CN108563807A - 一种粘性泥石流的冲击力测算方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粘性泥石流的冲击力测算方法及其应用。所述测算方法首先通过样品实验筛分确定泥石流体中最大颗粒粒径和中值粒径，然后通过取样实测确定泥石流体密度和泥石流运动速度，最后计算得到粘性泥石流冲击力。本发明方法综合考虑了泥石流颗粒级配的影响，通过水槽实验修正了动水压冲击力计算公式的经验系数，其计算所需参数能够通过野外调查、取样和实验分析来获得，能够合理确定粘性泥石流运动的冲击力，为泥石流防治工程设计提供依据，适应泥石流实际工程设计需要。

Description

一种粘性泥石流的冲击力测算方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种粘性泥石流的冲击力测算方法，及其在泥石流拦挡工程设计中的应用。

背景技术

泥石流是中国山区一种常见的地质灾害。近年来，在趋于增强的地震活动扰动下，加之全球气候变化导致的极端天气显著增加，泥石流活动非常活跃，重大泥石流灾害频繁发生，人民生命财产安全受到严重危害和威胁。为了保障山区经济的可持续发展，泥石流防治治理就显得十分必要。

泥石流冲击力是泥石流防治工程设计中不可缺少的参数。由于粘性泥石流结构性强，具有很强的直进性，因此高速运动的粘性泥石流对泥石流拦挡工程及下游堆积扇的建筑物具有极强的冲击破坏能力。目前，针对粘性泥石流冲击力的计算主要是通过修正动水压进行，但这些计算公式中并没有具体考虑粘性泥石流体颗粒级配的影响。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种粘性泥石流的冲击力测算方法，该方法综合考虑了泥石流颗粒级配的影响，通过水槽实验修正了动水压冲击力计算公式的经验系数，其计算所需参数能够通过野外调查、取样和实验分析来获得，能够合理确定粘性泥石流运动的冲击力，为泥石流防治工程设计提供依据，适应泥石流实际工程设计需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种粘性泥石流的冲击力测算方法，所述测算方法的技术思想及推导过程如下：泥石流运动冲击力的取值规范了泥石流过流时的拦挡工程及结构物的受力特性。粘性泥石流被认为是一种特殊的固、液两相流，其流动形态、动力来源和阻力功耗等与水流相似。类比于水流，粘性泥石流冲击力计算公式与水流冲击力计算公式具有相关性，结合水力学中水动压冲击力公式，故粘性泥石流冲击力的表达公式应具有统一性，即

P＝Kρv² 公式1

公式1中，P为粘性泥石流冲击力，单位Pa；ρ为粘性泥石流密度，单位kg/m³；v为粘性泥石流运动流速，单位m/s；K为修正系数，综合反映了泥石流本身的材料属性。

下一步，确定粘性泥石流冲击力的修正系数K。泥石流本身由一种宽级配颗粒材料及水充分混合组成。粘性泥石流体中，粗颗粒的冲击力为泥石流整体冲击力的主要贡献部分，因此修正系数K应包含泥石流颗粒级配中的最大粒径d_max。为了使得量纲和谐，进一步选取中值粒径d₅₀无量纲化最大粒径d_max。由于泥石流的破坏性很强，在野外进行冲击力的测量非常困难，本发明通过水槽实验获取的实验数据进行拟合得到以下关系

将公式2带入公式1得到粘性泥石流冲击力计算公式为

本发明考虑了粘性泥石流颗粒级配的影响，提出了一种粘性泥石流冲击力的计算方法。具体而言，所述粘性泥石流的冲击力测算方法步骤如下：

(一)现场调查采集泥石流样品，通过实验筛分得到泥石流颗粒级配曲线，根据颗粒级配曲线确定泥石流体中最大颗粒粒径d_max和泥石流体中值粒径d₅₀、单位均为m。

(二)通过取样实测，确定泥石流体密度ρ、单位kg/m³；因为本发明方法是针对粘性泥石流，因此泥石流体密度ρ的取值为大于等于1800kg/m³。通过现场调查，确定泥石流运动速度v、单位m/s。

(三)通过以下公式确定粘性泥石流冲击力P

式中，P—粘性泥石流冲击力，单位Pa；

d_max—泥石流体中最大颗粒粒径，单位m，由步骤(一)确定；

d₅₀—泥石流体中值粒径，单位m，由步骤(一)确定；

ρ—泥石流体密度，单位kg/m³，由步骤(二)确定；

v—泥石流运动速度，单位m/s，由步骤(二)确定。

所述粘性泥石流的冲击力测算方法适用于野外泥石流沟道中粘性泥石流过流时拦挡工程或结构物所受冲击力的计算，进而为泥石流防治工程的设计提供依据，能够适应泥石流实际工程设计需要。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在粘性泥石流冲击力的计算中考虑了泥石流颗粒级配的影响，能够通过切实可行的方法获得具体的计算参数，将获取的参数代入粘性泥石流冲击力计算公式，从而计算得到较为准确的粘性泥石流冲击力；计算所需参数较少、且易于获取，同时计算结果准确合理。

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。

某泥石流沟位于云南省昆明市东川区绿茂乡境内，属金沙江流域一级支流小江流域的右岸一支沟，在地貌上属构造侵蚀中切割陡峻低-中山地貌、斜坡冲沟地形。该流域总体东西向伸展，汇水面积48.6km²，主沟全长19.3km，流域相对海拔2226m。该沟泥石流黏粒含量达9％，为典型的粘性泥石流，该沟在历史上曾多次暴发超大规模泥石流，淹没下游农田并堵断小江，造成巨大灾害。

为进行泥石流灾害防治，拟在该沟上游支沟修建泥石流拦挡工程，其中一个拦挡坝拟为浆砌石重力式拦挡坝。采用本发明测算方法计算泥石流过流时拦挡坝所受冲击力，为拦挡坝设计提供依据。所述粘性泥石流的冲击力测算方法步骤如下：

第一步，现场调查采集泥石流样品，通过实验筛分得到泥石流颗粒级配曲线，根据颗粒级配曲线确定泥石流体中最大颗粒粒径d_max为0.09m，泥石流体中值粒径d₅₀为0.005m。

第二步，通过取样实测，确定泥石流体密度ρ为2100kg/m³；通过现场调查，确定泥石流运动速度v为4.11m/s。

第三步，通过公式

确定粘性泥石流冲击力P为592.16×10³Pa。

现场测量的泥石流冲击力为617.54×10³Pa，相对误差为4.11％。根据测算得到的粘性泥石流冲击力，同时根据《浆砌石坝设计规范》(SL25-2005)，最终确定该坝设计尺寸为高5米、宽10米、厚3米。

Claims (3)

1.一种粘性泥石流的冲击力测算方法，其特征在于：所述粘性泥石流的冲击力测算方法步骤如下：

(一)现场调查采集泥石流样品，通过实验筛分得到泥石流颗粒级配曲线，根据颗粒级配曲线确定泥石流体中最大颗粒粒径d_max和泥石流体中值粒径d₅₀、单位均为m；

(二)通过取样实测，确定泥石流体密度ρ、单位kg/m³；通过现场调查，确定泥石流运动速度v、单位m/s；

(三)通过以下公式确定粘性泥石流冲击力P

式中，P—粘性泥石流冲击力，单位Pa；

d_max—泥石流体中最大颗粒粒径，单位m，由步骤(一)确定；

d₅₀—泥石流体中值粒径，单位m，由步骤(一)确定；

ρ—泥石流体密度，单位kg/m³，由步骤(二)确定；

v—泥石流运动速度，单位m/s，由步骤(二)确定。

2.根据权利要求1所述粘性泥石流的冲击力测算方法，其特征在于：泥石流体密度ρ大于等于1800kg/m³。

3.如权利要求1所述粘性泥石流的冲击力测算方法的应用，其特征在于：适用于野外泥石流沟道中粘性泥石流过流时拦挡工程或结构物所受冲击力的计算。