CN112507637A - 一种泥石流堰塞坝漫顶溃决的起动流深的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流堰塞坝漫顶溃决的起动流深的计算方法，其特征在于，所述起动流深的计算方法为：将泥石流沟内的堰塞坝堆积特征、堆积物物理性质应用于泥石流沟内的堰塞坝漫顶起动的流深预测，通过堰塞坝堆积参数与堆积物物理参数得到泥石流堰塞坝表面固体颗粒搬运起动的流深。构建了基于堰塞坝几何形态参数、堰塞坝固体颗粒性质的泥石流堰塞坝溃决时的流深预测模型，并进行实例运用，为泥石流堰塞坝的预警和防治提供新方法，适用于泥石流堰塞坝溃决的防治预警需要。

Description

一种泥石流堰塞坝漫顶溃决的起动流深的计算方法

技术领域

本发明属于泥石流堰塞坝防治工程设计应用技术领域，特别涉及一种泥石流堰塞坝漫顶溃决的起动流深的计算方法。

背景技术

由于堰塞坝体主要由崩塌、滑坡等松散固体物质堆积而成，不同规模的滑坡、崩塌形成的堰塞坝的规模各异，且堰塞坝分布位置呈现随机性和偶然性。由于堰塞坝固体物质结构松散以及堆积时间短，使得坝体具有抗剪强度低、渗透性强等特征。在短时间的强降雨汇流过程中，沟道堰塞坝易在地表径流条件下发生侵蚀破坏。堰塞坝的破坏方式主要分为渗流破坏和漫顶侵蚀破坏等，其中根据前人的统计分析发现，堰塞坝的破坏以漫顶溃决为主，近50％的堰塞坝在强降雨汇流条件下发生溢流漫顶破坏，进而诱发泥石流过程。堰塞坝溃决机制为堰塞坝堆积物的表面颗粒在一定溢流流深条件下发生的搬运、冲刷破坏，在漫顶径流冲刷条件下坝体坡面堆积物发生重力侵蚀。

关于沟道堰塞坝的溃决研究主要基于野外调查、物理实验、数值模拟、统计分析等研究方法，得到了堰塞坝溃决与流量、流速、坝体固体级配、坝体颗粒组成相关，但是对于对堰塞坝漫顶溃决条件的理论分析主要为概念化研究，使得泥石流堰塞坝溃决的泥石流动力学参数计算值相对较大，不能满足泥石流堰塞湖溃决的预防和治理。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种泥石流堰塞坝漫顶溃决的起动流深的预测方法，构建基于堰塞坝几何形态参数、堰塞坝固体颗粒性质的泥石流堰塞坝溃决时的流深预测模型，并进行实例运用，为泥石流堰塞坝的预警和防治提供新方法，适用于泥石流堰塞坝溃决的防治预警需要。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种泥石流堰塞坝漫顶溃决的起动流深的计算方法，所述起动流深的计算方法为：将泥石流沟内的堰塞坝堆积特征、堆积物物理性质应用于泥石流沟内的堰塞坝漫顶起动的流深预测，通过堰塞坝堆积参数与堆积物物理参数得到泥石流堰塞坝表面固体颗粒搬运起动的流深。

根据一个优选的实施方式，所述起动流深的计算方法具体包括：

A.通过泥石流堰塞坝固体颗粒筛分实验，得到堰塞坝体堆积物的中值粒径d₅₀；通过堰塞坝堆积物固体颗粒物理性质实验，得到堰塞坝体堆积物的容重γ_s和饱和容重γ_sat、固体颗粒堆积物孔隙比e、堰塞坝堆积物的有效粘聚力c和堰塞坝堆积物的内摩擦角φ；

B.通过堰塞坝几何形态调查，得到堰塞坝的堆积坡度β和堰塞坝堆积厚度Δh；

C.通过受力条件分析堰塞坝中值粒径d₅₀受力条件，堰塞坝中值粒径受力为：

自重应力：

拖曳力：

上升力：

地表径流应力：J＝γHJ

式中，C_D、C_L为拖曳力、上升力的系数；v为漫顶溢流的瞬时流速；ρ为水的密度；γ为水的容重；γ_s为固体颗粒的容重；d₅₀为堰塞坝中值粒径的粒径；H为地表径流的流深；J为地表径流任意位置处的沟道纵比降；G为中值粒径颗粒的自重应力；F_D为中值粒径颗粒在一定地表径流条件下所受拖曳力；F_L为中值粒径颗粒在一定地表径流条件下所受上升力；J为地表径流的径流应力。

D.根据堰塞坝迎水面、坝顶、背水面三处位置的静力平衡条件，堰塞坝三处位置的中值粒径d₅₀起动的流深为：

迎水面A位置的阈值流深：

坝顶B位置起动阈值流深：

背水面C位置起动阈值流深：

E.堰塞坝自然堆积坡度β＜45°，即sinβ＜cosβ。堰塞坝迎水面A、坝顶B、背水面C三处位置的中值粒径d₅₀起动所需阈值流深关系为：H₀＞H₁＞H₂，即在相同的流深条件下，堰塞坝背水面的固体堆积物中值粒径更容易起动，堰塞坝冲刷起动所需的最小阈值流深为H₂。

根据一个优选的实施方式，对位于堰塞坝上的单个颗粒，暴露度最大时的C_D＝0.4、C_L＝0.1。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：本发明从泥石流堰塞坝几何形态和堰塞坝固体堆积物物理性质参数等多方面入手，构建了基于堰塞坝几何形态的堰塞坝溃决的流深计算模型。首先，在堰塞坝的几何形态性质方面，泥石流堰塞坝的几何形态间接反映了堰塞坝固体堆积物的物理性质，利用堰塞坝几何形态参数特征定量反映了堰塞坝溃决的静力力学特征与堰塞坝几何形态和固体颗粒性质的关系，并通过流体力学分析原理建立起了泥石流堰塞坝溃决时的流深计算模型。

附图说明

图1是堰塞坝溢流时的溢流示意图；

图2是堰塞坝迎水面、坝顶、背水面固体颗粒受力特征；

其中，图中标号如下：L₂为堰塞坝的坝顶宽度/°，β为堰塞坝迎水面堆积坡度/°，β为背水面的堆积坡度/°，α为堰塞坝所在位置的泥石流沟道坡度/°，h₁为堰塞坝迎水面堆积厚度/m，(h₁+h₂)为背水面堆积厚度/m，H为堰塞坝的溢流深度/m；G为固体颗粒自重应力/Pa，N为固体颗粒所受的支撑应力/Pa，J为固体颗粒所受的地表径流冲击应力/Pa；F_D为拖曳应力/Pa，F_L为上升应力/Pa。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1和图2所示，本发明公开了一种泥石流堰塞坝漫顶溃决的起动流深的计算方法，其主要思路是：将泥石流沟内的堰塞坝几何形态特征参数和堰塞坝固体颗粒性质参数应用于堰塞坝溃决时的流深预测。首先，搜集泥石流沟内的堰塞坝的分布，然后，通过野外调查和现场测量确定泥石流沟内的堰塞坝几何形态特征，通过现场测量确定堰塞坝堆积坡度、堆积厚度、坝顶宽度，通过堰塞坝堆积物固体颗粒性质实验，得到堰塞坝堆积物固体颗粒的容重等参数，在此基础上，通过理论力学和流体力学分析原理推导泥石流堰塞坝溃决时的静力平衡模型。

其具体计算方法及步骤如下：

堰塞坝体中中值粒径d₅₀与堰塞坝的稳定性以及堰塞坝溃决时的放大效应等密切相关，为此，在分析堰塞坝溢流溃决起动过程中选取中值粒径d₅₀为研究对象，其中在堰塞坝溢流条件下坝体固体颗粒d₅₀主要的受力为：

自重应力：

拖曳力：

上升力：

其中：C_D、C_L为拖曳力、上升力的系数，v为漫顶溢流的瞬时流速/(m/s)，ρ为水的密度/(Kg/m³)，γ为水的容重/(KN/m³)，γ_s为堰塞坝堆积物固体颗粒的容重/(KN/m³)，d₅₀为堰塞坝堆积物中值粒径的粒径/(mm)。对位于堰塞坝堆积物表面颗粒，暴露度最大时的C_D＝0.4、C_L＝0.1。

在堰塞坝形成一定流深H时的溢流时，形成一定的地表径流应力：

4)地表径流应力：J＝γHJ (4)

然后，堰塞坝迎水面、坝顶、背水面不同位置中值粒径起动静力平衡条件，得到堰塞坝溃决时的流深：

在堰塞坝漫顶溢流条件下，由于堰塞坝的迎水面、坝顶、背水面不同位置的几何形态的差异，导致A、B、C三处位置的中值粒径d₅₀的受力特征发生变化，进而堰塞坝中值粒径起动的阈值流深也将有所差异，根据堰塞坝迎水面(A)、坝顶(B)、背水面(C)，通过静力平衡条件分别求取中值粒径d₅₀起动的阈值流深。

1)、迎水面A位置起动阈值流深

迎水面A位置的中值粒径d₅₀的受力平衡为：

1、沿流向的受力平衡：F_X＝J₀+F_D-G sinβ (5)

2、垂直流向的受力平衡：F_Z＝N+F_L-G cosβ (6)

堰塞坝在溢流条件下，迎水面库区的水流速度相对较小，忽略不计径流应力J₀，根据静力平衡可知，迎水面A位置的中值粒径d₅₀起动时，满足F_X＝0、N＝0，即A位置中值粒径d₅₀起动的最小流深为：

迎水面A位置的阈值流深为：

2)、坝顶B位置起动阈值流深

坝顶B位置的中值粒径d₅₀的受力平衡为：

1、沿流向的受力平衡：F_X＝J₁+F_D (9)

2、垂直流向的受力平衡：F_Z＝N+F_L-G (10)

根据静力平衡条件，F_X＞0，坝顶B位置的中值粒径d₅₀起动时，垂直流向方向的合力N＝0时，中值粒径处于悬浮状态，此时在外力F_X＞0条件下，固体颗粒将会被起动：

3)、背水面C位置起动阈值流深

背水面C位置的中值粒径d₅₀的受力平衡为：

1、沿流向的受力平衡：F_X＝J₂+F_D+G sinβ (12)

2、垂直流向的受力平衡：F_Z＝N+F_L-G cosβ (13)

根据静力平衡条件，背水面C位置的中值粒径d₅₀起动时，垂直流向方向的合力Fz＝0：

即：

由于堰塞坝自然堆积坡度β＜45°，一般在30°左右，即sinβ＜cosβ，且C_D＝0.4，C_L＝0.1，即坝顶中值粒径起动的阈值流深小于背水面中值粒径起动的阈值流深。

堰塞坝迎水面(A)、坝顶(B)、背水面(C)三处位置的中值粒径d₅₀起动所需阈值流深关系为：H₀＞H₁＞H₂，即在相同的流深条件下，背水面的中值粒径更容易起动，堰塞坝冲刷起动所需的最小阈值流深为：

以下为本发明的具体实施例：

为了验证泥石流堰塞坝溃决的流深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。研究区位于四川盆地的北西缘，龙门山山脉的西南部，龙门山系和邛崃山系之间，地貌以中高山山地、峡谷地貌为主，总体地势西北低东南高，地貌类型属于构造剥蚀和部分冰川刨蚀深切割高中山区。

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。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：

A.通过野外调查和现场测量，获取七盘沟堰塞坝沟道纵比降为158‰，其中七盘沟老鹰岩堰塞坝的几何形态特征如下表1所示。

表1七盘沟老鹰岩堰塞坝基本情况表

B.将A步骤确定的各参数代入下公式，

C.通过公式计算获取七盘沟老鹰岩堰塞坝溃决时的流深为18.5m，对比泥石流沟的堰塞坝溃决流深野外观测数据，分析泥石流堰塞坝溃决的流深计算模型的适用性，为泥石流堰塞坝溃决的预防提供一定参考。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种泥石流堰塞坝漫顶溃决的起动流深的计算方法，其特征在于，所述起动流深的计算方法为：将泥石流沟内的堰塞坝堆积特征、堆积物物理性质应用于泥石流沟内的堰塞坝漫顶起动的流深预测，通过堰塞坝堆积参数与堆积物物理参数得到泥石流堰塞坝表面固体颗粒搬运起动的流深。

2.如权利要求1所述的泥石流堰塞坝漫顶溃决的起动流深的计算方法，其特征在于，所述起动流深的计算方法具体包括：

A.通过泥石流堰塞坝固体颗粒筛分实验，得到堰塞坝体堆积物的中值粒径d₅₀；通过堰塞坝堆积物固体颗粒物理性质实验，得到堰塞坝体堆积物的容重γ_s和饱和容重γ_sat、固体颗粒堆积物孔隙比e、堰塞坝堆积物的有效粘聚力c和堰塞坝堆积物的内摩擦角φ；

B.通过堰塞坝几何形态调查，得到堰塞坝的堆积坡度β和堰塞坝堆积厚度Δh；

C.通过受力条件分析堰塞坝中值粒径d₅₀受力条件，堰塞坝中值粒径受力为：

自重应力：

拖曳力：

上升力：

地表径流应力：J＝γHJ

式中，C_D、C_L为拖曳力、上升力的系数；v为漫顶溢流的瞬时流速；ρ为水的密度；γ为水的容重；γ_s为固体颗粒的容重；d₅₀为堰塞坝中值粒径的粒径；H为地表径流的流深；J为地表径流任意位置处的沟道纵比降；G为中值粒径颗粒的自重应力；F_D为中值粒径颗粒在一定地表径流条件下所受拖曳力；F_L为中值粒径颗粒在一定地表径流条件下所受上升力；J为地表径流的径流应力。

D.根据堰塞坝迎水面、坝顶、背水面三处位置的静力平衡条件，堰塞坝三处位置的中值粒径d₅₀起动的流深为：

迎水面A位置的阈值流深：

坝顶B位置起动阈值流深：

背水面C位置起动阈值流深：

E.堰塞坝自然堆积坡度β＜45°，即sinβ＜cosβ。堰塞坝迎水面A、坝顶B、背水面C三处位置的中值粒径d₅₀起动所需阈值流深关系为：H₀＞H₁＞H₂，即在相同的流深条件下，堰塞坝背水面的固体堆积物中值粒径更容易起动，堰塞坝冲刷起动所需的最小阈值流深为H₂。

3.如权利要求2所述的泥石流堰塞坝漫顶溃决的起动流深的计算方法，其特征在于，对位于堰塞坝上的单个颗粒，暴露度最大时的C_D＝0.4、C_L＝0.1。

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