CN115310377A - 一种管涌型堰塞体稳定性判断方法 - Google Patents

一种管涌型堰塞体稳定性判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种管涌型堰塞体稳定性判断方法，属于泥石流防治工程技术领域，其特征在于，包括以下步骤：a、通过野外调查获取堰塞体的基本资料，包括堰塞体几何尺寸、堰塞体级配、堰塞体的重度和堰塞体的内摩擦角，建立堰塞体内部颗粒在渗流力作用下的受力模型；b、计算堰塞体可动颗粒的阻抗力；c、计算堰塞体可动颗粒所受的渗流力；d、定义堰塞体的稳定性系数，当渗流力大于摩擦力时，判断为堰塞体失稳。本发明考虑了在渗流作用下骨架孔隙中的可动颗粒启动破坏的动力学特征，选择可动颗粒进行力学平衡分析，提高了计算准确度，能够为堰塞体灾害的应急抢险及危险性评估提供更合理准确的依据，具有良好的普适性。

Description

一种管涌型堰塞体稳定性判断方法
技术领域
本发明涉及到泥石流防治工程技术领域，尤其涉及一种管涌型堰塞体稳定性判断方法。
背景技术
山区沿江两岸的大型斜坡体或高边坡，在地震、暴雨荷载下极易发生破坏失稳，造成堵江并形成堰塞坝。不同于人工土石坝，堰塞坝坝体结构松散，颗粒级配不均匀，在较高水头作用下坝体可能发生管涌破坏而导致溃坝。因此对堰塞体的稳定性和动力学特征进行研究，预测堰塞体的溃决演化过程，为堰塞体应急抢险和地质处置提供技术支持，具有重要理论价值和现实意义。
公开号为CN112418697A，公开日为2021年02月26日的中国专利文献公开了一种堰塞湖稳定性评价方法，其特征在于：所述堰塞湖稳定性评价方法包括以下步骤：
S1：先采用无量纲堆积体指数法DBI进行堰塞体稳定性初步评判；
S2：针对步骤S1中得到的结果进行分析：DBI＜2.75，则堰塞体稳定；DBI＞3.08，则堰塞体不稳定；2.75＜DBI＜3.08，则堰塞体介于稳定与不稳定之间；
S3：评价堰塞体的稳定性要结合地质条件，合理选取堰塞体物质的物理力学指标和渗流场参数；
S4：可以采用基于极限平衡理论体系的简化毕肖普法，用简化毕肖谱法计算时考虑了土条间的作用力，可得到堰塞体的稳定性评价结论；
S5：对堰塞湖进行严密监测，根据专业人员的意见对堰塞湖的威胁进行正确科学的评价，及时对下游人民群众进行疏散；
S6：然后，对于高危堰塞湖进行疏导和分流，一般是用炸药和人工挖开个小口，疏导水流。
该专利文献公开的堰塞湖稳定性评价方法，用简化毕肖谱法计算时考虑了土条间的作用力，可得到堰塞体的稳定性评价结论；采用无量纲堆积体指数法DBI进行堰塞体稳定性初步评判，使得在后续的判断过程中，有了一个可以参考的初步依据，从而简化了操作步骤，减轻了工作人员的劳动负担。但是，由于没有考虑堰塞体在渗流作用下的管涌破坏的动力学特征，因此准确度较低，普适性较差。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种管涌型堰塞体稳定性判断方法，本发明考虑了在渗流作用下骨架孔隙中的可动颗粒启动破坏的动力学特征，选择可动颗粒进行力学平衡分析，提高了计算准确度，能够为堰塞体灾害的应急抢险及危险性评估提供更合理准确的依据，具有良好的普适性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种管涌型堰塞体稳定性判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、通过野外调查获取堰塞体的基本资料，包括堰塞体几何尺寸、堰塞体级配、堰塞体的重度和堰塞体的内摩擦角，建立堰塞体内部颗粒在渗流力作用下的受力模型；
b、计算堰塞体可动颗粒的阻抗力；
c、计算堰塞体可动颗粒所受的渗流力；
d、将堰塞体可动颗粒所受的渗流力与堰塞体可动颗粒的阻抗力的比值定义为堰塞体的稳定性系数，当渗流力大于摩擦力时，判断为堰塞体失稳。
所述步骤b中，堰塞体可动颗粒的阻抗力是指摩擦力，通过式1进行计算；
Figure BDA0003723961730000021
其中：
f为摩擦力，kN；
γS为堰塞体的重度，kN/m3；
γw为水的重度，kN/m3；
Figure BDA0003723961730000022
为堰塞体的内摩擦角，°；
D为可动颗粒的粒径，m；取太沙基控制粒径d1为可动颗粒的最大粒径。
所述步骤d中，渗流力FP通过式2进行计算；
Figure BDA0003723961730000023
其中：
FP为渗流力，kN；
γw为水的重度，kN/m3；
i为水力梯度，即渗透水流沿单位渗透距离水头的损失量，无量纲，按式3求取；
S为单位体积堰塞体通道中可动颗粒的表面积，m2，按式4求取；
Figure BDA0003723961730000031
其中：
hw为坝后堰塞湖水深，m；
i为水力梯度，即渗透水流沿单位渗透距离水头的损失量，无量纲；
l为堰塞体长度，m；
η为堰塞体沟床坡度，°；
Figure BDA0003723961730000032
其中：
S为单位体积堰塞体通道中可动颗粒的表面积，m2，
α为颗粒形状系数，无量纲，对于砂粒取1.16-1.17，锐角颗粒取1.50-1.67；
n为孔隙率，无量纲；
k为堰塞体的渗透系数，m/s；
g为重力加速度，取9.81m/s2。
所述步骤d中，堰塞体的稳定性系数Fs通过式5进行计算；
Figure BDA0003723961730000033
其中：
Fs为堰塞体的稳定性系数；
f为摩擦力，kN；
FP为渗流力，kN。
本发明的基本原理如下：
参见图2-图5，通过室内试验研究了堰塞体的管涌溃决过程的动力学特征。管涌破坏模式可概括为管涌—小型崩滑—溢流侵蚀—坝体稳定四个阶段。随着上游来流的不断涌入，坝后水位逐渐升高，导致坝体内孔隙水压力增加，细小的可动颗粒在渗流力的作用下在较粗的骨架颗粒形成的通道之间移动，并被逐渐冲出堰塞体，形成管涌；而后，堰塞体管涌出口处发生小型崩滑，降低了堰塞体的整体稳定性；坝后水位上升至坝顶后出现漫顶溢流，堰塞体在坡面水流的冲刷下形成溃口，同时伴随着强烈的侧向展宽和下切侵蚀，溃口流量快速增加并到达峰值；随着堰塞体后水量逐渐减小，断面流量到达峰值之后，流量迅速减小直至趋于稳定。
首先分析了堰塞体在渗流作用下的启动机理，骨架孔隙中的可动颗粒受到的力有：渗流水流的拖曳力、水下重力、与孔隙壁之间的摩擦力和颗粒之间的相互作用力。对于堰塞体内部发生的管涌而言，只有渗透水对可动颗粒的拖曳力为渗流力，其它力都为阻力，且可动颗粒在孔隙壁中移动时，摩擦力是最大的阻力，而颗粒之间的碰撞力和电场力都非常小且十分复杂。假设渗流通道水，用重力沿渗流通道向下的渗流力抵消颗粒之间的碰撞力和电场力这些阻力，阻止颗粒起动以管道之间的摩擦力为主。将可动颗粒所受渗流力与摩擦力的比值定义为堰塞体的稳定性系数，当渗流力大于摩擦力时，判断为堰塞体失稳。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
1、本发明，a、通过野外调查获取堰塞体的基本资料，包括堰塞体几何尺寸、堰塞体级配、堰塞体的重度和堰塞体的内摩擦角，建立堰塞体内部颗粒在渗流力作用下的受力模型；b、计算堰塞体可动颗粒的阻抗力；c、计算堰塞体可动颗粒所受的渗流力；d、将堰塞体可动颗粒所受的渗流力与堰塞体可动颗粒的阻抗力的比值定义为堰塞体的稳定性系数，当渗流力大于摩擦力时，判断为堰塞体失稳；较现有技术而言，考虑了在渗流作用下骨架孔隙中的可动颗粒启动破坏的动力学特征，选择可动颗粒进行力学平衡分析，提高了计算准确度，能够为堰塞体灾害的应急抢险及危险性评估提供更合理准确的依据，具有良好的普适性。
2、本发明，是基于力学平衡分析的理论推导而来，经过了室内物理试验的验证，并与野外实测数据作对比，对堰塞体稳定性确定具有较高的科学参考价值。
3、本发明，计算公式简单，计算所需参数少，且参数易于获取，计算准确度高；能够适用于在缺少前期大量勘察工作情况下的堰塞体渗流稳定性快速判别。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：
图1为本发明的流程框图；
图2为堰塞体形成管涌示意图；
图3为堰塞体发生小型崩滑示意图；
图4为堰塞体漫顶示意图；
图5为堰塞体管涌破坏示意图。
具体实施方式
实施例1
一种管涌型堰塞体稳定性判断方法，包括以下步骤：
a、通过野外调查获取堰塞体的基本资料，包括堰塞体几何尺寸、堰塞体级配、堰塞体的重度和堰塞体的内摩擦角，建立堰塞体内部颗粒在渗流力作用下的受力模型；
b、计算堰塞体可动颗粒的阻抗力；
c、计算堰塞体可动颗粒所受的渗流力；
d、将堰塞体可动颗粒所受的渗流力与堰塞体可动颗粒的阻抗力的比值定义为堰塞体的稳定性系数，当渗流力大于摩擦力时，判断为堰塞体失稳。
本实施例为最基本的实施方式，考虑了在渗流作用下骨架孔隙中的可动颗粒启动破坏的动力学特征，选择可动颗粒进行力学平衡分析，提高了计算准确度，能够为堰塞体灾害的应急抢险及危险性评估提供更合理准确的依据，具有良好的普适性。
实施例2
一种管涌型堰塞体稳定性判断方法，包括以下步骤：
a、通过野外调查获取堰塞体的基本资料，包括堰塞体几何尺寸、堰塞体级配、堰塞体的重度和堰塞体的内摩擦角，建立堰塞体内部颗粒在渗流力作用下的受力模型；
b、计算堰塞体可动颗粒的阻抗力；
c、计算堰塞体可动颗粒所受的渗流力；
d、将堰塞体可动颗粒所受的渗流力与堰塞体可动颗粒的阻抗力的比值定义为堰塞体的稳定性系数，当渗流力大于摩擦力时，判断为堰塞体失稳。
所述步骤b中，堰塞体可动颗粒的阻抗力是指摩擦力，通过式1进行计算；
Figure BDA0003723961730000051
其中：
f为摩擦力，kN；
γS为堰塞体的重度，kN/m3；
γw为水的重度，kN/m3；
Figure BDA0003723961730000052
为堰塞体的内摩擦角，°；
D为可动颗粒的粒径，m；取太沙基控制粒径d1为可动颗粒的最大粒径。
所述步骤d中，渗流力FP通过式2进行计算；
Figure BDA0003723961730000061
其中：
FP为渗流力，kN；
γw为水的重度，kN/m3；
i为水力梯度，即渗透水流沿单位渗透距离水头的损失量，无量纲，按式3求取；
S为单位体积堰塞体通道中可动颗粒的表面积，m2，按式4求取；
Figure BDA0003723961730000062
其中：
hw为坝后堰塞湖水深，m；
i为水力梯度，即渗透水流沿单位渗透距离水头的损失量，无量纲；
l为堰塞体长度，m；
η为堰塞体沟床坡度，°；
Figure BDA0003723961730000063
其中：
S为单位体积堰塞体通道中可动颗粒的表面积，m2，
α为颗粒形状系数，无量纲，对于砂粒取1.16-1.17，锐角颗粒取1.50-1.67；
n为孔隙率，无量纲；
k为堰塞体的渗透系数，m/s；
g为重力加速度，取9.81m/s2。
本实施例为较佳实施方式，基于力学平衡分析的理论推导，经过室内物理试验的验证，并与野外实测数据作对比，对堰塞体稳定性确定具有较高的科学参考价值。
实施例3
一种管涌型堰塞体稳定性判断方法，包括以下步骤：
a、通过野外调查获取堰塞体的基本资料，包括堰塞体几何尺寸、堰塞体级配、堰塞体的重度和堰塞体的内摩擦角，建立堰塞体内部颗粒在渗流力作用下的受力模型；
b、计算堰塞体可动颗粒的阻抗力；
c、计算堰塞体可动颗粒所受的渗流力；
d、将堰塞体可动颗粒所受的渗流力与堰塞体可动颗粒的阻抗力的比值定义为堰塞体的稳定性系数，当渗流力大于摩擦力时，判断为堰塞体失稳。
所述步骤b中，堰塞体可动颗粒的阻抗力是指摩擦力，通过式1进行计算；
Figure BDA0003723961730000071
其中：
f为摩擦力，kN；
γS为堰塞体的重度，kN/m3；
γw为水的重度，kN/m3；
Figure BDA0003723961730000072
为堰塞体的内摩擦角，°；
D为可动颗粒的粒径，m；取太沙基控制粒径d1为可动颗粒的最大粒径。
所述步骤d中，渗流力FP通过式2进行计算；
Figure BDA0003723961730000073
其中：
FP为渗流力，kN；
γw为水的重度，kN/m3；
i为水力梯度，即渗透水流沿单位渗透距离水头的损失量，无量纲，按式3求取；
S为单位体积堰塞体通道中可动颗粒的表面积，m2，按式4求取；
Figure BDA0003723961730000074
其中：
hw为坝后堰塞湖水深，m；
i为水力梯度，即渗透水流沿单位渗透距离水头的损失量，无量纲；
l为堰塞体长度，m；
η为堰塞体沟床坡度，°；
Figure BDA0003723961730000075
其中：
S为单位体积堰塞体通道中可动颗粒的表面积，m2，
α为颗粒形状系数，无量纲，对于砂粒取1.16-1.17，锐角颗粒取1.50-1.67；
n为孔隙率，无量纲；
k为堰塞体的渗透系数，m/s；
g为重力加速度，取9.81m/s2。
所述步骤d中，堰塞体的稳定性系数Fs通过式5进行计算；
Figure BDA0003723961730000081
其中：
Fs为堰塞体的稳定性系数；
f为摩擦力，kN；
FP为渗流力，kN。
本实施例为最佳实施方式，计算公式简单，计算所需参数少，且参数易于获取，计算准确度高；能够适用于在缺少前期大量勘察工作情况下的堰塞体渗流稳定性快速判别。
下面结合具体实例对本发明的实施方式进行详细说明：
四川省青川县红石河堰塞湖是汶川大地震造成的大型堰塞湖之一，由东河口滑坡堵塞红石河形成。红石河堰塞湖坝体高约50m、坝长200-300m、底宽400m，堰塞体总体呈右高左低的走势。其上下游水位差30m，蓄水量约200万m3，最大库容可达400万m3，集雨面积70km2。堰塞体材料为第四系全新统崩塌堆积物，结构为块石夹黏土，以块石为主，块碎石粒径5-30cm，个别粒径较大，可达8-9m。因红石河堰塞坝体材料的物源及颗粒物质组成非常复杂，局部可存在颗粒支撑型材料，即渗透性较高的区域。
对该堰塞体渗流稳定性进行判别，具体步骤如下：
第一步，获取堰塞体的基本资料，建立堰塞体内部颗粒在渗流力作用下的受力模型，红石河堰塞体的基本参数见表1；
表1
Figure BDA0003723961730000082
Figure BDA0003723961730000091
第二步，通过式1计算摩擦力；
Figure BDA0003723961730000092
其中：
f为摩擦力，kN；
γS为堰塞体的重度，kN/m3；
γw为水的重度，kN/m3；
Figure BDA0003723961730000093
为堰塞体的内摩擦角，°；
D为可动颗粒的粒径，m；取太沙基控制粒径d1为可动颗粒的最大粒径；
第三步，通过式2计算渗流力FP；
Figure BDA0003723961730000094
其中：
FP为渗流力，kN；
γw为水的重度，kN/m3；
计算结果见表2，表2为红石河堰塞体稳定性计算结果。
表2
摩擦力f(×10<sup>-7</sup>kN) 渗流力F<sub>P</sub>(×10<sup>-7</sup>kN) F<sub>S</sub> 实际情况
4.394 2.698 1.629 未溃决
可见，采用本发明稳定性判断方法，判断准确度高，具有良好的普适性。

Claims (4)

1.一种管涌型堰塞体稳定性判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、通过野外调查获取堰塞体的基本资料，包括堰塞体几何尺寸、堰塞体级配、堰塞体的重度和堰塞体的内摩擦角，建立堰塞体内部颗粒在渗流力作用下的受力模型；
b、计算堰塞体可动颗粒的阻抗力；
c、计算堰塞体可动颗粒所受的渗流力；
d、将堰塞体可动颗粒所受的渗流力与堰塞体可动颗粒的阻抗力的比值定义为堰塞体的稳定性系数，当渗流力大于摩擦力时，判断为堰塞体失稳。
2.根据权利要求1所述的一种管涌型堰塞体稳定性判断方法，其特征在于：所述步骤b中，堰塞体可动颗粒的阻抗力是指摩擦力，通过式1进行计算；
Figure FDA0003723961720000011
其中：
f为摩擦力，kN；
γS为堰塞体的重度，kN/m3；
γw为水的重度，kN/m3；
Figure FDA0003723961720000013
为堰塞体的内摩擦角，°；
D为可动颗粒的粒径，m；取太沙基控制粒径d1为可动颗粒的最大粒径。
3.根据权利要求1所述的一种管涌型堰塞体稳定性判断方法，其特征在于：所述步骤d中，渗流力FP通过式2进行计算；
Figure FDA0003723961720000012
其中：
FP为渗流力，kN；
γw为水的重度，kN/m3；
i为水力梯度，即渗透水流沿单位渗透距离水头的损失量，无量纲，按式3求取；
S为单位体积堰塞体通道中可动颗粒的表面积，m2，按式4求取；
Figure FDA0003723961720000021
其中：
hw为坝后堰塞湖水深，m；
i为水力梯度，即渗透水流沿单位渗透距离水头的损失量，无量纲；
l为堰塞体长度，m；
η为堰塞体沟床坡度，°；
Figure FDA0003723961720000022
其中：
S为单位体积堰塞体通道中可动颗粒的表面积，m2，
α为颗粒形状系数，无量纲，对于砂粒取1.16-1.17，锐角颗粒取1.50-1.67；
n为孔隙率，无量纲；
k为堰塞体的渗透系数，m/s；
g为重力加速度，取9.81m/s2。
4.根据权利要求1所述的一种管涌型堰塞体稳定性判断方法，其特征在于：所述步骤d中，堰塞体的稳定性系数Fs通过式5进行计算；
Figure FDA0003723961720000023
其中：
Fs为堰塞体的稳定性系数；
f为摩擦力，kN；
FP为渗流力，kN。
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