CN110532684A - 一种泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法，该方法通过泥石流沟内堰塞湖和堰塞坝的野外调查、现场测量以及理论分析等手段，确定堰塞湖的储水量和堰塞坝侵蚀方量与泥石流冲出量放大系数之间的关系，将所获得的参数带入确定泥石流沟堰塞坝漫顶溃决时的冲出量放大系数计算公式，可以获得堰塞坝漫顶溃决时的冲出量预测值。该方法适用于泥石流堰塞坝漫顶溃决时的冲出量预测，将堰塞湖和堰塞坝的几何形态参数转换为堰塞坝漫顶溃决时的冲出量，能更准确的得到泥石流堰塞坝溃决时的冲出量放大系数特征值，为泥石流堰塞坝的冲出量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后的冲出量预测方法。
背景技术
我国的泥石流灾害分布广泛，泥石流灾害的类型丰富，随时经济建设的不断深化，铁路网、公路网等交通网的日趋完善，对泥石流等地质灾害的预警和防治工作提出了新要求和新高度。泥石流地质之所以其灾害危害性大，主要是由于泥石流灾害在短时间内伴随着大量的、高速的流体，冲毁或者淤满沟口的城市建设和交通设施，严重威胁人民生命财产安全和国家经济建设。
由于泥石流的随机性、偶发性、突发性，使得泥石流的预警和防治成为研究重点和研究难点。泥石流固体物源储量是诱发泥石流的主要因素之一，其中泥石流固体物源主要来源于滑坡堆积体、崩塌堆积体、泥石流沟道堆积物。我国西南山区高陡的地形和大纵比降的沟道坡度，使得泥石流流域内的滑坡、崩塌堆积体主要集中于泥石流沟道内，严重加剧泥石流沟道的堵塞情况。例如，汶川地震过程中诱发的唐家山堰塞坝，唐家山堰塞坝主要由顺向滑坡运动堆积形成，在通口河内形成一座天然土石坝，堰塞坝总储量为2037×104m3。而根据前人研究可知，泥石流沟内的堰塞坝破坏方式主要为漫顶溃决破坏。
目前，泥石流的监测主要通过泥石流流域内的降雨强度和沟道流深进行实时动态监测，而对于泥石流堰塞坝发生漫顶溃决后，堰塞湖内的储水和堰塞坝固体物质参与至泥石流运动过程中，使得泥石流的流速、流量、冲出量等动力学参数发生突变。由于泥石流沟堰塞坝的野外调查和现场测量的工作难度大、工作风险高、工作量繁重，泥石流暴发的偶然性和突发性，使得泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测准确度低、工作周期长，不能满足泥石流的快速预防和治理。
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道内的堰塞湖几何形态、堰塞坝几何形态与堰塞坝漫顶溃决后冲出量的关系研究，进而对堰塞坝漫顶溃决后冲出量的预测不够精准。本发明提供了解决上述问题的一种泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法，解决泥石流沟道内的堰塞湖几何形态、堰塞坝几何形态与堰塞坝漫顶溃决后的冲出量关系的研究，构建基于堰塞湖和堰塞坝的几何形态的堰塞坝漫顶溃决后的冲出量放大系数预测模型，并进行实例运用，为泥石流堰塞坝溃决后的冲出量的预警和防治提供一种新方法，适用于泥石流防治工程设计的需要。
本发明通过下述技术方案实现：
一种泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法，该泥石流堰塞坝溃决后的冲出量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堆积模型；
B：抽取步骤A中构建的坝体几何堆积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后的冲出量放大系数计算模型中；
C：根据堰塞坝漫顶溃决破坏方式和三角形原理，结合堰塞湖满库时的水体储量和堰塞坝溃决口侵蚀的固体物质储备量进行定量分析，构建冲出量放大系数计算模型，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冲出量放大系数计算模型进行冲出量放大系数的计算分析；
D：根据步骤C计算出的冲出量放大系数kQ，对泥石流堰塞坝溃决后的冲出量进行预测，冲出量预测值M＝kQ×Q，Q为泥石流防治规范计算的冲出量。
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，构建了基于堰塞湖和堰塞坝的几何形态参数的堰塞坝溃决后的冲出量放大系数计算模型，并使用构建的模型进行堰塞坝溃决后的冲出量预测。首先，在堰塞湖的几何形态性质方面，泥石流沟内的堰塞湖的满库储量受堰塞湖的几何形态和降雨条件影响，利用堰塞湖的几何形态定量反映了堰塞湖满库储水量；其次，堰塞坝几何形态性质方面，堰塞坝的几何形态反映了堰塞坝固体物源储量，利用堰塞湖和堰塞坝几何参数特征定量反映了堰塞坝漫顶溃决后的冲出量，并通过理论分析原理快速地建立起了堰塞坝漫顶溃决后的冲出量放大系数计算模型。
本发明构建的模型公式同时考虑了泥石流沟内的堰塞湖几何形态和堰塞坝几何形态，结合堰塞湖满库时的水体储量和堰塞坝溃决口侵蚀的固体物质储备量进行定量计算分析，泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测准确度高、工作周期短，并且可将得到的冲出量作为最小冲出量，从而有效避免了因为堰塞坝溃决所导致的泥石流冲出量增加而使得泥石流防治工程未能满足实际需要而造成功能失效的问题，进而满足泥石流的快速预防和治理需要。
进一步地，步骤B中泥石流堰塞坝漫顶溃决时的几何形态参数包括泥石流沟内堰塞湖满库时的平均宽度、堰塞湖满库时的平均流深、堰塞湖淤满时的平均宽度、堰塞湖所处位置的沟道坡度β，堰塞坝所处位置的沟道平均宽度d2、堰塞坝溃决口的宽度d3、堰塞坝的迎水面堆积坡度α1、堰塞坝背水面堆积坡度α2、堰塞坝迎水面的侵蚀厚度H1、堰塞坝背水面的侵蚀厚度H2、堰塞坝的堆积长度l，水力类泥石流对比堰塞坝溃决时的相同流深条件下的沟道堆积体侵蚀厚度H、水力类泥石流沟道物源堆积宽度a、水力类泥石流沟道物源堆积长度b。
进一步地，步骤C中构建的冲出量放大系数计算模型公式为：
式中，kQ为泥石流堰塞坝漫顶溃决时的冲出量放大系数，α1为堰塞坝迎水面堆积坡度，α2为堰塞坝背水面堆积坡度；β为堰塞湖所处位置的沟道坡度；H1为堰塞坝迎水面的侵蚀厚度，H2为堰塞坝背水面的侵蚀厚度；H为水力类泥石流对比堰塞坝溃决时的相同流深条件下的沟道堆积体侵蚀厚度，a为水力类泥石流沟道堆积宽度，其中a＝d3，b为水力类泥石流沟道物源堆积长度，其中b＝l；d2为堰塞坝所处位置的沟道平均宽度，d3为堰塞坝溃决口的宽度，l为堰塞坝沟道堆积长度。
进一步地，步骤C中根据堰塞坝漫顶溃决破坏方式和三角形原理，结合堰塞湖满库时的水体储量和堰塞坝溃决口侵蚀的固体物质储备量进行定量分析，具体包括如下步骤：
(1)根据堰塞坝漫顶溃决破坏方式和三角形原理，计算堰塞湖满库时的水体储量，堰塞湖满库时的水体储量公式为：
式中，d2为堰塞坝所处位置的沟道平均宽度；α1为堰塞坝迎水面的堆积坡度；β为堰塞湖所处位置的沟道坡度；H1为堰塞坝迎水面堆积平均厚度；
(2)根据三角形原理，计算堰塞坝溃决口侵蚀的固体物质储备量，堰塞坝溃决口侵蚀的固体物质储备量公式为：
式中，d3为堰塞坝溃决口的沟道平均宽度；α1为堰塞坝迎水面的堆积坡度；α2为堰塞坝背水面的堆积坡度；H1为堰塞坝迎水面堆积平均厚度；H2为堰塞坝背水面堆积平均厚度；l为堰塞坝沟道堆积长度。
进一步地，所述步骤C中确定泥石流沟内的堰塞坝漫顶溃决时的冲出量放大系数计算模型适用于堰塞坝溃决后的冲出量预测，将得到的冲出量作为泥石流沟内的堰塞坝漫顶溃决后的最小冲出量。
进一步地，该泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法适用于瞬时全溃的堰塞坝。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、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，构建了基于堰塞湖和堰塞坝的几何形态参数的堰塞坝溃决后的冲出量放大系数计算模型，并使用构建的模型进行堰塞坝溃决后的冲出量预测；
2、本发明方法适用于泥石流堰塞坝漫顶溃决时的冲出量预测，与现有技术相比，本发明结合泥石流沟内堰塞湖和堰塞坝的野外调查、现场测量和理论分析，将堰塞湖和堰塞坝的几何形态参数转换为堰塞坝漫顶溃决时的冲出量，能更准确的得到泥石流堰塞坝溃决时的冲出量放大系数特征值，为泥石流堰塞坝的冲出量预测和防治提供依据；
3、本发明方法运用简单、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坝堆积几何形态参数示意图。
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所示，一种泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法，其主要思路是：将泥石流沟内的堰塞湖几何形态和堰塞坝几何形态参数应用于堰塞坝溃决后的冲出量预测。首先搜集泥石流沟内的堰塞坝分布，然后通过野外调查和现场测量确定堰塞湖满库时的平均宽度、堰塞湖满库时的平均流深、堰塞湖淤满时的平均宽度、堰塞坝的堆积宽度、堰塞坝的堆积厚度、堰塞坝的迎水面坡度、堰塞坝背水面坡度、堰塞坝的堆积长度等参数，在此基础上通过理论原理推导泥石流堰塞坝溃决后的冲出量放大系数计算模型，对堰塞坝溃决后的冲出量放大系数和冲出量进行预测。
如图1所示，α1为堰塞坝迎水面堆积坡度，α2为堰塞坝背水面堆积坡度，α3为堰塞坝自然堆积坡度，d1为堰塞湖满库时的平均宽度，d2为堰塞坝所处沟道位置的平均宽度，d3为堰塞坝溃决口的宽度，l为堰塞坝堆积长度，面OKFAD为堰塞坝堆积体，面ABCD与面EMNJ为堰塞坝溃口剖面。
该泥石流堰塞坝溃决后的冲出量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堆积模型；
B：抽取步骤A中构建的坝体几何堆积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后的冲出量放大系数计算模型中；
C：根据堰塞坝漫顶溃决破坏方式和三角形原理，结合堰塞湖满库时的水体储量和堰塞坝溃决口侵蚀的固体物质储备量进行定量分析，构建冲出量放大系数计算模型，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冲出量放大系数计算模型进行冲出量放大系数的计算分析；
D：根据步骤C计算出的冲出量放大系数kQ，对泥石流堰塞坝溃决后的冲出量进行预测，冲出量预测值M＝kQ×Q，Q为泥石流防治规范计算的冲出量。
步骤B、步骤C的具体过程如下：
首先，根据泥石流沟中的堰塞湖和堰塞坝几何形态现场测量，得到堰塞坝迎水面堆积坡度α1，单位(°)；堰塞坝背水面堆积坡度α2，单位(°)；堰塞坝自然堆积坡度α3，单位(°)；堰塞湖所处位置的沟道坡度β，单位(°)；堰塞坝迎水面的堆积平均厚度H1，单位(m)，堰塞坝背水面的堆积平均厚度H2，单位(m)；水力类泥石流对比堰塞坝溃决时的相同流深条件下的沟道堆积体侵蚀厚度H，单位(m)；水力类泥石流沟道堆积宽度a，其中a＝d3，单位(m)；水力类沟道堆积长度b，其中b＝l，单位(m)；堰塞湖满库时的平均宽度d1，单位(m)；堰塞坝所处位置的沟道平均宽度d2，单位(m)；堰塞坝溃决口的宽度d3，单位(m)，堰塞坝堆积长度l，单位(m)。
各参数易获取，工作周期短，利于后续泥石流堰塞坝溃决后的冲出量放大系数计算方法的使用。
其次，根据堰塞坝漫顶溃决破坏方式和三角形原理，得到堰塞湖满库时的水体储量公式表示为：
(1)式中，堰塞坝所处位置的沟道平均宽度d2，单位(m)；堰塞坝迎水面的堆积坡度α1，单位(°)；堰塞湖所处位置的沟道坡度β，单位(°)；堰塞坝迎水面堆积平均厚度H1，单位(m)；
根据三角形原理，得到堰塞坝溃决口侵蚀的固体物质储备量公式表示为：
(2)式中，堰塞坝溃决口的沟道平均宽度d3，单位(m)；堰塞坝迎水面的堆积坡度α1，单位(°)；堰塞坝背水面的堆积坡度α2，单位(°)；堰塞坝迎水面堆积平均厚度H1，单位(m)；堰塞坝背水面堆积平均厚度H2，单位(m)；堰塞坝的堆积长度l，单位(m)。
然后，通过以下公式确定泥石流堰塞坝溃决后的冲出量放大系数kQ，单位％：
kQ＝(V固+V库)/Hab (3)
并把公式(1)、(2)代入公式(3)中得出：
(4)式中，H为水力类泥石流对比堰塞坝溃决时的相同流深条件下的沟道堆积体侵蚀厚度，单位(m)；a为水力类泥石流沟道物源堆积宽度，a＝d3，单位(m)；b为水力类沟道物源堆积长度，b＝l，单位(m)，其它参数符号含义同前面一致。
其中，所述公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)中确定堰塞坝冲出量放大系数公式适用于泥石流沟内堰塞坝漫顶溃决时的冲出量预测，将得到冲出量作为最小冲出量，从而有效避免了因为堰塞坝溃决所导致的泥石流冲出量增加，造成泥石流防治工程失效的问题。
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湖库容物质放大系数KQ为186％，分析泥石流堰塞坝溃决时的冲出量放大系数计算模型的适用性，进而对堰塞坝溃决后的冲出量进行预测，为泥石流沟道内的堰塞坝的防治提供重要参考。
D.对七盘沟老鹰岩堰塞坝溃决后的冲出量的计算通过现行泥石流防治规范计算出来的冲出量，用现行泥石流防治规范计算出来的冲出量乘以冲出量放大系数KQ，就能预测七盘沟老鹰岩堰塞坝溃决时泥石流的冲出量预测值，冲出量预测值M＝kQ×Q，Q为泥石流防治规范计算的冲出量，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范(DZ/T0220-2006)》，泥石流的冲出量Q＝KTQC，其中K为与流域面积相关系数，T为泥石流历时，单位(s)；QC为泥石流最大流量，单位(m3/s)。通过监控冲出量预测值，进行泥石流的快速预防和治理。
本发明方法适用于泥石流堰塞坝漫顶溃决时的冲出量预测，与现有技术相比，本发明结合泥石流沟内堰塞湖和堰塞坝的野外调查、现场测量和理论分析，将堰塞湖和堰塞坝的几何形态参数转换为堰塞坝漫顶溃决时的冲出量，能更准确的得到泥石流堰塞坝溃决时的冲出量放大系数特征值，为泥石流堰塞坝的冲出量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后的冲出量预测方法，其特征在于：该泥石流堰塞坝溃决后的冲出量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堆积模型；
B：抽取步骤A中构建的坝体几何堆积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后的冲出量放大系数计算模型中；
C：根据堰塞坝漫顶溃决破坏方式和三角形原理，结合堰塞湖满库时的水体储量和堰塞坝溃决口侵蚀的固体物质储备量进行定量分析，构建冲出量放大系数计算模型，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冲出量放大系数计算模型进行冲出量放大系数的计算分析；
D：根据步骤C计算出的冲出量放大系数kQ，对泥石流堰塞坝溃决后的冲出量进行预测，冲出量预测值M＝kQ×Q，Q为泥石流防治规范计算的冲出量。
2.根据权利要求1所述的一种泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法，其特征在于：步骤B中泥石流堰塞坝漫顶溃决时的几何形态参数包括泥石流沟内堰塞湖满库时的平均宽度、堰塞湖满库时的平均流深、堰塞湖淤满时的平均宽度、堰塞湖所处位置的沟道坡度β，堰塞坝所处位置的沟道平均宽度d2、堰塞坝溃决口的宽度d3、堰塞坝的迎水面堆积坡度α1、堰塞坝背水面堆积坡度α2、堰塞坝迎水面的侵蚀厚度H1、堰塞坝背水面的侵蚀厚度H2、堰塞坝的堆积长度l，水力类泥石流对比堰塞坝溃决时的相同流深条件下的沟道堆积体侵蚀厚度H、水力类泥石流沟道物源堆积宽度a、水力类泥石流沟道物源堆积长度b。
3.根据权利要求1所述的一种泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法，其特征在于：步骤C中构建的冲出量放大系数计算模型公式为：
式中，kQ为泥石流堰塞坝漫顶溃决时的冲出量放大系数，α1为堰塞坝迎水面堆积坡度，α2为堰塞坝背水面堆积坡度；β为堰塞湖所处位置的沟道坡度；H1为堰塞坝迎水面的侵蚀厚度，H2为堰塞坝背水面的侵蚀厚度；H为水力类泥石流对比堰塞坝溃决时的相同流深条件下的沟道堆积体侵蚀厚度，a为水力类泥石流沟道堆积宽度，其中a＝d3，b为水力类泥石流沟道物源堆积长度，其中b＝l；d2为堰塞坝所处位置的沟道平均宽度，d3为堰塞坝溃决口的宽度，l为堰塞坝沟道堆积长度。
4.根据权利要求1所述的一种泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法，其特征在于：步骤C中根据堰塞坝漫顶溃决破坏方式和三角形原理，结合堰塞湖满库时的水体储量和堰塞坝溃决口侵蚀的固体物质储备量进行定量分析，具体包括如下步骤：
(1)根据堰塞坝漫顶溃决破坏方式和三角形原理，计算堰塞湖满库时的水体储量，堰塞湖满库时的水体储量公式为：
式中，d2为堰塞坝所处位置的沟道平均宽度；α1为堰塞坝迎水面的堆积坡度；β为堰塞湖所处位置的沟道坡度；H1为堰塞坝迎水面堆积平均厚度；
(2)根据三角形原理，计算堰塞坝溃决口侵蚀的固体物质储备量，堰塞坝溃决口侵蚀的固体物质储备量公式为：
式中，d3为堰塞坝溃决口的沟道平均宽度；α1为堰塞坝迎水面的堆积坡度；α2为堰塞坝背水面的堆积坡度；H1为堰塞坝迎水面堆积平均厚度；H2为堰塞坝背水面堆积平均厚度；l为堰塞坝沟道堆积长度。
5.根据权利要求1所述的一种泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法，其特征在于：所述步骤C中确定泥石流沟内的堰塞坝漫顶溃决时的冲出量放大系数计算模型适用于堰塞坝溃决后的冲出量预测，将得到的冲出量作为泥石流沟内堰塞坝漫顶溃决后的最小冲出量。
6.根据权利要求1所述的一种泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法，其特征在于：该泥石流堰塞坝溃决后的冲出量预测方法适用于瞬时全溃的堰塞坝。
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