CN107391924B - 一种基于泥石流物源粒径参数的震区泥石流容重计算方法 - Google Patents

一种基于泥石流物源粒径参数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物源粒径参数的震区泥石流容重计算方法,该方法通过汶川震区泥石流物源的调查、取样、筛分以及颗粒级配曲线的绘制、统计等手段，通过相关性系数、成功率曲线、样本检验等方法,确定震区泥石流的物源固体容重γs（KN/m3），水的容重γW（KN/m3），有效粒径d10（mm），有效粒径d30（mm），中值粒径d60（mm），不均系数CU，曲率系数CC；将所获得的参数带入计算公式，可以获得泥石流暴发时的泥石流预测容重值。该方法适用于汶川震区泥石流物源中粗颗粒含量高、黏粒含量低的泥石流沟的容重预测,与现有技术相比，本发明结合汶川震区大量的泥石流沟的野外调查和统计分析，将计算泥石流容重所需的参数最终量化为泥石流物源所显示的级配数据，能更准确的得到汶川震区泥石流容重值，为震区泥石流防治工程的设计提供依据。

Description

一种基于泥石流物源粒径参数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物源粒径参数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，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。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物源粒径参数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，构建基于泥石流物源级配特征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：一种基于泥石流物源粒径参数的震区泥石流容重计算方法,其特征在于：将汶川震区泥石流物源颗粒性质应用于震区泥石流的容重预测，通过泥石流物源颗粒级配参数得到泥石流暴发时的容重，其具体计算方法如下：
A.通过获取震区泥石流沟物源的参数，确定泥石流物源的有效粒径d10，单位mm，中值粒径d30，单位mm，限制粒径d60，单位mm，不均系数CU，曲率系数CC，水的容重γW，单位KN/m3，根据泥石流物源岩性所确定的泥石流物源固体容重γs，单位KN/m3；
B.通过以下公式确定震区泥石流的容重γ，单位KN/m3；
Figure GDA0002388223890000021
式中：d10为有效粒径，单位mm，d30为中值粒径，单位mm，d60为限制粒径，单位mm，CU为不均系数，CC为曲率系数，γW为水的容重，单位KN/m3，具体为10KN/m3，泥石流物源固体容重γs，单位KN/m3；均由步骤A所确定。
本发明所述的基于泥石流物源粒径参数的震区泥石流容重计算方法,其所述步骤B中的确定震区泥石流容重的公式适用于汶川震区低黏粒含量的泥石流物源的泥石流容重预测，将得到的泥石流容重作为震区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物源粒径参数的震区泥石流容重计算方法,其所述步骤B中的确定震区泥石流容重的公式适用于泥石流沟位于汶川震区，泥石流沟的泥石流物源颗粒粒径小于0.05mm的黏粒累积含量小于2％。
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，从泥石流物源颗粒级配、泥石流物源岩性等多方面入手，构建了基于泥石流物源级配性质的泥石流容重计算模型。首先，在泥石流物源级配方面，震区泥石流物源特有的低黏粒含量性质，利用泥石流物源固体有效粒径、中值粒径、不均匀系数、曲率系数等定量反映了震区泥石流物源特征，较为准确地获取泥石流物源级配参数，包括泥石流物源不同岩性的容重参数；其次，利用汶川震区泥石流物源参数特征，根据统计分析原理筛选出与泥石流容重相关性高的级配参数，并通过数据分析原理对已有的泥石流物源级配参数进行统计分析，并快速地建立起了泥石流容重的函数模型。
具体实施方式
下面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。
一种基于泥石流物源粒径参数的震区泥石流容重计算方法,其主要思路是：将汶川震区泥石流物源颗粒性质应用于震区泥石流的容重预测，通过泥石流物源颗粒级配参数得到泥石流暴发时的容重。首先搜集震区已发生泥石流事件的泥石流沟，然后通过采样和筛分试验确定泥石流物源颗粒粒径、级配数据，通过统计分析原理确定泥石流容重与泥石流物源粒径参数间的相关性和显著性等，在此基础上通过数值统计原理推导震区泥石流容重的计算模型；再通过汶川震区已有的泥石流沟调查、采样和筛分等手段得到泥石流物源的有效粒径d10、中值粒径d30、限制粒径d60、不均系数CU、曲率系数CC；将所得参数带入震区泥石流容重计算模型中，得到泥石流暴发时的泥石流容重预测值。
具体计算方法及步骤如下：
首先，收集汶川震区已暴发的泥石流沟的泥石流容重数据，通过野外泥石流物源采样和筛分试验，绘制泥石流物源级配曲线，在此基础上，得到泥石流物源的有效粒径径d10、中值粒径d30和限制粒径d60、不均系数CU、曲率系数CC、物源固体容重γs等参数。
然后，根据统计原理分析震区泥石流容重与泥石流物源粒径参数间的相关性系数、显著性系数、成功率曲线以及样本检验等，筛选出与泥石流容重相关的粒径参数。
根据数值统计分析建立起与泥石流物源粒径参数相关的泥石流容重公式表示为：
Figure GDA0002388223890000041
式中：d10为有效粒径，单位mm，d30为中值粒径，单位mm，d60为限制粒径，单位mm，CU为不均系数，CC为曲率系数，γW为水的容重，单位KN/m3，具体为10KN/m3，γs为泥石流物源固体容重，单位KN/m3。
其中，所述步骤B中的确定震区泥石流容重的公式适用于汶川震区低黏粒含量的泥石流物源的泥石流容重预测，将得到的泥石流容重作为震区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B中的确定震区泥石流容重的公式适用于泥石流沟位于汶川震区，泥石流沟的泥石流物源颗粒粒径小于0.05mm的黏粒累积含量小于2％。
以下为本发明的具体实施例：
实施例一：
高家沟位于银杏乡北侧，岷江右岸，沟口坐标：北纬N31°11′57.7″，东经E103°28′44.2″。高家沟流域形态为扇形，流域纵向长度3.26km，平均宽度1.3km，流域面积3.79km2，流域相对高差约1807m。2011年7月1～3日，汶川县银杏片区普降暴雨，至3日零晨5时，累计降雨量达163.1mm，部分出沟进入岷江，其中泥石流出沟进入岷江的固体物源量达到40.37×104m3，将岷江堵断形成长约316m，宽约174m，厚约5～15m的堰塞体。
为了有效的防治和治理泥石流，保护沟口G213国道安全，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.通过现场泥石流物源采样和筛分试验，获取物源的有效粒径d10为0.37mm，中值粒径d30为1.3mm，限制粒径d60为5.2mm，不均匀系数CU为14.054，曲率系数CC为0.878，小于0.05mm的黏粒含量为1.8％，大于2mm的粗颗粒含量为68.9％。
B.将A步骤确定的各参数代入下公式，
Figure GDA0002388223890000051
C.通过公式计算获取泥石流暴发时的容重为18.4KN/m3，则高家沟泥石流防治工程设计的泥石流最小容重参数为18.4KN/m3。
实施例二：
羊岭沟位于汶川县城威州镇新桥村郭主铺组，岷江右岸，沟口处有居民150户(605人)，距国道(G213线)0.4Km，沟口坐标为103°34′12″E、31°27′51″N，国道G213从沟口通过。流域总面积为5.50km2，区内最高点3408m，最低点1320m，相对高差2088m，主沟道全长5.5km，其纵比降达386‰。羊岭沟于2013-7-10 9:00暴发特大型泥石流灾害。泥石流灾害造成100余间民房不同程度的受损，掩埋国道200余m，并挤占岷江河道达1/4。
为了有效的防治和治理泥石流，保护沟口居民生命财产安全和G213国道的安全，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.通过现场泥石流物源采样和筛分试验，获取物源的有效粒径有效粒径d10为0.6mm，中值粒径d30为1.1mm，限制粒径d60为3mm，不均匀系数CU为5，CC曲率系数为0.672，小于0.05mm的黏粒含量为0，大于2mm的粗颗粒含量为100％。
B.将A步骤确定的各参数代入下公式，
Figure GDA0002388223890000061
C.通过公式计算获取泥石流暴发时的容重为17.9KN/m3，则羊岭沟泥石流防治工程设计的泥石流最小容重参数为17.9KN/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)

1.一种基于泥石流物源粒径参数的震区泥石流容重计算方法,其特征在于：将汶川震区泥石流物源颗粒性质应用于震区泥石流的容重预测，通过泥石流物源颗粒级配参数得到泥石流暴发时的容重，其具体计算方法如下：
A.通过获取震区泥石流沟物源的参数，确定泥石流物源的有效粒径d10，单位mm，中值粒径d30，单位mm，限制粒径d60，单位mm，不均系数CU，曲率系数CC，根据泥石流物源岩性所确定的泥石流物源固体容重γs，单位KN/m3；
B.通过以下公式确定震区泥石流的容重γ，单位KN/m3；
Figure FDA0002388223880000011
式中：d10为有效粒径，单位mm，d30为中值粒径，单位mm，d60为限制粒径，单位mm，CU为不均系数，CC为曲率系数，γW为水的容重，单位KN/m3，具体为10KN/m3，泥石流物源固体容重γs，单位KN/m3；均由步骤A所确定。
2.根据权利要求1所述的基于泥石流物源粒径参数的震区泥石流容重计算方法,其特征在于：所述步骤B中的确定震区泥石流容重的公式适用于汶川震区低黏粒含量的泥石流物源的泥石流容重预测，将得到的泥石流容重作为震区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所述的基于泥石流物源粒径参数的震区泥石流容重计算方法,其特征在于：步骤B中的确定震区泥石流容重的公式适用于位于汶川震区的泥石流沟，泥石流沟的泥石流物源颗粒粒径小于0.05mm的黏粒累积含量小于2％。
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