CN113420453A - 泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法，包括：根据野外调查和室内土工试验获取坝高H、堰塞湖库容V、颗粒级配分布参数D₉₀、C_u、P_0.075；计算泥石流堰塞坝溃决洪峰流量。本发明不但考虑了坝高H和堰塞湖库容V两个影响因子，还采用了坝体颗粒级配组成的三个特征参数来表征坝体颗粒组成对溃决洪峰流量的影响，所需参数易于获取，计算过程简洁，计算精度高，各参数对溃决洪峰流量的影响关系明确。

Description

泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法

技术领域

本发明涉及地质灾害领域，特别涉及一种泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法。

背景技术

在全球气候不断暖化和高烈度地震频发的内外营力耦合作用下，高山峡谷地区(尤其我国西南片区)内的崩塌、滑坡、碎屑流事件逐渐增多，形成的大量松散物质常停积于沟道内及坡面上，为泥石流的形成提供了丰富的物源条件；在遭遇强降雨或大流量冰雪融水的强水动力条件下，沟道及坡面松散物质极易被起动，进而爆发大规模泥石流。若泥石流沟分布于河流两侧时，大量泥石流堆积于河道中极易将河流堵塞形成堰塞湖。由于泥石流堰塞坝形成初期坝体仍处于完全饱和状态，坝体稳定性差，在上游水位迅速抬升后，往往在短时间内发生漫顶溢流溃决，形成非常规模的溃决洪水，严重威胁着下游人民的生命财产安全。因此，深入开展泥石流堰塞坝溃决机理的研究，为制定精准有效的防灾减灾措施提供理论参考具有重要意义。

溃决洪峰流量作为溃坝问题研究中一个极其重要的参数，直接决定了下游的灾害程度与致灾规模。虽然目前已经在滑坡堰塞坝和人工土石坝的溃决洪峰流量方面取得了大量研究成果，构建了诸多的经验计算式与数值计算模型；但由于泥石流堰塞坝与滑坡堰塞坝或人工土石坝在形成条件、坝体物质组成、坝体内部结构、坝体形态等方面均存在明显差异，溃决过程大相径庭，溃决洪峰流量也必然存在很大差别。故已有的滑坡堰塞坝和人工土石坝溃决洪峰流量的研究成果均不能适用于泥石流堰塞坝。同时，目前也尚无泥石流堰塞坝溃决洪峰流量的计算方法。因此，亟需一套易获取参数、求解简便、求解精度高的泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法。

例如，CN201911155111.9公开了一种控制堰塞坝溃坝洪峰流量的结构及方法，但是其研究对象仅属于滑坡堰塞坝，未涉及泥石流堰塞坝。并且该技术研究的是滑坡堰塞坝在溃决过程中，在溃口内施加人工干预措施以减小溃决洪峰流量，并没有涉及到溃决洪峰流量的计算。

此外，还有一些学术论文对此进行了研究，例如，Ruan H C,Chen H Y,Wang T,etal.Modeling Flood Peak Discharge Caused by Over-topping Failure of aLandslide Dam[J].Water 2021,13,921；Wang B,Chen Y L,Chao W,et al.Empirical andsemi-analytical models for predict-ing peak outflows caused by embankment damfailures[J].Journal of Hydrology,2018,562:692-702。上述两文献分别针对滑坡堰塞坝和人工土石坝，汇总并讨论了已有溃决洪峰流量的计算模型，但这些模型均没有考虑坝体颗粒级配对洪峰流量的影响，也未涉及到泥石流堰塞坝，即这些模型均不适用于泥石流堰塞坝漫顶溃决洪峰流量的计算。

发明内容

本发明提供了一种泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法，以解决至少一个上述技术问题。

为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法，包括：

步骤1，根据野外调查或室内土工实验获取坝高H、堰塞湖库容V、颗粒级配分布参数D₉₀、C_u、P_0.075；

步骤2，通过下式计算泥石流堰塞坝溃决洪峰流量；

式中：

Q——泥石流堰塞坝溃决洪峰流量，单位m³/s；

g——重力加速度，单位m/s²；

D₉₀表示小于某粒径土体质量累计百分含量的90％所对应的粒径，单位为mm；

C_u为不均匀系数，无量纲量；

P_0.075为土体中的细颗粒含量，无量纲量，常用百分数表示。

优选地，步骤1中，根据水位面积关系曲线计算得到堰塞湖库容V，具体计算方法为：

式中：

V——堰塞湖库容，m³；

△Z——相邻两水位间的水位厚度，m；

A₁、A₂、

——相邻水位的水库面积及两者的平均值，m²；

△V——与△Z相应的容积，m³；

Z₀——库底高程，m。

优选地，步骤1中，通过下述方式获得颗粒级配分布参数D₉₀、C_u、P_0.075：采集部分泥石流坝体材料，将其烘干后进行充分研磨，将团聚结构的土体进行离散分解，然后再采用标准振动筛对其进行筛分，绘制出坝体材料的颗粒级配曲线，最终通过颗粒级配曲线获得D₉₀、C_u、P_0.075三个粒度分布参数。

优选地，C_u可采用下式计算：

式中：

D₆₀——表示小于某粒径土体质量累计百分含量的60％所对应的粒径，又称限制粒径，单位为mm；

D₁₀——表示小于某粒径土体质量累计百分含量的10％所对应的粒径，又称有效粒径，单位为mm。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)以往提出的溃坝洪峰流量的计算公式仅适用于滑坡堰塞坝或人工土石坝，本发明提出了一种适用于泥石流堰塞坝的溃决洪峰流量计算公式。

(2)泥石流堰塞坝的溃决洪峰流量是一个由坝体形状、上游水动力条件、坝体物质组成等多因素共同作用的结果。本发明除了考虑坝高H和堰塞湖库容V两个影响因子，还采用了坝体颗粒级配组成的三个特征参数(D₉₀、C_u、P_0.075)来表征坝体颗粒组成对溃决洪峰流量的影响，提出了一个可计算泥石流堰塞坝溃决洪峰流量的计算公式。

(3)本发明提供的计算方法所需参数易于获取，计算过程简洁，计算精度高，各参数对溃决洪峰流量的影响关系明确。

附图说明

图1示意性地示出了泥石流堰塞坝基本参数获取示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明考虑了坝体颗粒组成(细颗粒含量、不均匀系数、大粒径颗粒)对泥石流堰塞坝溃决洪峰流量的影响，构建了一个包含坝体颗粒特征参数、坝高、库容多参数的泥石流堰塞坝漫顶溃决洪峰流量计算模型。

本发明针对目前尚无泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法的缺陷，提供了一种综合考虑坝高H、库容V、坝体颗粒级配(D₉₀、C_u、P_0.075)的洪峰流量计算模型，可用于预测泥石流堰塞坝溃决洪峰流量，为泥石流堰塞坝制定精准有效的防灾减灾措施提供重要理论参考。

为实现上述目的，本发明需获取一些基本参数：

首先，通过野外考察或遥感解译，获取泥石流堰塞坝的坝高H和堰塞湖的库容V。如图1所示，坝高H为河床最低点至坝顶最低点的垂直距离，单位为m；堰塞湖的库容V为坝前可能的最大蓄水量，一般指坝顶最低点以下的蓄水量，单位为m³，可根据水位面积关系曲线(Z～A曲线)计算得到，具体计算方法为：

式中：V——堰塞湖库容，m³；

△Z——相邻两水位间的水位厚度，m；

A₁、A₂、

——相邻水位的水库面积及两者的平均值，m²；

△V——与△Z相应的容积，m³；

Z₀——库底高程，m。

其次，采集部分泥石流坝体材料，将其烘干后进行充分研磨，将团聚结构的土体进行离散分解，然后再采用标准振动筛对其进行筛分，绘制出坝体材料的颗粒级配曲线。最终通过颗粒级配曲线获得D₉₀、C_u、P_0.075三个粒度分布参数。其中：

D₉₀表示小于某粒径土体质量累计百分含量的90％所对应的粒径，单位为mm；它表征着过坝水流的冲蚀能力，D₉₀越大，大颗粒越难被过坝水流起动，溃决速度越慢，洪峰流量越小。

C_u为不均匀系数，无量纲量；它反映了土体颗粒组成的均匀程度，C_u越大，级配越好，颗粒组成越连续，土体密实度越高，越难被侵蚀。C_u可采用下式计算：

式中，D₆₀——表示小于某粒径土体质量累计百分含量的60％所对应的粒径，又称限制粒径，单位为mm；

D₁₀——表示小于某粒径土体质量累计百分含量的10％所对应的粒径，又称有效粒径，单位为mm。

P_0.075为土体中的细颗粒含量，无量纲量，常用百分数(％)表示。它反映了土体粘聚力的大小，细颗粒含量越多，粘聚力越大，土体越难被过坝水流起动。

进一步地，在上述获得的基本参数的基础上，本发明提出了一种考虑坝体形态、上游水动力条件、坝体粒度分布多因素耦合作用的泥石流堰塞坝溃决洪峰流量的计算方法，包括以下步骤：

首先，获取的坝高H、堰塞湖库容V、颗粒级配分布参数(D₉₀、C_u、P_0.075)。

其次，通过下式计算泥石流堰塞坝溃决洪峰流量；

式中，Q——泥石流堰塞坝溃决洪峰流量，单位m³/s；

g——重力加速度，单位m/s²；

其它参数说明同上。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)以往提出的溃坝洪峰流量的计算公式仅适用于滑坡堰塞坝或人工土石坝，本发明提出了一种适用于泥石流堰塞坝的溃决洪峰流量计算公式。

(2)泥石流堰塞坝的溃决洪峰流量是一个由坝体形状、上游水动力条件、坝体物质组成等多因素共同作用的结果。本发明除了考虑坝高H和堰塞湖库容V两个影响因子，还采用了坝体颗粒级配组成的三个特征参数(D₉₀、C_u、P_0.075)来表征坝体颗粒组成对溃决洪峰流量的影响，提出了一个可计算泥石流堰塞坝溃决洪峰流量的计算公式。

(3)本发明提供的计算方法所需参数易于获取，计算过程简洁，计算精度高，各参数对溃决洪峰流量的影响关系明确。

现对本发明的优选实施例作进一步详细描述说明。

因泥石流堰塞坝常发生于交通不便、路途遥远、次生灾害频发的高山峡谷地区，堰塞坝形成后进行现场施测存在较大安全隐患；同时，泥石流堰塞坝在形成后常在短时间内就发生了漫顶溢流溃决，寿命极短；因此，目前尚无完整资料记载的泥石流堰塞坝溃决案例。对此，本发明采用水槽实验数据来进一步阐明本发明具体的实施情况。

(1)实验基本参数

根据水槽实验获得的五组泥石流堰塞坝的基本参数见表1所示。其中，库容V采用式1-4进行计算，不均匀系数C_u采用式5进行计算。

表1泥石流堰塞坝基本参数

(2)溃决洪峰流量计算

将表1中的坝高H、库容V、大粒径D₉₀、不均匀系数C_u、细颗粒含量P_0.075带入式6中，计算得到五组实验的溃决洪峰流量，计算结果见表2所示。

表2洪峰流量计算结果

此外，通过实验测量得到的溃决洪峰流量也罗列于表2中。

将式6的计算值与实测值对比(表2)发现，二者吻合程度较高，表明本发明提出的公式形式可用于计算泥石流堰塞坝的溃决洪峰。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法，其特征在于，包括：

步骤1，根据野外调查和室内土工实验获取坝高H、堰塞湖库容V、颗粒级配分布参数D₉₀、C_u、P_0.075；

步骤2，通过下式计算泥石流堰塞坝溃决洪峰流量；

式中：

Q——泥石流堰塞坝溃决洪峰流量，单位m³/s；

g——重力加速度，取g＝9.81m/s²；

D₉₀表示小于某粒径土体质量累计百分含量的90％所对应的粒径，单位为mm；

C_u为不均匀系数，无量纲量；

P_0.075为土体中的细颗粒含量，无量纲量，常用百分数表示。

2.根据权利要求1所述的泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法，其特征在于，步骤1中，根据水位面积关系曲线计算得到堰塞湖库容V，具体计算方法为：

式中：

V——堰塞湖库容，m³；

△Z——相邻两水位间的水位厚度，m；

A₁、A₂、

——相邻水位的水库面积及两者的平均值，m²；

△V——与△Z相应的容积，m³；

Z₀——库底高程，m。

3.根据权利要求1所述的泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法，其特征在于，步骤1中，通过下述方式获得颗粒级配分布参数D₉₀、C_u、P_0.075：采集部分泥石流坝体材料，将其烘干后进行充分研磨，将团聚结构的土体进行离散分解，然后再采用标准振动筛对其进行筛分，绘制出坝体材料的颗粒级配曲线，最终通过颗粒级配曲线获得D₉₀、C_u、P_0.075三个粒度分布参数。

4.根据权利要求1所述的泥石流堰塞坝溃决洪峰流量计算方法，其特征在于，

C_u可采用下式计算：

式中：

D₆₀——表示小于某粒径土体质量累计百分含量的60％所对应的粒径，又称限制粒径，单位为mm；

D₁₀——表示小于某粒径土体质量累计百分含量的10％所对应的粒径，又称有效粒径，单位为mm。

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