，堆积物饱和内摩擦角θ，堆积物的孔隙度ε，任意堆积物厚度△h，沟床坡度α；将所得到的参数代入计算公式以确定震区泥石流的沟道堆积物在饱水状态下的破坏角。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泥石流沟道堆积物在降雨饱水状态下的破坏角，为震区灾后重建中的泥石流防治提供理论依据，计算结果精度高，符合实际工程需要。

Description

一种饱水状态下沟道堆积体破坏角的预测方法

技术领域

本发明属于泥石流防治技术领域，特别涉及一种用于震区泥石流沟道堆积物在一次降雨事件中稳定性预测的饱水状态下沟道堆积体破坏角的预测方法。

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，而控制泥石流起动机制的内因主要为泥石流物源内摩擦角、破坏角以及内聚力等，控制泥石流起动机制的外因主要为物源饱水液化、孔隙水压、地下渗流以及地表径流冲蚀等。为了保证汶川震区经济的可持续发展，研究震区泥石流沟道堆积物破坏角对泥石流防治尤为重要。

泥石流沟道堆积物破坏角是泥石流沟道堆积物稳定性研究的重要参数，也是泥石流防治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。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。

泥石流沟道堆积物饱水状态下的破坏角反映了泥石流的流体堆积物在降雨条件下的稳定性，不同的破坏角反映了泥石流堆积物的物理性质、堆积物内部受力条件、以及与泥石流暴发的降雨条件等，现行的泥石流堆积物的破坏角主要是根据经验和物理实验。汶川震区泥石流沟道堆积物主要为松散的岩土体颗粒，黏粒含量极低，堆积体内部孔隙度大，使得泥石流沟道堆积体破坏角的经验值在震区不适用，使得泥石流沟道堆积物的稳定性评价和泥石流防治设计出现误差，不能满足震区泥石流防治的需要。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种饱水状态下泥石流沟道堆积物破坏角的预测方法，解决强震区泥石流沟道堆积物在饱水状态下内摩擦角等与堆积物破坏角间的关系，构建基于泥石流沟道堆积物内摩擦角、孔隙度的泥石流沟道堆积物破坏角预测模型，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：一种饱水状态下沟道堆积体破坏角的预测方法，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：将震区泥石流的孔隙度应用于泥石流堆积物破坏计算，震区泥石流堆积物破坏预测计算方法如下：

A.通过获取震区泥石流沟的参数，确定泥石流堆积物堆积厚度h(m)，通过泥石流沟大比例尺测绘得到沟道的沟道坡度α(°)，通过泥石流采样和测量泥石流堆积物容重γ_S(KN/m³)，泥石流沟道堆积物的孔隙度ε(％)，泥石流沟道堆积物的内摩擦角θ(°)；；

B.通过以下公式确定震区泥石流的沟道堆积物在饱水状态下的破坏角tanα₀，

tanα₀＝tanθ(γ_S-γ_W)(1-ε)/[γ_S(1-ε)+γ_Wε]

式中，γ_S为泥石流沟道堆积物容重(KN/m³)，γ_W为水的容重(KN/m³)，ε为泥石流沟道堆积物的孔隙度(％)，θ为泥石流堆积物的饱和内摩擦角(°)，α₀为泥石流沟道堆积物饱水状态下的破坏角(°)。

本发明所述的饱水状态下沟道堆积体破坏角的预测方法，其所述步骤B中确定震区泥石流的沟道堆积物在饱水状态下的破坏角的公式适用于震区泥石流沟的防治工程设计，将得到的泥石流堆积物破坏角作为泥石流堆积物稳定性研究和防治参数。

本发明所述的饱水状态下沟道堆积体破坏角的预测方法，其所述步骤B中确定震区泥石流的沟道堆积物在饱水状态下的破坏角的公式适用于汶川震区黏粒小于0.05mm含量的泥石流沟道堆积物的破坏角预测。

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值的限制，从泥石流沟道堆积物的受力特征入手，通过泥石流沟道堆积物在破坏过程中的静力极限平衡条件构建了堆积物的受力特征，充分考虑了因为泥石流堆积物的不同内摩擦角和不同孔隙度所形成的不同破坏角，因地制宜的反映了汶川震区的低粘粒含量泥石流中的内摩擦角和孔隙度与泥石流破坏角间的相互关系，计算理论完善，计算结果符合泥石流现场调查，能够为震区泥石流沟道堆积物稳定性研究和泥石流防治设计提供技术支持，避免因为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：△h为饱水堆积物任意厚度，△L为堆积物任意堆积长度，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，α₀为沟道堆积物破坏角度，dp为堆积物所受的动水压力，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，dτ_f为堆积物所受抗剪强度。

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仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

一种饱水状态下沟道堆积体破坏角的预测方法，震区泥石流沟包括沟道和在沟道上的泥石流堆积物，将震区泥石流的孔隙度应用于泥石流堆积物破坏计算，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沟道堆积物在饱水状态下的受力示意图，分析泥石流堆积物破坏时受力条件；然后根据理论力学推导泥石流沟道堆积物破坏时的破坏角；再通过震区已发生泥石流事件的泥石流沟的调查、采样、测容重以及泥石流特征参数的测量等手段确定泥石流沟道堆积物堆积厚度、沟道坡度、泥石流堆积物容重、堆积物孔隙度；将所得参数带入震区泥石流沟道堆积物破坏角计算模型中，得到泥石流堆积物在降雨条件下破坏时的破坏角预测值。

震区泥石流堆积物破坏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坡度为α，泥石流沟道堆积物厚度为h，任意饱和堆积物厚度为△h，如图1所示，泥石流沟道堆积物起动时，堆积物在饱水状态受到自身自重应力、支持应力。降雨条件下从物理性质、力学平衡等方面改变泥石流物源原有的受力特征，泥石流物源内部应力条件、渗透系数、孔隙比等将直接作用于堆积体的含水量，其中沟道堆积物的动力(τ₀)阻力(σ₀)公式表示为：

式中，γ_S为泥石流沟道堆积物容重(KN/m³)，γ_W为水的容重(KN/m³)，△h为任意饱水堆积物厚度(m)，h为堆积厚度(m)，θ为泥石流堆积物的饱水内摩擦角(°)，震区内取θ介于35°～45°之间，ε为堆积物的孔隙度(％)，α₀为泥石流沟道堆积物堆积物饱水状态下的破坏角(°)。

然后，沟道堆积物的稳定性主要靠抗剪强度τ_f和剪应力τ维持滑坡堆积体沟道堆积物的平衡关系。泥石流物源在天然自由状态下时处于平衡状态，其初始内应力τ₀大于其极限剪切状态下的剪应力τ_f，即τ₀＞τ_f。由于泥石流物源黏粒含量低，即其内聚力c≈0，泥石流沟道堆积物的抗剪强度公式表示为：

τ_f＝[gΔh(γ_S-hγ_W)(1-ε)tanθcosα₀]tanθ…………………………(2)

式中，γ_S为泥石流沟道堆积物容重(KN/m³)，γ_W为水的容重(KN/m³)，△h为饱和堆积物任意厚度(m)，h为堆积厚度(m)，θ为饱和堆积物的摩擦角(°)，震区内取θ介于35°～45°之间，ε为堆积物的孔隙度(％)，震区内取ε介于0.3～0.6之间，α₀为泥石流沟道堆积物堆积物饱水状态下的破坏角(°)。

当τ₀＝δ₀和γ_Whsinα₀＝0时，堆积物便进入临界破坏状态时的临界破坏角公式表示为：

tanα₀＝tanθ(γ_S-γ_W)(1-ε)/[γ_S(1-ε)+γ_Wε]……………………(3)

式中，γ_S为泥石流沟道堆积物容重(KN/m³)，γ_W为水的容重(KN/m³)，ε为泥石流沟道堆积物的孔隙度(％)，θ为泥石流堆积物的饱和内摩擦角(°)，α₀为泥石流沟道堆积物饱水状态下的破坏角(°)。

其中，步骤B中确定震区泥石流的沟道堆积物在饱水状态下的破坏角的公式适用于震区泥石流沟道物源的稳定行评价和泥石流的防治工程设计，将得到的泥石流堆积物破坏角作为泥石流堆积物稳定性研究和防治参数。

其中，步骤B中确定震区泥石流的沟道堆积物在饱水状态下的破坏角的公式适用于汶川震区黏粒小于0.05mm含量的泥石流沟道堆积物的破坏角预测。

以下为本发明的具体实施例：

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，确定了牛圈沟的沟道堆积物容重γ_S为27KN/m³，水的容重γ_W为10KN/m³，震区内取θ介于35°～45°之间，ε为堆积物的孔隙度，震区内取ε介于0.3～0.6之间。

B.将A步骤确定的各参数代入下公式，

tanα₀＝tanθ(γ_S-γ_W)(1-ε)/[γ_S(1-ε)+γ_Wε]

C.通过公式计算获取牛圈沟泥石流沟道堆积物的破坏角为21°～23°，则牛圈沟泥石流沟道堆积物在降雨饱水状态下的破坏角为21°～23°。

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)

1.一种饱水状态下沟道堆积体破坏角的预测方法，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：将震区泥石流的孔隙度应用于泥石流堆积物破坏计算，震区泥石流堆积物破坏预测计算方法如下：

A.通过获取震区泥石流沟的参数，确定泥石流堆积物堆积厚度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°，通过泥石流采样和测量泥石流堆积物容重γ_S，单位KN/m³，泥石流沟道堆积物的孔隙度ε，单位％，泥石流沟道堆积物的内摩擦角θ，单位°；

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坡度为α，泥石流沟道堆积物厚度为h，任意饱和堆积物厚度为△h，泥石流沟道堆积物起动时，堆积物在饱水状态受到自身自重应力、支持应力；降雨条件下从物理性质、力学平衡等方面改变泥石流物源原有的受力特征，泥石流物源内部应力条件、渗透系数、孔隙比等将直接作用于堆积体的含水量，其中沟道堆积物的动力τ₀阻力σ₀公式表示为：

式中，γ_S为泥石流沟道堆积物容重，单位KN/m³，γ_W为水的容重，单位KN/m³，△h为任意饱水堆积物厚度，单位m，h为堆积厚度，单位m，θ为泥石流堆积物的饱水内摩擦角，单位°，震区内取θ介于35°～45°之间，ε为堆积物的孔隙度，单位％，α₀为泥石流沟道堆积物堆积物饱水状态下的破坏角，单位°；

然后，沟道堆积物的稳定性主要靠抗剪强度τ_f和剪应力τ维持滑坡堆积体沟道堆积物的平衡关系；泥石流物源在天然自由状态下时处于平衡状态，其初始内应力τ₀大于其极限剪切状态下的剪应力τ_f，即τ₀＞τ_f；由于泥石流物源黏粒含量低，即其内聚力c≈0，泥石流沟道堆积物的抗剪强度公式表示为：

τ_f＝[gΔh(γ_S-hγ_W)(1-ε)tanθcosα₀]tanθ

式中，γ_S为泥石流沟道堆积物容重，单位KN/m³，γ_W为水的容重，单位KN/m³，△h为饱和堆积物任意厚度，单位m，h为堆积厚度，单位m，θ为饱和堆积物的摩擦角，单位°，震区内取θ介于35°～45°之间，ε为堆积物的孔隙度，单位％，震区内取ε介于0.3～0.6之间，α₀为泥石流沟道堆积物堆积物饱水状态下的破坏角，单位°；

当τ₀＝δ₀和γ_Whsinα₀＝0时，堆积物便进入临界破坏状态时的临界破坏角公式，通过以下公式确定震区泥石流的沟道堆积物在饱水状态下的破坏角α₀，

tanα₀＝tanθ(γ_S-γ_W)(1-ε)/[γ_S(1-ε)+γ_Wε]

式中，γ_S为泥石流沟道堆积物容重，单位KN/m³，γ_W为水的容重，单位KN/m³，ε为泥石流沟道堆积物的孔隙度，单位％，θ为泥石流堆积物的饱和内摩擦角，单位°，α₀为泥石流沟道堆积物饱水状态下的破坏角，单位°。

2.根据权利要求1所述的饱水状态下沟道堆积体破坏角的预测方法，其特征在于：步骤B中确定震区泥石流的沟道堆积物在饱水状态下的破坏角的公式适用于震区泥石流沟的防治工程设计，将得到的泥石流堆积物破坏角作为泥石流堆积物稳定性研究和防治参数。

3.根据权利要求1所述的饱水状态下沟道堆积体破坏角的预测方法，其特征在于：步骤B中确定震区泥石流的沟道堆积物在饱水状态下的破坏角的公式适用于汶川震区黏粒小于0.05mm含量的泥石流沟道堆积物的破坏角预测。

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