CN108090670B - 一种基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法。所述评估方法首先通过遥感及地形数据，确定潜在滑坡位置的面积、坡度、高度、坡面长度、宽度以及河道宽度和坡度，然后分别计算潜在滑坡土体堆积速率和河道水流侵蚀速率，最后通过无量纲速率指标判定潜在滑坡土体是否会堵塞主流河道形成堰塞坝。与现有技术相比，本发明方法综合考虑滑坡土体参数和水流参数，提出无量纲速率指标，能够合理评估潜在滑坡土体是否会堵塞主流河道并形成堰塞坝，实现对堰塞坝形成可能性的有效预测，且本发明方法计算参数易于获得，评估方法简便，可为潜在滑坡土体是否形成堰塞坝的评估提供科学依据。

Description

一种基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法
技术领域
本发明涉及一种基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法，特别是适用于潜在滑坡或滑坡形成堰塞坝的评估方法。
背景技术
堰塞坝是由火山熔岩流，冰碛物或由地质灾害、地震活动使山体岩石崩塌下来等原因引起的山崩滑坡体等堵塞主流河道，形成类似大坝的挡水体。其中，滑坡形成的堰塞坝同时受到滑坡基本特征与河流水文条件的控制。对于山坡坡面坡度较陡且河道宽度较小的山谷，滑坡发生后，土体的运动量足够移动至河道或抵达对岸，当河道水流无法即时将正在堆积于河道中的滑坡土体冲刷至下游，且水流深度未高过滑坡土体最小堆积高度时，容易阻塞河道形成堰塞坝。
滑坡土体进入到河道是否形成堰塞坝主要可分为三种情况：1.滑坡土体进入到河道，土体受河道水流挟带至下游，土体无法堆积于河道；2.滑坡土体进入到河道，部份土体受河道水流挟带至下游，部份土体堆积在河道，逐渐形成堰塞坝，但是受到河道水流持续冲刷，在坝体尚未完全形成时，土体即被河道水流挟带至下游；3.滑坡土体进入到河道，河道水流无法即时将正在堆积于河道中的滑坡土体冲刷至下游，滑坡土体逐渐形成堰塞坝。通过滑坡土体进入到河道形成堰塞坝的状况可以知道，如果水流无法即时将滑坡土体挟带至下游，滑坡土体才能不受水流作用影响，顺利堆积在河道并且形成堰塞坝，因此，水流对于土体的侵蚀能力是影响滑坡土体进入河道后是否形成堰塞坝的关键因素，但目前尚没有探讨水流对于土体的侵蚀能力与堰塞坝形成之间的定量关系，因此也就无法有效地评估滑坡土体是否会形成堰塞坝。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于水流侵蚀能力计算的堰塞坝形成评估方法，该方法分别获取河道水流侵蚀速率及潜在滑坡土体堆积速率，通过模型实验将河道水流侵蚀速率及潜在滑坡土体堆积速率的定量关系无量纲化，能够合理地评估潜在滑坡土体能否形成堰塞坝，实现对堰塞坝形成可能性的有效预测。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
本发明提出一种基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法，针对潜在滑坡，所述评估方法步骤如下：
(一)通过滑坡早期识别图得到潜在滑坡的位置。通过遥感及地形数据，确定潜在滑坡坡度θs、单位°，潜在滑坡高度HL、单位m，潜在滑坡坡面长度SL、单位m，以及潜在滑坡宽度W、单位m；通过潜在滑坡面积与潜在滑坡体积之间的经验关系式、或滑坡体积与前期降水量关系法、或地震震级与滑坡体积统计关系法、或滑坡前后期遥感数据配合高精度DEM数据评估法，确定潜在滑坡体积VL、单位m3。所述潜在滑坡面积与潜在滑坡体积之间的经验关系式为VL＝0.074AL 1.45；式中，VL为潜在滑坡体积、单位m3，AL为潜在滑坡面积、单位m2、通过遥感及地形数据确定。
(二)通过地形数据或现场测量，确定河道宽度B、单位m，及河道坡度θw、单位°。
(三)通过公式As＝W×B，确定潜在滑坡土体堆积于河道的面积As、单位m2；
式中，W为潜在滑坡宽度、单位m、由步骤(一)确定，B为河道宽度、单位m、由步骤(二)确定。
(四)通过公式
Figure BDA0001509241620000031
确定平均滑坡速度
Figure BDA0001509241620000032
单位m/s；式中，g为重力加速度、取值9.8m/s2，HL为潜在滑坡高度、单位m、由步骤(一)确定，θs为潜在滑坡坡度、单位°、由步骤(一)确定，f为等价摩擦系数，通过统计经验关系式、或理论分析式、或数值计算方法、或室内实验方法确定；将确定的平均滑坡速度
Figure BDA0001509241620000033
代入公式
Figure BDA0001509241620000034
计算得到潜在滑坡总时间t、单位s，式中SL为潜在滑坡坡面长度、单位m、由步骤(一)确定。所述确定等价摩擦系数f的统计经验关系式为logf＝-0.15666logVL+0.62419；式中，VL为潜在滑坡体积、单位m3、由步骤(一)确定。
(五)通过以下公式确定潜在滑坡土体堆积速率vd
Figure BDA0001509241620000035
式中，vd—潜在滑坡土体堆积速率，单位cm/s；
VL—潜在滑坡体积，单位m3，由步骤(一)确定；
As—潜在滑坡土体堆积于河道的面积，单位m2，由步骤(三)确定；
t—潜在滑坡总时间，单位s，由步骤(四)确定。
(六)通过以下公式确定河道水流侵蚀速率ve
Figure BDA0001509241620000036
式中，ve—河道水流侵蚀速率，单位cm/s；
B—河道宽度，单位m，由步骤(二)确定；
hw—河道水深，单位m，通过现场调查、或流量测量计算、或曼宁公式确定；
θw—河道坡度，单位°，由步骤(二)确定；
ρs—潜在滑坡土体的密度，单位g/cm3，通过现场调查、或室内实验、或历史文献资料确定；
ρ—水的密度，取值1g/cm3；
d50—潜在滑坡土体平均粒径，单位m，通过现场调查、或筛分法、或图像粒径分析方法确定；
g—重力加速度、取值9.8m/s2。
上述河道水流侵蚀速率计算公式是通过室内实验结果得到的对Nakagawa andTsujimoto(1975)提出公式的修正。
(七)将步骤(五)中得到的潜在滑坡土体堆积速率vd和步骤(六)中得到的河道水流侵蚀速率ve代入公式
Figure BDA0001509241620000041
计算得到无量纲速率指标vde；当vde>54时，判定潜在滑坡土体能堵塞主流河道并形成堰塞坝；当vde<47时，判定潜在滑坡土体不会堵塞主流河道，不会形成堰塞坝；当47≤vde≤54时，判定潜在滑坡土体有可能会堵塞主流河道而形成堰塞坝(即介于47～54为不确定区)。无量纲速率指标评估方法是基于46组模型试验，通过对试验结果进行数据判别分析而得(参见附图1)。
上述基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法也可针对滑坡进行，即上述评估方法中涉及的与潜在滑坡有关参数均可替换为与滑坡有关参数(如：潜在滑坡坡度θs替换为滑坡坡度θs，潜在滑坡高度HL替换为滑坡高度HL，潜在滑坡坡面长度SL替换为坡面长度SL，潜在滑坡宽度W替换为滑坡宽度W，潜在滑坡体积VL替换为滑坡体积VL，潜在滑坡土体堆积于河道的面积As替换为滑坡土体堆积于河道的面积As，潜在滑坡总时间t替换为滑坡总时间t，潜在滑坡土体堆积速率vd替换为滑坡土体堆积速率vd，等等)，从而能够合理地评估滑坡土体能否形成堰塞坝。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过修正河道水流侵蚀速率计算公式，同时综合考虑了滑坡土体参数(堆积速率)和水流参数(侵蚀速率)，基于室内模型实验结果得到河道水流侵蚀速率及潜在滑坡土体堆积速率之间的定量关系，并将定量关系无量纲化，提出无量纲速率指标，能够合理地评估潜在滑坡土体是否会堵塞主流河道并形成堰塞坝，实现对堰塞坝形成可能性的有效预测。本发明方法计算参数易于获得，评估方法简便，可为潜在滑坡土体是否形成堰塞坝的评估提供科学依据。
附图说明
图1是基于46组模型试验结果进行数据判别分析的无量纲速率指标示意图。
图2是实施例一、二、三的无量纲速率指标示意图。
图中符号如下：
vde无量纲速率指标
vd潜在滑坡土体堆积速率
ve河道水流侵蚀速率
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例作进一步的描述。
实施例一
如图2所示。老鹰岩滑坡是“5.12”汶川地震触发山体滑坡形成堰塞坝的其中一处案例，位于四川绵阳市安县高川乡泉水村西北侧，地理坐标N31°37′20.4″，E104°08′25.92″，老鹰岩滑坡发生后，形成高速碎屑流冲入黄洞子沟并完全堵塞，形成坝高105m、坝顶宽150m的堰塞坝，汶川地震发生后10天，老鹰岩堰塞坝的蓄水量已达2200000m3，滑坡不仅形成巨大的堰塞坝，还将老鹰岩电站整体掩埋，造成20多人死亡与近千万元的经济损失。
采用本发明的基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法，对老鹰岩滑坡形成堰塞坝进行评估验证，具体步骤如下：
第一步，首先确定滑坡位置，然后通过遥感及地形数据，确定滑坡面积AL为320000m2，滑坡坡度θs为36.7°，滑坡高度HL为820m，滑坡坡面长度SL为1372m，滑坡宽度W为170m；通过滑坡面积与滑坡体积之间的经验关系式VL＝0.074AL 1.45＝0.074×3200001.45，计算得到滑坡体积VL为7107211m3。
第二步，通过地形数据，确定河道宽度B为90m，河道坡度θw为1.6°。
第三步，通过公式As＝W×B＝170×90＝15300，确定滑坡土体堆积于河道的面积As为15300m2。
第四步，通过统计经验关系式logf＝-0.15666logVL+0.62419＝-0.15666log7107211+0.62419，确定等价摩擦系数f为0.356；通过公式
Figure BDA0001509241620000061
确定平均滑坡速度
Figure BDA0001509241620000062
为45.87m/s；将确定的平均滑坡速度
Figure BDA0001509241620000063
代入公式
Figure BDA0001509241620000064
计算得到滑坡总时间t为30s。
第五步，通过公式
Figure BDA0001509241620000065
确定滑坡土体堆积速率vd为
第六步，通过现场调查，确定河道水深hw为0.2m，滑坡土体的密度ρs为2.6g/cm3，滑坡土体平均粒径d50为0.01m。通过公式
Figure BDA0001509241620000071
确定河道水流侵蚀速率ve为0.53cm/s。
第七步，将第五步中得到的滑坡土体堆积速率vd和第六步中得到的河道水流侵蚀速率ve代入公式
Figure BDA0001509241620000072
计算得到无量纲速率指标vde为2921.53；vde>54，判定老鹰岩滑坡土体能堵塞黄洞子沟并形成堰塞坝，评估结果参见图2所示。判定结果与实际情况相符。
实施例二
如图2所示。S303线映秀至卧龙公路K24+500滑坡发生于2008年5月13日，为滑坡发生未形成堰塞坝的案例，S303线映秀至卧龙公路K24+500滑坡位于汶川县耿达镇，滑坡位置位于公路左侧，渔子溪河右岸。滑坡发生后，滑坡土体冲入渔子溪河道，由于渔子溪水流湍急，大部分滑坡土体被河水迅速冲蚀搬运，并未堵塞河道形成堰塞坝，但是破坏了过河索桥，并掩埋了滑坡位置对面的映秀至卧龙公路，造成公路中断。
采用本发明的基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法，对S303线映秀至卧龙公路K24+500滑坡未形成堰塞坝进行评估验证，具体步骤如下：
第一步，首先确定滑坡位置，然后通过遥感及地形数据，确定滑坡面积AL为6678m2，滑坡坡度θs为42.1°，滑坡高度HL为113m，滑坡坡面长度SL为169m，滑坡宽度W为47m；通过滑坡面积与滑坡体积之间的经验关系式VL＝0.074AL 1.45＝0.074×66781.45，计算得到滑坡体积VL为26000m3。
第二步，通过地形数据，确定河道宽度B为40m，河道坡度θw为1.4°。
第三步，通过公式As＝W×B＝47×40＝1880，确定滑坡土体堆积于河道的面积As为1880m2。
第四步，通过统计经验关系式logf＝-0.15666logVL+0.62419＝-0.15666log26000+0.62419，确定等价摩擦系数f为0.856；通过公式
Figure BDA0001509241620000081
确定平均滑坡速度
Figure BDA0001509241620000082
为5.42m/s；将确定的平均滑坡速度
Figure BDA0001509241620000083
代入公式
Figure BDA0001509241620000084
计算得到滑坡总时间t为31s。
第五步，通过公式
Figure BDA0001509241620000085
确定滑坡土体堆积速率vd为44.61cm/s。
第六步，通过曼宁公式，确定河道水深hw为1m；通过历史文献资料，确定滑坡土体的密度ρs为2.6g/cm3；通过筛分法，确定滑坡土体平均粒径d50为0.02m。通过公式
Figure BDA0001509241620000086
确定河道水流侵蚀速率ve为1.024cm/s。
第七步，将第五步中得到的滑坡土体堆积速率vd和第六步中得到的河道水流侵蚀速率ve代入公式
Figure BDA0001509241620000091
计算得到无量纲速率指标vde为43.56；vde<47时，判定S303线映秀至卧龙公路K24+500滑坡土体不会堵塞渔子溪，不会形成堰塞坝，评估结果参见图2所示。判定结果与实际情况相符。
实施例三
如图2所示。1999年9月21日，中国台湾地区发生7.3级地震，地震诱发云林县古坑乡草岭村附近山区边坡发生滑坡，滑坡土体堵塞清水溪而形成草岭堰塞湖，堰塞湖形成后，形成50～100m的坝体高度，堰塞湖并未造成严重二次灾害，在后续多次的台风豪雨事件中，堰塞湖湖区逐渐淤积，目前已被土砂淤满。
采用本发明的基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法，针对草岭潜在滑坡形成堰塞坝进行评估验证，具体步骤如下：
第一步，通过地震前期遥感数据得到草岭潜在滑坡的位置。通过遥感及地形数据，确定潜在滑坡面积AL为4000000m2，潜在滑坡坡度θs为31.4°，潜在滑坡高度HL为1100m，潜在滑坡坡面长度SL为2111m，潜在滑坡宽度W为1900m；通过潜在滑坡面积与潜在滑坡体积之间的经验关系式
Figure BDA0001509241620000092
计算得到潜在滑坡体积VL为276833541m3。
第二步，通过地形数据，确定河道宽度B为30m，河道坡度θw为1.4°。
第三步，通过公式As＝W×B＝1900×30＝57000，确定潜在滑坡土体堆积于河道的面积As为57000m2。
第四步，通过统计经验关系式logf＝-0.15666logVL+0.62419＝-0.15666log276833541+0.62419，确定等价摩擦系数f为0.200；通过公式
Figure BDA0001509241620000101
确定平均滑坡速度
Figure BDA0001509241620000102
为60.21m/s；将确定的平均滑坡速度
Figure BDA0001509241620000103
代入公式
Figure BDA0001509241620000104
计算得到潜在滑坡总时间t为35s。
第五步，通过公式
Figure BDA0001509241620000105
确定潜在滑坡土体堆积速率vd为13876.37cm/s。
第六步，通过历史文献资料，确定河道水深hw为0.56m；通过历史文献资料，确定潜在滑坡土体的密度ρs为2.65g/cm3；通过历史文献资料，确定潜在滑坡土体平均粒径d50为0.07m。通过公式
Figure BDA0001509241620000106
确定河道水流侵蚀速率ve为0.420cm/s。
第七步，将第五步中得到的潜在滑坡土体堆积速率vd和第六步中得到的河道水流侵蚀速率ve代入公式
Figure BDA0001509241620000107
计算得到无量纲速率指标vde为33038.98；vde>54，判定草岭潜在滑坡土体能堵塞清水溪并形成堰塞坝，评估结果参见图2所示。判定结果与实际情况相符。

Claims (3)

1.一种基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法，其特征在于：所述基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法步骤如下：
(一)通过遥感及地形数据，确定潜在滑坡坡度θs、单位°，潜在滑坡高度HL、单位m，潜在滑坡坡面长度SL、单位m，以及潜在滑坡宽度W、单位m；通过潜在滑坡面积与潜在滑坡体积之间的经验关系式、或滑坡体积与前期降水量关系法、或地震震级与滑坡体积统计关系法、或滑坡前后期遥感数据配合高精度DEM数据评估法，确定潜在滑坡体积VL、单位m3；
(二)通过地形数据或现场测量，确定河道宽度B、单位m，及河道坡度θw、单位°；
(三)通过公式As＝W×B，确定潜在滑坡土体堆积于河道的面积As、单位m2；式中，W为潜在滑坡宽度、单位m、由步骤(一)确定，B为河道宽度、单位m、由步骤(二)确定；
(四)通过公式
Figure FDA0002998110410000011
确定平均滑坡速度
Figure FDA0002998110410000012
单位m/s；式中，g为重力加速度、取值9.8m/s2，HL为潜在滑坡高度、单位m、由步骤(一)确定，θs为潜在滑坡坡度、单位°、由步骤(一)确定，f为等价摩擦系数、通过统计经验关系式logf＝-0.15666logVL+0.62419确定、其中潜在滑坡体积VL单位m3由步骤(一)确定；
将确定的平均滑坡速度
Figure FDA0002998110410000013
代入公式
Figure FDA0002998110410000014
计算得到潜在滑坡总时间t、单位s，式中SL为潜在滑坡坡面长度、单位m、由步骤(一)确定；
(五)通过以下公式确定潜在滑坡土体堆积速率vd
Figure FDA0002998110410000015
式中，vd—潜在滑坡土体堆积速率，单位cm/s；
VL—潜在滑坡体积，单位m3，由步骤(一)确定；
As—潜在滑坡土体堆积于河道的面积，单位m2，由步骤(三)确定；
t—潜在滑坡总时间，单位s，由步骤(四)确定；
(六)通过以下公式确定河道水流侵蚀速率ve
Figure FDA0002998110410000021
式中，ve—河道水流侵蚀速率，单位cm/s；
B—河道宽度，单位m，由步骤(二)确定；
hw—河道水深，单位m，通过现场调查、或流量测量计算、或曼宁公式确定；
θw—河道坡度，单位°，由步骤(二)确定；
ρs—潜在滑坡土体的密度，单位g/cm3，通过现场调查、或室内实验、或历史文献资料确定；
ρ—水的密度，取值1g/cm3；
d50—潜在滑坡土体平均粒径，单位m，通过现场调查、或筛分法、或图像粒径分析方法确定；
g—重力加速度、取值9.8m/s2；
(七)将步骤(五)中得到的潜在滑坡土体堆积速率vd和步骤(六)中得到的河道水流侵蚀速率ve代入公式
Figure FDA0002998110410000022
计算得到无量纲速率指标vde；当vde＞54时，判定潜在滑坡土体能堵塞主流河道并形成堰塞坝；当vde<47时，判定潜在滑坡土体不会堵塞主流河道，不会形成堰塞坝；当47≤vde≤54时，判定潜在滑坡土体有可能会堵塞主流河道而形成堰塞坝。
2.根据权利要求1所述基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法，其特征在于：步骤(一)中潜在滑坡面积与潜在滑坡体积之间的经验关系式为VL＝0.074AL 1.45；式中，VL为潜在滑坡体积、单位m3，AL为潜在滑坡面积、单位m2、通过遥感及地形数据确定。
3.根据权利要求1所述基于水流侵蚀能力的堰塞坝形成评估方法，其特征在于：所述潜在滑坡的位置通过滑坡早期识别图得到。
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