CN108335034B - 格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度评价方法 - Google Patents

Abstract

一种格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度评价方法，步骤1，确定泥石流的容重、特征粒径、格子坝开口间距、沟道的纵坡；步骤2，通过下述方法确定闭塞度的计算公式：根据量纲分析法确定考虑泥石流体积浓度、颗粒特征粒径、格子坝开口间距、沟道纵坡等因素的闭塞度的无量纲关系式；采用不同的函数形式对无量纲关系式中的各无量纲因子进行回归分析，并通过比较残差平方和RSS与相关系数R²等指标选取最优函数表达式；根据步骤1中的参数及步骤2中的闭塞度计算公式计算闭塞度，从而根据闭塞度评价格子坝的闭塞情况。本发明综合考虑多因素影响，运用量纲分析方法，能够为定量确定格子坝闭塞情况和格子坝开口间距设计提供依据，适应工程应用的需求。

Description

格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度评价方法

技术领域

本发明涉及泥石流防治工程技术领域，特别涉及一种格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度评价方法。

背景技术

泥石流是山区常见的灾害之一，拦砂坝是泥石流防治工程中最常用的工程措施，按结构形式，拦砂坝可分为实体型拦砂坝和透水型拦砂坝两大类。2008年汶川地震以来，我国对于透水型拦砂坝研究取得了一定进展，在地震灾区逐渐修建了一些透水型拦砂坝，如窗口坝、缝隙坝、梁式格栅坝、格子坝等，其拦粗排细的性能，改善坝体受力条件，使其具有良好的结构强度和稳定性，同时削弱泥石流对于下游的冲击和破坏，能有效减少泥石流中粗大颗粒，相比实体重力坝具有广阔的发展空间。

格子坝作为一种重要的透过型拦砂坝，在我国实际工程中逐渐应用。然而目前关于格子坝拦挡粘性泥石流的闭塞情况研究较少，对于格子坝闭塞情况缺乏定量指标，其拦挡粘性泥石流设计还处于经验化阶段。因此，本发明提出格子坝闭塞度计算公式，能够为定量确定格子坝闭塞情况和格子坝开口间距设计提供依据，适应工程应用的需求。

公开号为CN 103343526 A，公开日为2013年10月9日的中国发明专利公开了一种窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法及其应用。该方法是仅针对窗口坝坝型，其判据仅考虑坝体开口参数对闭塞的影响；公开号为CN 106096216 A，公开日为2016年11月9日的中国发明专利公开了一种梁式格栅坝闭塞表现判别方法、应用。该方法是仅针对梁式格栅坝坝型，其判据没有考虑沟道纵坡对闭塞的影响。以这两个专利为代表的现有技术，其判据公式主要是判断闭塞类型，对于闭塞情况并非定量计算。

本发明基于量纲分析理论—π定理，结合室内水槽模型实验数据，给出格子坝闭塞度的定量计算的经验公式，可以进一步为实际工程应用提供依据。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种考虑泥石流体积浓度、泥石流特征粒径、格子坝开口间距和沟道坡度的格子坝闭塞度定量计算方法，为合理确定格子坝闭塞情况和格子坝开口间距设计提供依据，适应工程应用的需求。

本发明中的格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度评价方法，包括：

步骤1，确定泥石流的容重γ_c,、特征粒径d₉₅、格子坝开口间距b、沟道的纵坡tanθ；

步骤2，通过下述方法确定闭塞度的计算公式：

步骤2-1，根据量纲分析法确定考虑泥石流体积浓度C_v、颗粒特征粒径d₉₅、格子坝开口间距b、沟道纵坡tanθ等因素的闭塞度D的无量纲关系式；

步骤2-2，采用不同的函数形式对无量纲关系式中的各无量纲因子进行回归分析，并通过比较残差平方和RSS与相关系数R²等指标选取最优函数表达式；

步骤3，根据步骤1中的参数及步骤2中的闭塞度计算公式计算闭塞度，从而根据所述闭塞度评价格子坝的闭塞情况。

优选地，所述闭塞度的计算公式为：

式中：D为格子坝闭塞度；C_v为泥石流体积浓度；b/d₉₅为格子坝相对开口度；tanθ为沟道纵坡。

优选地，步骤2-2包括：

步骤a，考虑泥石流体积浓度C_v、颗粒特征粒径d₉₅、格子坝开口间距b、沟道纵坡tanθ等因素建立闭塞度D的无量纲关系式：

f(C_v,d₉₅,b,tanθ,D)＝0

步骤b，确定目标函数中的各变量量纲分别为：

[C_v]＝M⁰L⁰T⁰；[d₉₅]＝M⁰L¹T⁰；[b]＝M⁰L¹T⁰；[tanθ]＝M⁰L⁰T⁰；[D]＝M⁰L⁰T⁰从而得到量纲矩阵A^T为：

步骤c，应用Matlab软件进行分析，r＝rank(A^T),null(A^T，‘r’)

计算结果为r＝1，

即可得到各无量纲因子分别为：

从而得到目标函数的等价关系式为：

式中，γ_c为泥石流容重，单位kN/m³；γ_w为泥石流中水的容重，单位kN/m³，取值10；γ_s为泥石流中固体颗粒的容重，单位kN/m³，取值26.5。各变量即转化为无量纲参数体积浓度C_v、相对开口度b/d₉₅和沟床纵坡tanθ。

优选地，步骤2-2中的函数形式包括多元线性函数、多元幂函数、多元指数函数、多元对数函数等。

优选地，本计算方法中的泥石流容重γ_c为18～22kN/m³，格子坝相对开口度b/d₉₅为1.51～3.36，沟道纵坡为0.10～0.25。

优选地，步骤3包括：若闭塞度大于或等于90％，则判断为全闭塞类型；若闭塞度为10％～90％，则判断为半闭塞类型；若闭塞度小于或等于10％，则判断为未闭塞类型。

优选地，将所述计算方法于格子坝的闭塞情况预测、校核，以及指导格子坝开口间距的设计。

本发明充分考虑了粘性泥石流的体积浓度C_v、泥石流特征粒径d₉₅、格子坝开口间距b、沟道纵坡tanθ等主要因素的影响，通过计算定量确定格子坝的闭塞情况；可用于格子坝闭塞情况的预测、校核以及格子坝开口间距的设计。

与现有技术相比，本发明综合考虑多因素影响，运用量纲分析方法，选取体积浓度、相对开口度、沟道纵坡等无量纲参数，消除尺寸效应，结合室内水槽模型实验数据，给出格子坝闭塞度计算公式，能够为定量确定格子坝闭塞情况和格子坝开口间距设计提供依据，适应工程应用的需求。

附图说明

图1是格子坝结构示意图；

图2是泥石流颗粒全级配曲线。

具体实施方式

为实现上述目的，本发明提出一种格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度的计算方法，运用量纲分析，结合室内实验数据，给出计算公式，其技术方案如下：

(一)通过野外实地调查，确定泥石流的容重γ_c,，单位kN/m³；现场取样，确定泥石流全粒径级配曲线，得出特征粒径d₉₅的取值，即全粒径级配曲线中累积含量为95％对应的粒径值，单位m；选取实测或设计的格子坝开口间距b，单位m；现场测量沟道的纵坡tanθ。

(二)以闭塞度来评价格子坝的闭塞情况，定义为：

式中：S_a为坝体允许过流面积；S_b为泥石流过坝后过流区堵塞面积；D为闭塞度。格子坝拦挡粘性泥石流存在3种闭塞类型，即全闭塞类型(闭塞度为≥90％，考虑泥石流冲刷作用，其坝顶位置可能存在部分冲刷缺口，但整体变现为全闭塞)、半闭塞类型(闭塞度为10％～90％，坝体整体表现为部分闭塞)、未闭塞类型(闭塞度为≤10％，考虑粘性泥石流过流后残余层较高的影响)。

(三)采用目前最常用的一种量纲分析方法—Π定理，分析提出一种主要考虑泥石流体积浓度C_v、颗粒特征粒径d₉₅、格子坝开口间距b、沟道纵坡tanθ等因素的闭塞度D的无量纲关系式。

f(C_v,d₉₅,b,tanθ,D)＝0

目标函数各变量量纲分别为：

[C_v]＝M⁰L⁰T⁰；[d₉₅]＝M⁰L¹T⁰；[b]＝M⁰L¹T⁰；[tanθ]＝M⁰L⁰T⁰；[D]＝M⁰L⁰T⁰

可得量纲矩阵A^T为：

应用Matlab软件进行分析，r＝rank(A^T),null(A^T，‘r’)

计算结果为r＝1，

即可得到各无量纲因子分别为：

目标函数等价关系式为：

式中，γ_c为泥石流容重，单位kN/m³；γ_w为泥石流中水的容重，单位kN/m³，取值10；γ_s为泥石流中固体颗粒的容重，单位kN/m³，取值26.5。各变量即转化为无量纲参数体积浓度C_v、相对开口度b/d₉₅和沟床纵坡tanθ。

(四)为得到闭塞度与各影响因素间的计算式，分别采用不同的函数形式，如多元线性函数、多元幂函数、多元指数函数、多元对数函数等，利用Matlab软件对各无量纲因子进行回归分析，通过比较残差平方和RSS与相关系数R²等指标选取最优函数表达式。

其中多元对数函数残差平方和最小，相关系数最高。因此得到格子坝闭塞度与各影响因素最优函数表达式为：

式中：D为格子坝闭塞度；C_v为泥石流体积浓度；b/d₉₅为格子坝相对开口度；tanθ为沟道纵坡。

所述格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度计算公式适用于泥石流容重γ_c为18～22kN/m³，沟道纵坡为0.10～0.25，格子坝相对开口度b/d₉₅为1.51～3.36的泥石流格子坝闭塞度计算。

所述格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度计算公式适用于格子坝闭塞情况的预测、校核以及格子坝开口间距的设计。

与现有技术相比，本发明综合考虑多因素影响，基于量纲分析理论—π定理，选取体积浓度、相对开口度、沟道纵坡等无量纲参数，结合室内水槽模型实验数据，给出格子坝闭塞度计算公式，能够为合理确定格子坝闭塞情况和格子坝开口间距设计提供依据，进一步为实际工程应用服务。

下面结合附图，对本发明的优选实例做进一步的描述。

实施例1

某泥石流沟位于汶川县银杏乡，其流域面积为3.46km²，主沟长度1.83km，相对高差为1354m，沟床纵坡比降21％。流域内滑坡、崩塌发育，坡积物及泥石流堆积物丰富，沟道内跌水坎发育，块石分布，极易爆发泥石流，严重威胁居住在泥石流堆积扇的村民以及房屋、农田，直接威胁人口达1248人，财产约8200万元，危害程度大。

通过野外实地调查，确定泥石流的容重γ_c为21.3kN/m³；格子坝(如图1所示)的开口间距b为2.0m；现场取样，分析泥石流颗粒全级配曲线(如图2所示)，得到特征粒径d₉₅为1.0m；现场测量沟道纵坡为0.21。

根据闭塞度D计算公式，确定C_v为0.68，b/d₉₅为2.0，tanθ为0.21，定量分析，带入公式得到闭塞度为67％，预测格子坝为半闭塞状态。

实施例2

某泥石流沟位于白龙江流域陇南武都地区两水镇后坝村北侧，其流域面积为11.56km²，主沟长度5.97km，相对高差为998m，沟床纵坡比降17％。流域内岩体节理发育，土体松散、破碎，滑塌、崩塌十分发育，两侧支沟切割强烈，极利于降雨的迅速汇集，极易爆发泥石流，严重威胁着沟口居民生命、财产和212国道交通的安全。

通过野外实地调查，确定泥石流的容重为20.1kN/m³；现场取样，分析泥石流颗粒全级配曲线，得到特征粒径d₉₅为1.2m；现场测量沟道纵坡为0.17；根据需要，设计格子坝为全闭塞状态，要求其闭塞率为92％，需要确定格子坝的开口间距设计值。

根据闭塞度D计算公式，确定d₉₅为1.2m，C_v为0.61，tanθ为0.17，D为0.92，带入公式反算得到b为0.49m。综上，格子坝开口间距设计值取0.5m。

Claims (5)

1.一种格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度评价方法，其特征在于，包括：

步骤1，确定泥石流的容重γ_c、特征粒径d₉₅、格子坝开口间距b、沟道的纵坡tanθ；

步骤2，通过下述方法确定闭塞度的计算公式：

步骤2-1，根据量纲分析法确定考虑泥石流体积浓度C_v、颗粒特征粒径d₉₅、格子坝开口间距b、沟道纵坡tanθ等因素的闭塞度D的无量纲关系式；

步骤2-2，采用不同的函数形式对无量纲关系式中的各无量纲因子进行回归分析，并通过比较残差平方和RSS与相关系数R²等指标选取最优函数表达式；

步骤3，根据步骤1中的参数及步骤2中的闭塞度计算公式计算闭塞度，从而根据所述闭塞度评价格子坝的闭塞情况；

所述闭塞度的计算公式为：

式中：D为格子坝闭塞度；C_v为泥石流体积浓度；b/d₉₅为格子坝相对开口度；tanθ为沟道纵坡；

步骤2-2包括以下步骤a-步骤c：

步骤a，考虑泥石流体积浓度Cv、颗粒特征粒径d95、格子坝开口间距b、沟道纵坡tanθ等因素建立闭塞度D的无量纲关系式：

f(C_v，d₉₅，b，tanθ，D)＝0

步骤b，确定目标函数中的各变量量纲分别为：

[C_v]＝M⁰L⁰T⁰；[d₉₅]＝M⁰L¹T⁰；[b]＝M⁰L¹T⁰；[tanθ]＝M⁰L⁰T⁰；[D]＝M⁰L⁰T⁰从而得到量纲矩阵AT为：

步骤c，应用Matlab软件进行分析，r＝rank(AT)，null(AT，‘r’)；

计算结果为r＝1，

即可得到各无量纲因子分别为：

π₁＝C_v；

π₃＝tanθ；π₄＝D

从而得到目标函数的等价关系式为：

式中，γc为泥石流容重，单位kN/m3；γw为泥石流中水的容重，单位kN/m3，取值10；γs为泥石流中固体颗粒的容重，单位kN/m3，取值26.5；各变量即转化为无量纲参数体积浓度Cv、相对开口度b/d95和沟床纵坡tanθ。

2.根据权利要求1所述的格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度评价方法，其特征在于，步骤2-2中的函数形式包括多元线性函数、多元幂函数、多元指数函数、多元对数函数等。

3.根据权利要求1所述的格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度评价方法，其特征在于，本计算方法中的泥石流容重γ_c为18～22kN/m³，格子坝相对开口度b/d₉₅为1.51～3.36，沟道纵坡为0.10～0.25。

4.根据权利要求1所述的格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度评价方法，其特征在于，步骤3包括：

若闭塞度大于或等于90％，则判断为全闭塞类型；若闭塞度为10％～90％，则判断为半闭塞类型；若闭塞度小于或等于10％，则判断为未闭塞类型。

5.根据权利要求3所述的格子坝拦挡粘性泥石流闭塞度评价方法，其特征在于，将所述计算方法用于格子坝的闭塞情况预测、校核，以及指导格子坝开口间距的设计。

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