CN110532682B - 一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法，该方法通过理论力学和流体力学分析，确定泥石流沟内的堰塞湖和堰塞坝几何形态参数与堰塞坝漫顶溃决时的流深关系，将所获得的参数带入确定泥石流堰塞坝漫顶溃决时的流深放大系数计算公式，可以获得泥石流堰塞坝漫顶溃决时的最小流深预测值。该方法适用于泥石流堰塞坝漫顶溃决时的流深预测，与现有技术相比，本发明结合泥石流沟内的堰塞湖野外调查、现场测量和理论分析，将堰塞湖和堰塞坝几何形态参数转换为堰塞坝漫顶溃决时的最小流深，能更准确的得到泥石流堰塞坝漫顶溃决时的流深特征值，为泥石流堰塞坝稳定性预测和防治提供依据，其运用简单、高效，可满足地质灾害预防需要。
Description
技术领域
本发明涉及泥石流堰塞坝预警与防治应用技术领域，具体涉及一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法。
背景技术
我国西部山区的公路网、铁路网日益完善，而我国西部山区滑坡、崩塌、泥石流地质灾害分布广泛，特别是在汶川地震、芦山地震以及九寨沟地震后，西部山区泥石流沟内分布着大量的泥石流物源，在雨季时节每年都有不同规模的泥石流事件发生，给西部地区的城市建设和交通建设带来巨大风险。
由于我国西部山区的高陡地形，使得崩塌、滑坡堆积体主要堆积于泥石流沟道内，形成一座座天然的堰塞坝，不仅加剧了泥石流沟道的堵塞情况，而且增加了泥石流的沟道物源，在强烈的降雨汇流条件下，当降雨强度大于堰塞坝的渗流强度时汇流形成一定水深的堰塞湖。根据前人关于堰塞坝的破坏模式的统计分析发现，堰塞坝的破坏方式主要为漫顶溃决破坏。由于堰塞湖整体平面形态呈“上大下小”，使得地表径流由堰塞湖运动至堰塞坝时的流深突增，进而形成高动水压力，不仅对堰塞坝有着强烈的侵蚀作用，而且当堰塞坝溃决时形成的高冲击力对堰塞坝下游的泥石流沟道物源也有强烈的侵蚀作用。
目前，对于泥石流沟内的堰塞坝溃决预警、监测方法主要通过视频实时动态监测堰塞湖内的汇水流深，泥石流堰塞坝现场溃决预警和监测的工作难度大、工作风险高、工作量繁重，使得堰塞坝溃决预警的准确度低、工作周期长，不能满足泥石流的快速预警和治理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前还没有基于泥石流沟内的堰塞湖几何形态和堰塞坝几何形态与泥石流堰塞坝溃决时流深的关系研究，进而对堰塞坝溃决时流深的预测不够精准，工作难度大，不能满足泥石流的快速预警和治理。本发明提供了解决上述问题的一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法，解决泥石流沟内的堰塞湖、堰塞坝几何形态与溃决流深的关系，构建基于堰塞湖、堰塞坝几何形态参数的堰塞坝漫顶溃决的流深预测模型，并进行实例运用，为泥石流沟内的堰塞坝溃决预警和防治提供新方法，适用于泥石流堰塞坝预警防治的需要。
本发明通过下述技术方案实现：
一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法，该泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法包括如下步骤：
A：构建泥石流堰塞坝溃决时的坝体几何形态模型；
B：抽取步骤A中构建的坝体几何形态模型在泥石流堰塞坝漫顶溃决时的几何形态参数，并将抽取的几何形态参数运用到泥石流堰塞坝溃决时的流深放大系数计算模型中；
C：根据泥石流堰塞坝溃口前后位置满足流量守恒，进行堰塞湖卡口位置和堰塞坝溃口位置的流量计算与分析，构建流深放大系数计算模型，并把步骤B抽取到的泥石流漫顶溃决时的几何形态参数代入流深放大系数计算模型进行流深放大系数的计算分析；
D：根据步骤C计算出的流深放大系数kh，对泥石流堰塞坝溃决时的流深进行预测，流深预测值M＝kh×N，N为堰塞坝上游的堰塞湖临界流深。
工作原理是：本发明从泥石流沟内的堰塞湖几何形态和堰塞坝几何形态多方面入手，构建了一种泥石流堰塞坝溃决时流深的放大系数计算模型，并使用构建的模型进行泥石流堰塞坝溃决时流深的预测。首先，在堰塞湖几何形态特征方面，泥石流沟内的堰塞湖汇流深度受降雨条件影响，利用堰塞湖的流深和平均宽度定量反映了堰塞湖的储水条件；其次，在堰塞坝的几何形态特征方面，堰塞坝宽度反映了堰塞坝漫顶溃决时的流体动力学参数，利用泥石流沟内的堰塞湖几何形态参数和堰塞坝几何形态参数特征定量反映了堰塞湖流体运动至堰塞坝发生漫顶溃决时的流深变化关系。根据理论原理分析堰塞湖与堰塞坝的几何形态参数快速地建立起了堰塞坝漫顶溃决时的流深放大系数计算模型。
该方法适用于泥石流堰塞坝漫顶溃决时的流深预测，与现有技术相比，本发明结合泥石流沟内的堰塞湖野外调查、现场测量和理论分析，将堰塞湖和堰塞坝几何形态参数转换为堰塞坝漫顶溃决时的最小流深，能更准确的得到泥石流堰塞坝漫顶溃决时的流深特征值，为泥石流堰塞坝稳定性预测和防治提供依据，其运用简单、高效，可满足地质灾害预防需要。
进一步地，步骤B中泥石流堰塞坝溃决时的几何形态参数包括泥石流沟内的堰塞湖几何形态参数、堰塞坝几何形态参数，具体几何形态参数包括泥石流沟内的堰塞湖和堰塞坝的相关参数，相关参数包括堰塞湖平均宽度c1，堰塞坝溃决口位置的宽度c2，堰塞湖沟道坡度α1，堰塞坝溃口的沟道坡度α2，堰塞湖流深Z1，堰塞坝溃口流深Z2。
进一步地，步骤C中构建的流深放大系数计算模型公式为：
式中，c1为堰塞湖平均宽度，单位(m)；c2为堰塞坝溃决口位置的宽度，单位(m)；α1为堰塞湖沟道坡度，单位(°)；α2为堰塞坝溃口的沟道坡度，单位(°)；Z1为堰塞湖流深，单位(m)；Z2为堰塞坝溃口流深，单位(m)。
进一步地，堰塞坝漫顶溃决时的流深预测是通过堰塞坝漫顶溃决时的堰塞湖溢流时的临界流深来反映，其中，堰塞坝漫顶溃决时的堰塞湖溢流时的临界流深Z1计算采用的公式如下：
h1＝khZ1
式中，kh为流深放大系数，单位％，h1为堰塞坝漫顶溃决时的临界流深，单位(m)。
进一步地，所述堰塞坝漫顶溃决时的临界流深h1计算采用的公式如下：
h1＝[(γcosβtanθ-(γ-γW)sinβ)/(ηJ1/2)]-3/4
式中，J为堰塞坝的沟道坡度的正切值，
单位(‰)；β为堰塞坝背水面的堆积坡度，单位(°)；
为沟道坡度，单位(°)；θ为泥石流堆积物的内摩擦角，θ≈β，单位(°)；η为泥石流的黏滞系数，单位(Pa·s)，在常温20℃时，粘滞系数为1.005Pa·s；γ为泥石流容重，单位(KN/m3)；γW为泥石流体中水的容重，γW＝10KN/m3，单位(KN/m3)。
进一步地，步骤C中确定泥石流沟内的堰塞坝溃决时的流深放大系数计算模型适用于堰塞坝溃决流深的预测，将得到的放大后的堰塞湖临界流深作为泥石流沟内的堰塞坝漫顶溃决时的最小流深。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明方法适用于泥石流堰塞坝漫顶溃决时的流深预测，与现有技术相比，本发明结合泥石流沟内的堰塞湖野外调查、现场测量和理论分析，将堰塞湖和堰塞坝几何形态参数转换为堰塞坝漫顶溃决时的最小流深，能更准确的得到泥石流堰塞坝漫顶溃决时的流深特征值，为泥石流堰塞坝稳定性预测和防治提供依据，其运用简单、高效，可满足地质灾害预防需要。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的泥石流堰塞湖、堰塞坝几何形态参数纵坡面示意图。
图2为本发明的泥石流堰塞湖、堰塞坝几何形态参数水平面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1、图2所示，一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法，其主要思路是：将泥石流沟内的堰塞湖和堰塞坝的几何形态参数特征应用于堰塞坝漫顶溃决时的流深预测。首先搜集泥石流沟内的堰塞坝分布，然后通过野外调查、现场测量确定堰塞湖的平均宽度、堰塞坝的堆积宽度、堰塞湖所在位置的沟道坡度、堰塞坝所在位置的沟道坡度，通过现场测量确定堰塞湖和堰塞坝的几何形态参数，在此基础上通过理论分析原理推导泥石流沟内的堰塞坝漫顶溃决时的流深放大系数计算模型，并使用构建的模型进行泥石流堰塞坝溃决时流深的预测。
如图1、图2所示，图1、图2中，α为堰塞坝迎水面堆积坡度，β为堰塞坝背水面的堆积坡度，
为堰塞坝所处位置的沟道坡度，c2为溃决口位置的宽度，c1为堰塞湖平均沟道宽度，L为堰塞湖置的长度，l为堰塞坝的宽度，H为堰塞湖形成漫顶溢流时的水深，h为堰塞坝的最高位置的堆积厚度，h1为堰塞坝漫顶溃决时的流深，Z2为堰塞坝溃决时的流深，Z1为堰塞坝溃决时堰塞湖的流深。
该泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法包括如下步骤：
A：构建泥石流堰塞坝溃决时的坝体几何形态模型；
B：抽取步骤A中构建的坝体几何形态模型在泥石流堰塞坝漫顶溃决时的几何形态参数，并将抽取的几何形态参数运用到泥石流堰塞坝溃决时的流深放大系数计算模型中；
C：根据泥石流堰塞坝溃口前后位置满足流量守恒，进行堰塞湖卡口位置和堰塞坝溃口位置的流量计算与分析，构建流深放大系数计算模型，并把步骤B抽取到的泥石流漫顶溃决时的几何形态参数代入流深放大系数计算模型进行流深放大系数的计算分析；
D：根据步骤C计算出的流深放大系数kh，对泥石流堰塞坝溃决时的流深进行预测，流深预测值M＝kh×N，N为堰塞坝上游的堰塞湖临界流深。
步骤B、步骤C的具体过程如下：
1)，根据泥石流沟内的堰塞湖和堰塞坝的野外调查，得到堰塞坝迎水面堆积坡度α，堰塞坝背水面的堆积坡度β，堰塞坝所处位置的沟道坡度
溃决口位置的宽度c2，堰塞湖平均沟道宽度c1，堰塞湖置的长度L，堰塞坝的宽度l，堰塞湖形成漫顶溢流时的水深H，堰塞坝的最高位置的堆积厚度h，堰塞坝漫顶溃决时的流深h1，堰塞坝溃决时的流深流深Z2，堰塞坝溃决时堰塞湖的流深Z1。
2)，根据理论力学原理，得到堰塞坝漫顶溃决时的临界流深公式表示为：
h1＝[(γcosβtanθ-(γ-γW)sinβ)/(ηJ1/2)]-3/4 (1)
式中，J为堰塞坝的沟道坡度的正切值，
单位(‰)；β为堰塞坝背水面的堆积坡度，单位(°)；
为沟道坡度，单位(°)；θ为泥石流堆积物的内摩擦角，θ≈β，单位(°)；η为泥石流的黏滞系数，单位(Pa·s)，在常温20℃时，粘滞系数为1.005Pa·s；γ为泥石流容重，单位(KN/m3)；γW为泥石流体中水的容重，γW＝10KN/m3，单位(KN/m3)。
3)，根据理论力学和流体力学原理，得到泥石流堰塞坝溃口前后位置满足流量守恒，堰塞湖卡口位置和堰塞坝溃口位置的流量公式表示为：
v1A1＝v2A2 (2)
式中，v1为堰塞湖卡口位置流体的流速，单位(m/s)；A1为堰塞湖卡口位置的横切面积，单位(m2)；v2为堰塞坝溃口位置的流体流速，单位(m/s)；A1为堰塞坝溃口位置的横切面积，单位(m2)。
4)，根据泥石流的流速计算分析，得到堰塞坝溃决过程中的泥石流流速公式表示为：
式中，v为泥石流的流速，单位(m/s)；n为泥石流沟道的糙率系数；Z为泥石流的流深，单位(m)；J为泥石流沟道的纵比降，单位(‰)。
5)，根据流量守恒公式(2)和泥石流流速公式(3)，得到单位时间内堰塞湖的流量与堰塞坝位置的流量公式表示为：
式中，Z1为堰塞湖平均的流深，单位(m)；J1为堰塞湖的沟道纵比降，单位(‰)；c1为堰塞湖平均宽度，单位(m)；Z2为堰塞坝的流深，单位(m)；J2为堰塞坝的沟道纵比降，单位(‰)；c2为堰塞坝溃决口位置的宽度，单位(m)。
6)，根据堰塞湖与堰塞坝流量守恒公式(4)，得到堰塞坝漫顶溃决时的流深放大系数公式表示为：
式中，c1为堰塞湖卡口位置宽度，单位(m)；c2为堰塞坝溃决口位置的宽度，单位(m)；α1为堰塞湖沟道坡度，单位(°)；α2为堰塞坝溃口的沟道坡度，单位(°)；Z1为堰塞湖平均流深，单位(m)；Z2为堰塞坝溃口流深，单位(m)。
7)，根据公式(1)和公式(5)，得到堰塞坝漫顶溃决时的堰塞湖溢流时的临界流深公式表示为：
h1＝khZ1 (6)
其中，所述公式(6)中确定堰塞湖溢流时的临界流深公式适用于泥石流沟内的堰塞坝漫顶溃决时的堰塞湖漫顶流深预测，将得到的堰塞湖漫顶流深作为堰塞坝漫顶溃决时的最小溢流流深，从而有效避免了泥石流沟的堰塞湖漫顶流深值过低，进而造成堰塞坝溃决的问题。
为了验证泥石流堰塞坝溃决时流深的放大系数计算模型的正确性和实用性，选取汶川震区七盘沟为研究对象，其中七盘沟位于岷江左岸，流域面积54.2km2，流域地形呈叶脉状，发育15条支沟，最高峰岭海拔4350m，最低岷江边海拔1300m，高差1000-3050m。
七盘沟流域内发育了大大小小堰塞湖十个以上，其中老鹰岩堰塞湖的库容较大，如表1所示，且堰塞湖卡口位置都形成了较高的壅高(8m-17m)，在卡口位置由于流通宽度急剧变窄，由于伯努利效应导致流深在堰塞湖卡口位置迅速升高(10m-25m)。
表1七盘沟堰塞湖分布及几何参数
为了有效的防治和治理泥石流，防止岷江被堵塞威胁下游安全，根据泥石流堰塞湖特征对堰塞坝溃决后的动水压力有效预测，具体预测计算方法及步骤如下：
B：通过野外调查和现场测量，获取七盘沟堰塞坝的几何形态特征，其中七盘沟老鹰岩堰塞坝的几何形态特征如下表2所示。
表2七盘沟老鹰岩堰塞坝基本情况表
C：将步骤B确定的各参数代入下公式，
通过以上公式计算获取七盘沟老鹰岩堰塞坝溃决时的流深放大系数为1.9，对比泥石流沟的堆积扇面积野外观测数据，分析泥石流堰塞坝溃决时的流深放大系数计算模型的适用性，为泥石流堰塞坝的预警和防治提供一定参考。
D：七盘沟老鹰岩堰塞坝溃决时的流深预测是通过现行土力学原理计算出的七盘沟老鹰岩堰塞坝漫顶溃决时的临界流深，用现行流体力学原理计算出的七盘沟老鹰岩堰塞坝漫顶溃决时的临界流深乘以流深放大系数为1.9，就能预测出七盘沟老鹰岩泥石流堰塞坝漫顶溃决时的流深，流深预测值M＝kh×N，N为堰塞坝上游的堰塞湖临界流深。通过监控流深，进行泥石流的快速预防和治理。
该方法适用于泥石流堰塞坝漫顶溃决时的流深预测，与现有技术相比，本发明结合泥石流沟内的堰塞湖野外调查、现场测量和理论分析，将堰塞湖和堰塞坝几何形态参数转换为堰塞坝漫顶溃决时的最小流深，能更准确的得到泥石流堰塞坝漫顶溃决时的流深特征值，为泥石流堰塞坝稳定性预测和防治提供依据，其运用简单、高效，可满足地质灾害预防需要。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法，其特征在于：该泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法包括如下步骤：
A：构建泥石流堰塞坝溃决时的坝体几何形态模型；
B：抽取步骤A中构建的坝体几何形态模型在泥石流堰塞坝漫顶溃决时的几何形态参数，并将抽取的几何形态参数运用到泥石流堰塞坝溃决时的流深放大系数计算模型中；
C：根据泥石流堰塞坝溃口前后位置满足流量守恒，进行堰塞湖卡口位置和堰塞坝溃口位置的流量计算与分析，构建流深放大系数计算模型，并把步骤B抽取到的泥石流漫顶溃决时的几何形态参数代入流深放大系数计算模型进行流深放大系数的计算分析；
D：根据步骤C计算出的流深放大系数kh，对泥石流堰塞坝溃决时的流深进行预测，流深预测值M＝kh×N，N为堰塞坝上游的堰塞湖临界流深。
2.根据权利要求1所述的一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法，其特征在于：步骤B中泥石流堰塞坝溃决时的几何形态参数包括泥石流沟内的堰塞湖几何形态参数、堰塞坝几何形态参数，具体几何形态参数包括泥石流沟内的堰塞湖和堰塞坝的相关参数，相关参数包括堰塞湖平均宽度c1，堰塞坝溃决口位置的宽度c2，堰塞湖沟道坡度α1，堰塞坝溃口的沟道坡度α2，堰塞湖流深Z1，堰塞坝溃口流深Z2。
3.根据权利要求1所述的一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法，其特征在于：步骤C中构建的流深放大系数计算模型公式为：
式中，kh为流深放大系数，c1为堰塞湖平均宽度；c2为堰塞坝溃决口位置的宽度；α1为堰塞湖沟道坡度；α2为堰塞坝溃口的沟道坡度；Z1为堰塞湖流深；Z2为堰塞坝溃口流深。
4.根据权利要求3所述的一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法，其特征在于：堰塞坝漫顶溃决时的流深预测是通过堰塞坝漫顶溃决时的堰塞湖溢流时的临界流深来反映，其中，堰塞坝漫顶溃决时的堰塞湖溢流时的临界流深Z1计算采用的公式如下：
h1＝khZ1
式中，kh为流深放大系数，h1为堰塞坝漫顶溃决时的临界流深。
5.根据权利要求4所述的一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法，其特征在于：所述堰塞坝漫顶溃决时的临界流深h1计算采用的公式如下：
h1＝[(γcosβtanθ-(γ-γW)sinβ)/(ηJ1/2)]-3/4
式中，J为堰塞坝的沟道坡度的正切值，
β为堰塞坝背水面的堆积坡度；
为沟道坡度；θ为泥石流堆积物的内摩擦角；η为泥石流的黏滞系数，在常温20℃时，粘滞系数为1.005Pa·s；γ为泥石流容重；γW为泥石流体中水的容重。
6.根据权利要求1所述的一种泥石流堰塞坝溃决时流深预测方法，其特征在于：步骤C中确定泥石流沟内的堰塞坝溃决时的流深放大系数计算模型适用于堰塞坝溃决流深的预测，将得到的放大后的堰塞湖临界流深作为泥石流沟内的堰塞坝漫顶溃决时的最小流深。
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