CN107423484B - 一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法及其应用 - Google Patents

一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法及其应用,属于泥石流防治工程领域,包括以下步骤:a、通过水文计算得到即将到来的泥石流总量W和泥石流洪峰流量QB,现场调查确定拦挡坝的库容C、泥石流屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流的特征颗粒粒径D90;b、根据即将到来的泥石流总量W和泥石流洪峰流量QB,拦挡坝的库容C、泥石流屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流的特征颗粒粒径D90及无量纲化屈服应力因子τ*,对泥石流拦挡坝后的流量QA进行计算。”本发明适用于野外大尺度的实际计算,能够准确的计算出泥石流在拦挡坝后的流量,为泥石流防治工程提供可靠的数据参考,保障泥石流地区的防灾减灾效果。

Description

一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法及其应用
技术领域
本发明涉及到泥石流防治工程领域,尤其涉及一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法及其应用。
背景技术
我国是一个山区面积占总国土面积达70%的多山国家,泥石流沟分布广泛,并且灾害严重。泥石流防治工程作为泥石流防灾减灾的主要措施之一,特别是对城镇、交通干线等重要地点的保护尤为重要。
拦挡坝是建在泥石流形成区-流通区内的一种横断沟床的人工建筑物,是防治泥石流最具重要性和有效性的工程建筑物之一。
目前,国内外学者对于泥石流在拦挡坝后的流量变化的研究,处于经验判断阶段,认为拦挡坝对于泥石流流量峰值的削减作用非常有限,一般不超过峰值流量的20%;即使当泥石流总量小于拦挡坝库容时,其对于泥石流峰值流量的削减作用也不会超过50%。但也有部分学者根据云南大盈江浑水沟和东川小水沟治理前后个别泥石流峰值流量的观测数据,初步得出定性的拦挡坝具有削减泥石流峰值流量的作用;但由于野外有观测数据的泥石流流量数据较少,很难从统计数据中找到泥石流在拦挡坝后的流量变化规律。也有研究表明当泥石流输入量比拦挡坝库容小时,开孔率越小则过坝后泥石流流量降低幅度越大;但却未能定量的给出一个泥石流在拦挡坝后的流量的计算公式。因此,一个室内研究且能在野外适用的计算泥石流在拦挡坝后的流量的模型显得非常重要,这也是水利工程、泥石流防治工程设计的基础。
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,虽然在一定程度上能够节省工程材料,降低工程造价。但是,由于不能准确的计算出泥石流在拦挡坝后的流量,因此不能为泥石流防治工程提供可靠的数据参考,影响泥石流地区的防灾减灾效果。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷,提供一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法及其应用,本发明考虑了量纲和谐这一基本原理,开创性的建立了泥石流在拦挡坝后流量的计算模型,适用于野外大尺度的实际计算,能够准确的计算出泥石流在拦挡坝后的流量,从而为泥石流防治工程提供可靠的数据参考,保障泥石流地区的防灾减灾效果。
本发明通过下述技术方案实现:
一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
a、通过水文计算得到即将到来的泥石流总量W,单位m3和即将到来的泥石流洪峰流量QB,单位m3/s,现场调查确定拦挡坝的库容C,单位m3、泥石流屈服应力τ,单位Pa、泥石流容重ρ,单位kg/m3和泥石流的特征颗粒粒径D90,单位m;
b、根据即将到来的泥石流总量W和即将到来的泥石流洪峰流量QB,拦挡坝的库容C、泥石流屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流的特征颗粒粒径D90及无量纲化屈服应力因子τ*,对泥石流拦挡坝后的流量QA进行计算。
所述步骤a中,即将到来的泥石流总量是指评估的泥石流总量,即将到来的泥石流洪峰流量是指评估的泥石流洪峰流量。
所述步骤a中,泥石流的特征颗粒粒径D90是指泥石流中小于某粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径。
所述步骤b中,当W/C<2时,泥石流拦挡坝后的流量QA通过式1、式2和式3计算确定;
τ*=τ/(ρgD90) (式1);
式中,g为重力加速度,g为9.8m/s2
当τ*<0.1时,QA/QB=1.33×lg(W/C) (式2);
当τ*≥0.1时,QA/QB=0.73×lg(W/C)+0.032×τ*+0.21 (式3)。
所述步骤b中,当W/C≥2时,泥石流拦挡坝后的流量QA通过式4计算确定;
QA/QB=0.4×lg(W/C)+0.057×τ*+0.27 (式4)。
本发明,适用于稀性泥石流和粘性泥石流。
本发明,适用于道路桥梁工程建设。
进一步,本发明适用于水库的防灾泄洪。
本发明的原理如下:
泥石流的拦挡坝是泥石流防治工程中最重要的工程手段之一。拦挡坝除了能够将泥石流中的泥砂拦截在拦挡坝内这个作用以外,对于更多的过坝泥石流流量的削减,是拦挡坝的另外一个重要作用。
泥石流的洪峰流量是造成泥石流灾害的最重要原因之一,洪峰流量越大,泥石流的危害越大。拦挡坝削减了泥石流的洪峰流量(削峰作用),相应地减小了泥石流的危害。
泥石流拦挡坝对泥石流洪峰流量的削减作用,受泥石流总量与拦挡坝的库容量之比影响很大:泥石流总量与拦挡坝的库容量之比越小,削峰作用越明显:当这个比值在0.5以下时,泥石流将完全被拦截在拦挡坝内,没有泥石流冲出拦挡坝。泥石流总量与拦挡坝的库容量之比越大,削峰作用越微弱:当这个比值在67以上时,拦挡坝对泥石流的拦截作用可以忽略不计。
泥石流拦挡坝对泥石流洪峰流量的削减作用也受到泥石流性质的影响。泥石流的粘性越强(可用泥石流屈服应力与泥石流容重与重力加速度及泥石流的特征粒径的比值:无量纲化屈服应力表示),削峰效应越显著:无量纲化屈服应力越大,削峰作用越大;无量纲化屈服应力越小,削峰作用越小,当无量纲化屈服应力小于0.1时,拦挡坝的削峰作用与拦挡坝对洪水的削峰作用一样。
本发明的有益效果主要表现在以下方面:
一、本发明,“a、通过水文计算得到即将到来的泥石流总量W和即将到来的泥石流洪峰流量QB,现场调查确定拦挡坝的库容C、泥石流屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流的特征颗粒粒径D90;b、根据即将到来的泥石流总量W和即将到来的泥石流洪峰流量QB,拦挡坝的库容C、泥石流屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流的特征颗粒粒径D90及无量纲化屈服应力因子τ*,对泥石流拦挡坝后的流量QA进行计算。”,作为一个完整的技术方案,本发明考虑了量纲和谐这一基本原理,开创性的建立了泥石流在拦挡坝后流量的计算模型,适用于野外大尺度的实际计算,能够准确的计算出泥石流在拦挡坝后的流量,从而为泥石流防治工程提供可靠的数据参考,保障泥石流地区的防灾减灾效果。
二、本发明,适用于道路桥梁工程建设,通过准确计算出泥石流在拦挡坝后的流量,能够为道路桥梁工程提供重要数据参考,既保障了泥石流的防治效果,又能够有效节省工程材料,降低工程造价。
三、本发明,适用于水库的防灾泄洪,通过准确计算出泥石流在拦挡坝后的流量,能够为水库的建设提供参考,增强水库的泄洪及防灾能力。
具体实施方式
实施例1
一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法,包括以下步骤:
a、通过水文计算得到即将到来的泥石流总量W,单位m3和即将到来的泥石流洪峰流量QB,单位m3/s,现场调查确定拦挡坝的库容C,单位m3、泥石流屈服应力τ,单位Pa、泥石流容重ρ,单位kg/m3和泥石流的特征颗粒粒径D90,单位m;
b、根据即将到来的泥石流总量W和即将到来的泥石流洪峰流量QB,拦挡坝的库容C、泥石流屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流的特征颗粒粒径D90及无量纲化屈服应力因子τ*,对泥石流拦挡坝后的流量QA进行计算。
“a、通过水文计算得到即将到来的泥石流总量W和即将到来的泥石流洪峰流量QB,现场调查确定拦挡坝的库容C、泥石流屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流的特征颗粒粒径D90;b、根据即将到来的泥石流总量W和即将到来的泥石流洪峰流量QB,拦挡坝的库容C、泥石流屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流的特征颗粒粒径D90及无量纲化屈服应力因子τ*,对泥石流拦挡坝后的流量QA进行计算。”,作为一个完整的技术方案,本发明考虑了量纲和谐这一基本原理,开创性的建立了泥石流在拦挡坝后流量的计算模型,适用于野外大尺度的实际计算,能够准确的计算出泥石流在拦挡坝后的流量,从而为泥石流防治工程提供可靠的数据参考,保障泥石流地区的防灾减灾效果。
实施例2
一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法,包括以下步骤:
a、通过水文计算得到即将到来的泥石流总量W,单位m3和即将到来的泥石流洪峰流量QB,单位m3/s,现场调查确定拦挡坝的库容C,单位m3、泥石流屈服应力τ,单位Pa、泥石流容重ρ,单位kg/m3和泥石流的特征颗粒粒径D90,单位m;
b、根据即将到来的泥石流总量W和即将到来的泥石流洪峰流量QB,拦挡坝的库容C、泥石流屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流的特征颗粒粒径D90及无量纲化屈服应力因子τ*,对泥石流拦挡坝后的流量QA进行计算。
所述步骤a中,即将到来的泥石流总量是指评估的泥石流总量,即将到来的泥石流洪峰流量是指评估的泥石流洪峰流量。
所述步骤a中,泥石流的特征颗粒粒径D90是指泥石流中小于某粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径。
所述步骤b中,当W/C<2时,泥石流拦挡坝后的流量QA通过式1、式2和式3计算确定;
τ*=τ/(ρgD90) (式1);
式中,g为重力加速度,g为9.8m/s2
当τ*<0.1时,QA/QB=1.33×lg(W/C) (式2);
当τ*≥0.1时,QA/QB=0.73×lg(W/C)+0.032×τ*+0.21 (式3)。
实施例3
一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法,包括以下步骤:
a、通过水文计算得到即将到来的泥石流总量W,单位m3和即将到来的泥石流洪峰流量QB,单位m3/s,现场调查确定拦挡坝的库容C,单位m3、泥石流屈服应力τ,单位Pa、泥石流容重ρ,单位kg/m3和泥石流的特征颗粒粒径D90,单位m;
b、根据即将到来的泥石流总量W和即将到来的泥石流洪峰流量QB,拦挡坝的库容C、泥石流屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流的特征颗粒粒径D90及无量纲化屈服应力因子τ*,对泥石流拦挡坝后的流量QA进行计算。
所述步骤a中,即将到来的泥石流总量是指评估的泥石流总量,即将到来的泥石流洪峰流量是指评估的泥石流洪峰流量。
所述步骤a中,泥石流的特征颗粒粒径D90是指泥石流中小于某粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径。
所述步骤b中,当W/C≥2时,泥石流拦挡坝后的流量QA通过式4计算确定;
QA/QB=0.4×lg(W/C)+0.057×τ*+0.27 (式4)。
本发明,适用于稀性泥石流和粘性泥石流。
本发明,适用于道路桥梁工程建设。
进一步,本发明适用于水库的防灾泄洪。
将本发明用于泥石流水槽试验,由试验所得试验数据如表1所示。
表1泥石流在拦挡坝后的流量试验数据
Figure BDA0001317964450000051
Figure BDA0001317964450000061
其中:τ*=0时为清水。
通过表1可以看出,实验值和计算值数据吻合度很好,误差较小,故该泥石流在拦挡坝后的流量的计算公式可用性好,验证了本发明公式的准确性。
采用本发明的方法对1983年7月31日,安康特大洪灾,石泉水电站的泄洪情况进行洪水在拦挡坝后的流量进行计算验证。
石泉水电站,位于陕西省安康市,是汉江上游干流首个中型水电站,始建于1971年,1975年建成发电。石泉水库为峡谷型河道水库,库容不大,可做临时防洪库容,其容积仅为0.97亿m3。1983年7月31日夜晚,安康发生了特大洪水,经水文计算,此次洪水总量约为81.84亿m3。实测石泉水库入库最大洪峰流量为16140m3/s,出库最大泄量为15700m3/s。由于清水无屈服应力,τ*=0,通过式3可计算出QA/QB=1。而实测QA/QB=0.97,计算误差仅为3.1%,说明本发明计算精度高。

Claims (6)

1.一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
a、通过水文计算得到即将到来的泥石流总量W,单位m3和即将到来的泥石流洪峰流量QB,单位m3/s,现场调查确定拦挡坝的库容C,单位m3、泥石流屈服应力τ,单位Pa、泥石流容重ρ,单位kg/m3和泥石流的特征颗粒粒径D90,单位m;
b、根据即将到来的泥石流总量W和即将到来的泥石流洪峰流量QB,拦挡坝的库容C、泥石流屈服应力τ、泥石流容重ρ和泥石流的特征颗粒粒径D90及无量纲化屈服应力因子τ*,对泥石流拦挡坝后的流量QA进行计算;
所述步骤b中,当W/C<2时,泥石流拦挡坝后的流量QA通过式1、式2和式3计算确定;
τ*=τ/(ρgD90) (式1);
式中,g为重力加速度,g为9.8m/s2
当τ*<0.1时,QA/QB=1.33×lg(W/C) (式2);
当τ*≥0.1时,QA/QB=0.73×lg(W/C)+0.032×τ*+0.21 (式3);
所述步骤b中,当W/C≥2时,泥石流拦挡坝后的流量QA通过式4计算确定;
QA/QB=0.4×lg(W/C)+0.057×τ*+0.27 (式4)。
2.根据权利要求1所述的一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法,其特征在于:所述步骤a中,即将到来的泥石流总量是指评估的泥石流总量,即将到来的泥石流洪峰流量是指评估的泥石流洪峰流量。
3.根据权利要求1所述的一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法,其特征在于:所述步骤a中,泥石流的特征颗粒粒径D90是指泥石流中小于某粒径的累计百分含量为90%所对应的粒径。
4.根据权利要求1所述的一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法的应用,其特征在于:适用于稀性泥石流和粘性泥石流。
5.根据权利要求1所述的一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法的应用,其特征在于:适用于道路桥梁工程建设。
6.根据权利要求1所述的一种泥石流在拦挡坝后的流量计算方法的应用,其特征在于:适用于水库的防灾泄洪。
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