CN109766513A - 一种泥石流断面平均流速的测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流断面平均流速的测算方法。所述测算方法首先确定泥石流沟道纵比降和泥石流流深，然后根据泥石流体容重和泥石流固体物质容重确定泥石流体积含沙量，最后将所获取参数代入泥石流断面平均流速计算公式，从而获得较为科学合理的泥石流断面平均流速。该方法充分考虑了泥石流沟道纵比降、泥石流体积含沙量及泥深对泥石流流速的影响，计算所需参数可以通过现场调查测量、取样和试验分析获得，能够科学合理确定泥石流断面平均流速，为泥石流勘查和防治工程设计提供依据，计算方法量纲和谐，计算过程科学简便、测算结果误差小，能够满足工程领域的需要。

Description

一种泥石流断面平均流速的测算方法

技术领域

本发明涉及一种基于不完全相似理论的泥石流断面平均流速的测算方法，及其在泥石流天然沟道条件下或在泥石流排导槽设计合理性校核中的应用。

背景技术

泥石流是中国山区一种多发的地质灾害，具有突发性强、历时短、冲淤幅度大、破坏力强等特点。近年来，地震活动渐趋频繁，加之全球气候变化导致极端天气显著增加，泥石流活动更为活跃，大型、特大型泥石流灾害频繁发生，人民生命财产安全和生态环境受到严重危害和威胁。为推动山区经济社会全面持续发展，泥石流防治治理就显得十分必要。

泥石流平均流速是泥石流动力学性质中最为重要的参数之一，在泥石流防治工程设计中不可或缺。泥石流流速直接关系泥石流流量、冲击力、弯道超高等重要工程设计参数的计算。目前，常用的泥石流断面平均流速确定方法主要有直接观测法、调访法和经验公式计算法。其中，直接观测法可以直接确定泥石流流速，但设立观测站点观测泥石流费时耗力，且很难直接观测到中、低频泥石流事件。调访法是通过调访泥石流目击者来确定泥石流流速范围，其缺点在于主观因素较大，且山区很多泥石流爆发于夜间，很难找到目击者。因此，在泥石流勘查和防治工程设计中，主要还是采用经验公式计算法。目前，确定泥石流断面平均流速的经验、半经验计算公式有数十种之多。这些公式多是根据部分泥石流沟原型观测数据统计分析所得，且存在量纲不和谐、难以考虑不同影响因子之间的相互关联等缺陷，其适用性受到一定限制。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于不完全相似理论的泥石流断面平均流速测算方法，该方法充分考虑泥石流沟道纵比降、泥石流体积含沙量及泥深对泥石流流速的影响，计算所需参数可以通过现场调查测量、取样和试验分析获得，能够科学合理确定泥石流断面平均流速，为泥石流勘查和防治工程设计提供依据，计算方法量纲和谐，计算过程科学简便、测算结果误差小，能够满足工程领域的需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种泥石流断面平均流速的测算方法，采用不完全相似理论来构建泥石流断面平均流速计算公式。基于该理论，首先通过量纲分析，确定影响泥石流无量纲断面平均流速的主要因子(体积含沙量、沟道纵比降)，确保本发明所构建的公式量纲和谐；其次，通过对国内9条泥石流沟的128组观测数据分析表明，泥石流无量纲断面平均流速与主要因子之间存在幂函数关系，满足应用不完全相似理论进行泥石流无量纲断面平均流速计算的前提条件；再次，基于已确定的系数，采用该理论确定不同因子之间的相互关联及其对无量纲断面平均流速的影响；最后，采用来自4个国家6条泥石流沟的61组泥石流断面流速观测数据检验了本发明所提方法的适用性，结果表明基于该理论的泥石流断面平均流速计算方法适用性较好。所述测算方法的推导过程具体如下：

泥石流流动形态、动力来源和阻力功耗等与水流有一定的相似性，结合水力学中曼宁公式，泥石流断面平均流速V可表示为：

公式1中，n为糙率系数，h为泥石流泥深，S为泥石流沟道纵比降。糙率系数n表示泥石流在运动过程中的阻力，考虑到泥石流所受到的阻力还受泥石流体积含沙量C_V和重力加速度g的影响，因此泥石流断面平均流速V可以表示为泥石流体积含沙量C_V、重力加速度g、泥石流沟道纵比降S和泥石流泥深h的函数：

V＝Φ(g,h,C_V,S) 公式2

采用无量纲形式，公式2还可表示为：

更进一步，公式3左侧的分母采用摩阻流速表示，则公式3可改写为：

公式4中，是泥石流无量纲断面平均流速。由公式4可知，泥石流体积含沙量C_V和沟道纵比降S是影响泥石流无量纲断面平均流速的主要因子。依据来自中国9条泥石流沟的128组观测数据分析得出，泥石流无量纲断面平均流速与泥石流体积含沙量C_V和沟道纵比降S之间存在幂函数关系，满足应用不完全相似理论的前提条件。因此，泥石流无量纲断面平均流速可表示为如下两种形式：

公式5中，f₁和f₂是C_V的函数；公式6中，g₁和g₂是S的函数。对公式5和公式6取对数，然后对C_V求微分可得如下两个公式：

公式7和公式8左边的偏微分是相等的，则可得到：

由于g₂仅仅是S的函数，且f₁和f₂仅与C_V有关，那么公式9中与C_V有关的项可以被认为是常量(con)，因此：

对公式10和11分别积分可以得到：

f₂＝m₃ln(C_V)+m₄ 公式13公式12和公式13中的m₁、m₂、m₃和m₄为待定系数。

将公式12和公式13代入公式5，可以得到泥石流无量纲断面平均流速的计算公式：

公式14中，沟道纵比降S的指数不是一个常数，而是与泥石流体积含沙量C_V相关，这就反映了影响泥石流无量纲断面平均流速的两个主要因子之间的相互作用。进而，泥石流断面平均流速计算公式可表示为：

搜集泥石流野外观测数据，涉及柳湾沟、泥湾沟、火烧沟、山背后沟、蒋家沟、大白泥沟、三滩沟、法窝沟和老干沟，共9条沟道128组数据，通过统计分析，确定待定系数m₁＝2.379、m₂＝0.391、m₃＝0.011、m₄＝-0.446。

最后，运用所搜集到的涉及前苏联Duludr River、美国Pine Creek和MuddyRiver、中国云南浑水沟、以及瑞士高海拔地区Schipfenbach沟和Illbach沟，共计6条沟道61组数据进行适用性验证分析，结果表明，本发明提出的泥石流断面平均流速测算公式适用性较好，其平均相对误差为16.7％，较传统方法至少减小9.5％。

具体而言，所述基于不完全相似理论的泥石流断面平均流速测算方法步骤如下：

(一)通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定泥石流沟道纵比降S；

通过现场调查，确定泥石流流深h、单位m；

(二)通过实际取样实测容重，确定泥石流体容重γ_d和泥石流固体物质容重γ_s，

单位均为kN/m³；将γ_d、γ_s代入公式计算得到泥石流体积含沙量C_v，式中，γ_W为水的容重、取值9.80kN/m³；

(三)通过以下公式确定泥石流断面平均流速V

式中，V—泥石流断面平均流速，单位m/s；

C_v—泥石流体积含沙量，由步骤(二)确定；

S—泥石流沟道纵比降，由步骤(一)确定；

h—泥石流流深，单位m，由步骤(一)确定；

g—重力加速度，取值9.8m/s²。

所述泥石流断面平均流速测算方法适用于泥石流天然沟道条件下，或用于泥石流排导槽设计合理性的校核。当用于泥石流排导槽设计合理性校核时，通过现场调查确定泥石流峰值流量Q_p；通过所述泥石流断面平均流速测算方法，确定排导槽中泥石流断面平均流速V，然后计算排导槽过流流量Q；比较排导槽过流流量Q与泥石流峰值流量Q_p，若Q＞Q_p，则所设计排导槽合理。

所述泥石流断面平均流速测算方法适用于泥石流体积含沙量C_v为0.19-0.79、泥石流沟道纵比降S为0.01-0.50的泥石流断面平均流速测算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在泥石流断面平均流速的测算中充分考虑了泥石流体积含沙量、沟道纵比降和泥石流泥深的影响，计算公式量纲和谐，且适用范围较传统公式更广，同时，能够通过简便易行的方法获取具体的计算参数，将获取的参数代入泥石流断面流速计算公式，即可获得较为科学合理的泥石流断面平均流速。

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

某泥石流沟，流域面积7.81km²，主沟长3.25km，流域内最低点沟口的海拔883m，最高峰海拔2402m，相对高差1519m。该沟多次暴发超大规模泥石流，对某场镇构成极大威胁。

利用本发明的泥石流断面平均流速测算方法在泥石流天然沟道条件下进行泥石流断面平均流速的测算，具体步骤如下：

第一步，通过现场调查实测，确定泥石流沟道纵比降S为0.11；通过现场调查，确定泥石流流深h为2.70m。

第二步，通过实际取样实测容重，确定泥石流体容重γ_d为22.05kN/m³、泥石流固体物质容重γ_s为26.46kN/m³；将γ_d、γ_s代入公式计算得到泥石流体积含沙量C_v为0.735。

第三步，通过公式

计算得到泥石流断面平均流速V为9.68m/s。

通过原型观测的录像分析获得的泥石流断面平均流速为10.19m/s，相对误差为5％。

实施例二

某泥石流沟流域面积约为1.36km²，主沟上游山体地形陡峻，最高点海拔1987m，最低点位沟口的海拔810m，相对高差达1177m；泥石流沟主沟长2.59km，沟床纵坡比降0.412。汶川地震后，该沟发生多次泥石流，沟道下切严重，切割深度约30m，沟道形态呈“V”型，平均宽度约3～5m。

经野外调查计算得知，该沟20年一遇的泥石流峰值流量约为115.3m³/s。为减轻泥石流灾害对沟口公路安全畅通的影响，拟在沟口区域修建排导槽跨越公路。该排导槽过横断面设计为矩形，宽6m、深3.5m，20年一遇泥石流设计泥深为2.5m，排导槽的床面纵比降为0.35。接下来，利用本发明的泥石流断面平均流速测算方法进行泥石流排导槽设计合理性的校核，具体步骤如下：

第一步，通过现场调查实测，确定泥石流沟道纵比降S为0.35；通过现场调查，确定泥石流流深h用20年一遇泥石流设计泥深代替、为2.5m。

第二步，通过实际取样实测容重，确定泥石流体容重γ_d为18.62kN/m³、泥石流固体物质容重γ_s为25.97kN/m³；将γ_d、γ_s代入公式计算得到泥石流体积含沙量C_v为0.545。

第三步，通过公式

计算得到泥石流断面平均流速V为8.83m/s。

经计算得到排导槽中的泥石流断面平均流速为8.83m/s，过水断面面积为2.5×6＝15m²，则泥石流排导槽的过流流量Q为8.83×15＝132.5m³/s。在排导20年一遇的泥石流时，泥石流峰值流量Q_p为115.3m³/s，泥石流排导槽的过流流量Q大于泥石流峰值流量Q_p，表明该泥石流排导槽设计合理，能够满足实际工程要求。

Claims (3)

1.一种泥石流断面平均流速的测算方法，其特征在于：所述泥石流断面平均流速的测算方法步骤如下：

(一)通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定泥石流沟道纵比降S；通过现场调查，确定泥石流流深h、单位m；

(二)通过实际取样实测容重，确定泥石流体容重γ_d和泥石流固体物质容重γ_s，单位均为kN/m³；将γ_d、γ_s代入公式计算得到泥石流体积含沙量C_v，式中，γ_W为水的容重、取值9.80kN/m³；

(三)通过以下公式确定泥石流断面平均流速V

式中，V—泥石流断面平均流速，单位m/s；

C_v—泥石流体积含沙量，由步骤(二)确定；

S—泥石流沟道纵比降，由步骤(一)确定；

h—泥石流流深，单位m，由步骤(一)确定；

g—重力加速度，取值9.8m/s²。

2.根据权利要求1所述泥石流断面平均流速的测算方法，其特征在于：适用于泥石流天然沟道条件下，或用于泥石流排导槽设计合理性的校核。

3.根据权利要求1所述泥石流断面平均流速的测算方法，其特征在于：适用于泥石流体积含沙量C_v为0.19-0.79、泥石流沟道纵比降S为0.01-0.50的泥石流断面平均流速测算。