CN116519264B - 泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法及装置 - Google Patents

泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法及装置 Download PDF

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许广春
陈华勇
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Abstract

本申请涉及泥石流灾害防治领域，具体公开了一种泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法及装置，本申请通过获取泥石流断面几何参数，采用非接触式泥石流流深测量仪获取泥石流流深时程曲线，采用粒子图像追踪技术获取泥石流断面的表面流速时程曲线，通过曼宁公式反算泥石流运动综合糙率系数的测算方法，该方法综合可以测量非恒定过程泥石流糙率系数的动态演化过程，确保泥石流断面糙率系数的精确度和可靠性。为泥石流勘查和防治工程设计提供依据，适应泥石流野外勘察和实际工程设计需要。

Description

泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法及装置
技术领域
本发明涉及泥石流灾害防治领域，具体的说，涉及一种泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法及装置，适用于对泥石流室内实验水槽以及泥石流排导槽的断面糙率系数的测量。
背景技术
泥石流糙率系数是泥石流运动过程中的重要动力学参数。泥石流糙率系数是计算泥石流运动过程中流速、流量及综合阻力等重要工程设计参数的计算。对于泥石流断面糙率系数的测量方法有很多，可以用于泥石流流速野外观测和室内水槽测试。对于实测资料缺乏的泥石流沟道，可根据具体的泥石流沟道特征，通过查表法快速地确定泥石流曼宁糙率系数；而基于经验性或半经验性的曼宁糙率系数的计算方法只是针对某一断面的最大流深的综合糙率系数进行估算。但是泥石流运动是非恒定非均匀的快速地貌过程，泥石流在运动过程中流速和流深是随时间的增长而动态演化的，不同的流速、流深所对应的泥石流综合糙率系数也是动态演化的，采用传统单一的综合糙率系数并不能采用来表针泥石流整个运动过程，难以反映泥石流运动综合糙率系数的动态演化过程，从而降低泥石流糙率系数测量的精度和可靠性，难以支撑防灾工程设计的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术所提出的技术问题，提出了一种泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法及装置，通过获取泥石流断面几何参数，采用非接触式泥石流流深测量仪获取泥石流流深时程曲线，采用粒子图像追踪技术获取泥石流断面的表面流速时程曲线，通过曼宁公式反算泥石流运动综合糙率系数的测算方法，该方法综合可以测量非恒定过程泥石流糙率系数的动态演化过程，确保泥石流断面糙率系数的精确度和可靠性。为泥石流勘查和防治工程设计提供依据，适应泥石流野外勘察和实际工程设计需要。
本发明的具体技术方案如下：
根据本发明的第一方面，提供了一种泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法所述方法包括：获取泥石流沟床断面的几何参数，所述几何参数包括泥石流自由面宽度，沟床底部宽度/>，沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角/>和/>，泥石流沿流向方向的坡降；获取泥石流流深时程曲线；将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向进行等分，获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速，根据所述泥石流瞬时表面流速确定泥石流沟道断面的平均表面流速；基于所述泥石流沟床断面的几何参数以及所述泥石流流深时程曲线，确定泥石流断面水力半径；基于所述泥石流沟道断面的平均表面流速以及所述泥石流断面水力半径获取泥石流运动糙率系数的动态变化过程。
根据本发明的第二方面，提供了一种泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定装置，所述装置包括：参数获取单元，被配置为获取泥石流沟床断面的几何参数，所述几何参数包括泥石流自由面宽度，沟床底部宽度/>，沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角/>和，泥石流沿流向方向的坡降；曲线获取单元，被配置为获取泥石流流深时程曲线；流速计算单元，被配置为将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向进行等分，获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速，根据所述泥石流瞬时表面流速确定泥石流沟道断面的平均表面流速；半径确定单元，被配置为基于所述泥石流沟床断面的几何参数以及所述泥石流流深时程曲线，确定泥石流断面水力半径；系数动态确定单元，被配置为基于所述泥石流沟道断面的平均表面流速以及所述泥石流断面水力半径获取泥石流运动糙率系数的动态变化过程。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，当所述计算机可读指令被计算机的处理器执行时，使计算机执行如本发明各个实施例中所述的泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法。
根据本发明各个实施例提供的泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法、装置及介质，其至少具有以下有益效果：
在泥石流断面的表面流速测算中能够规避传统方法测算泥石流断面的表面流速的局限性，基于现有实验仪器能够获取泥石流断面的表面流速时程曲线以及运动流深时程曲线，通过曼宁公式得到糙率系数时程曲线。即综合考虑了外部条件和泥石流自身性质，同时能够通过切实可行的方法获得泥石流运动过程的计算参数，将获取的参数代入泥石流流速计算公式，从而获得非恒定过程泥石流糙率系数的动态演化过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了根据本发明实施例的一种泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法的流程图。
图2示出了根据本发明实施例的泥石流沟道典型梯形断面示意图。
图3 示出了根据本发明实施例的泥石流流深过程测量示意图。
图4 示出了根据本发明实施例的泥石流实验水槽断面示意图。
图5示出了根据本发明实施例的泥石流实验水槽断面流深时程曲线，其中a表示断面1流深时程曲线；b表示断面3流深时程曲线。
图6示出了根据本发明实施例的泥石流实验水槽断面流速时程曲线，其中a表示断面1流速时程曲线；b表示断面3流速时程曲线。
图7示出了根据本发明实施例的泥石流实验水槽断面水力半径时程曲线，其中a表示断面1水力半径时程曲线；b表示断面3水力半径时程曲线。
图8示出了根据本发明实施例的泥石流实验水槽断面糙率系数动态变化过程，其中a表示断面1糙率系数动态变化过程；b表示断面3糙率系数动态变化过程。
图9示出了根据本发明实施例的一种泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定装置的结构图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。
本发明实施例提供一种泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S100，获取泥石流沟床断面的几何参数，所述几何参数包括泥石流自由面宽度，沟床底部宽度/>，沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角/>和/>，泥石流沿流向方向的坡降。
在一些实施例中，假定泥石流沟道断面为梯形断面（如图2所示），野外获取泥石流沟床断面的几何参数，包括泥石流自由面宽度（单位：m），沟床底部宽度/>（单位：m），沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角/>（单位：°）和/>（单位：°），泥石流沿流向方向的坡降（无量纲单位）。
步骤S200，获取泥石流流深时程曲线。
由于泥石流的不透光性，难以通过常规方式对泥石流泥深的动态过程进行测量。而另一方面由于泥石流体中包含了大量石块，具有很强的冲击力，因此必须采用非接触式动态激光位移法获取泥石流流深时程曲线，测量原理如下所示如图3所示。
从图3可知，泥石流流深可以由下式进行计算
（1）
其中，为非接触式泥深测量仪到泥石流沟道的垂直距离, 单位：m；
为非接触式泥深测量仪到泥石流自由面的垂直距离，单位：m。
步骤S300，将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向进行等分，获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速，根据所述泥石流瞬时表面流速确定泥石流沟道断面的平均表面流速。
将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向划分为N等分，采用粒子图像追踪技术获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速
（2）
其中，为第i个网格内的泥石流瞬时流速，单位：m/s；
为沿流向方向泥石流自由面测量窗口第i个网格内的泥石流自由面粗颗粒在t时刻运动的距离，单位：m；
为流速测量的时间间隔，单位：s。
基于式（2），采用算数平均计算泥石流沟道断面的平均表面流速
（3）
其中，N为拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向划分为N等分；
为泥石流沟道断面的平均表面流速，单位：m/s；
为第i个网格内的泥石流瞬时流速，单位：m/s，由式（2）计算得到。
步骤S400，基于所述泥石流沟床断面的几何参数以及所述泥石流流深时程曲线，确定泥石流断面水力半径。
基于步骤S100中获取的泥石流断面几何参数和步骤S200测量的泥石流流深过程曲线，计算泥石流断面水力半径，如式（4）所示
（4）
其中为泥石流自由面宽度，单位：m，由步骤S100获取；
为沟床底部宽度，单位：m，由步骤（1）获取；
和/>分别为沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角，单位：°，由步骤S100获取；
为泥石流流深过程，单位：m，由步骤S200获取。
步骤S500，基于所述泥石流沟道断面的平均表面流速以及所述泥石流断面水力半径获取泥石流运动糙率系数的动态变化过程。
通过曼宁公式获取泥石流运动糙率系数的动态变化过程
（5）
其中，—泥石流断面上平均表面流速，单位m/s，由式（3）计算得到；/>—泥石流断面水力半径，单位m，由式（4）计算得到；/>—泥石流实验水槽、沟道、排导槽坡度，无量纲单位。
所述非恒定过程泥石流断面糙率系数得测算适用于对泥石流实验水槽、沟道、排导槽。当用于泥石流实验水槽以及排导槽断面糙率系数的测算时，通过所述泥石流断面平均流速测算方法，确定泥石流实验水槽、沟道、排导槽断面平均流速时程曲线以及泥石流运动过程流深时程曲线;计算得到泥石流实验水槽、沟道、排导槽的糙率系数时程曲线。所述泥石流断面平均时程流速及糙率系数测算适用于所有便于安装高速摄像机拍摄的泥石流沟道。
下面本发明实施例将结合具体的实施案例以进一步说明本发明的可行性和进步性。
在中国科学院东川泥石流观测站建立室内实验水槽，设计实验水槽为长方形，其中水槽长度为6m，宽度为30cm，高度为40cm；侵蚀段水槽长度为3m，宽度为30cm，深度为20cm；料斗最大设计容量为0.3 m³；泥石流水槽末端放置长3 m宽 4 m的长方形停淤板；水槽坡度设置可以调节范围为15°。为了能够直观反映泥石流侵蚀前后泥石流断面平均流速的变化，在侵蚀段水槽前设置断面1和侵蚀段水槽后设置断面2。
进行泥石流水槽模拟实验，实验条件设置为泥石流颗粒级配及底床颗粒级配选择中国科学院东川站蒋家沟物源区粒径2cm以下颗粒，水槽坡度为15°，稀性泥石流方量为0.1m³，底床含水率为4.02%。接下来，利用本发明的非恒定过程泥石流断面糙率系数测算方法进行泥石流室内实验水槽断面糙率系数计算测试，具体步骤如下：
第一步，获取泥石流实验水槽断面的几何参数（如图4所示），包括泥石流自由面宽度（单位：m），沟床底部宽度/>（单位：m），沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角/>（单位：°）和/>（单位：°），泥石流沿流向方向的坡降/>（无量纲单位）。其中，泥石流实验水槽几何参数，/>、/>为0.3m；/>、/>为90°；坡降/>为0.268。
第二步，采用非接触式动态激光位移法获取泥石流流深时程曲线，如图5所示。
第三步，将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向划分为N等分，采用粒子图像追踪技术获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速，如图6所示。
第四步，基于第一步中获取的泥石流断面几何参数和第二步测量的泥石流流深过程曲线，基于式（4）计算泥石流断面水力半径变化过程，如图7所示。
第五步，基于第一步、第三步和第四步，通过式（4）曼宁公式获取泥石流运动糙率系数的动态变化过程，如图8所示。
本发明实施例还提供一种泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定装置，如图9所示，该装置900包括：
参数获取单元901，被配置为获取泥石流沟床断面的几何参数，所述几何参数包括泥石流自由面宽度，沟床底部宽度/>，沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角/>和/>，泥石流沿流向方向的坡降/>；
曲线获取单元902，被配置为获取泥石流流深时程曲线；
流速计算单元903，被配置为将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向进行等分，获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速，根据所述泥石流瞬时表面流速确定泥石流沟道断面的平均表面流速；
半径确定单元904，被配置为基于所述泥石流沟床断面的几何参数以及所述泥石流流深时程曲线，确定泥石流断面水力半径；
系数动态确定单元905，被配置为基于所述泥石流沟道断面的平均表面流速以及所述泥石流断面水力半径获取泥石流运动糙率系数的动态变化过程。
在一些实施例中，所述曲线获取单元被进一步配置为泥石流流深通过如下公式进行计算：
（1）
其中，为非接触式泥深测量仪到泥石流沟道的垂直距离, 单位：m；/>为非接触式泥深测量仪到泥石流自由面的垂直距离，单位：m。
在一些实施例中，所述流速计算单元被进一步配置为：
将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向划分为N等分，采用粒子图像追踪技术获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速
（2）
其中，为第i个网格内的泥石流瞬时流速，单位：m/s；
为沿流向方向泥石流自由面测量窗口第i个网格内的泥石流自由面粗颗粒在t时刻运动的距离，单位：m；
为流速测量的时间间隔，单位：s。
在一些实施例中，所述半径确定单元被进一步配置为：
（3）
其中，N为拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向划分为N等分；为泥石流沟道断面的平均表面流速，单位：m/s；
为第i个网格内的泥石流瞬时流速，单位：m/s。
在一些实施例中，所述流速计算单元被进一步配置为：
（4）
其中，为泥石流自由面宽度，单位：m；
为沟床底部宽度，单位：m；
和/>分别为沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角，单位：°；
为泥石流流深过程，单位：m。
在一些实施例中，所述系数动态确定单元被进一步配置为：
（5）
其中，—泥石流断面上平均表面流速，单位m/s；/>—泥石流断面水力半径，单位m；/>—泥石流实验水槽、沟道、排导槽坡度，无量纲单位。
需要注意，本发明实施例所提供的泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定装置与在先阐述的泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法属于同一技术思路，其具有相同的有益效果，此处不赘述。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，当所述计算机可读指令被计算机的处理器执行时，使计算机执行如本发明各个实施例中所述的泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (3)

1.一种泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定方法，其特征在于，所述方法包括：
通过野外调查获取泥石流沟床断面的几何参数，所述几何参数包括泥石流自由面宽度Bt，沟床底部宽度Bb，沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角θL和θR，泥石流沿流向方向的坡降S；
获取泥石流流深时程曲线；
将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向进行等分，获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速，根据所述泥石流瞬时表面流速确定泥石流沟道断面的平均表面流速；
基于所述泥石流沟床断面的几何参数以及所述泥石流流深时程曲线，确定泥石流测量断面水力半径；
基于所述泥石流沟道断面的平均表面流速以及所述泥石流断面水力半径获取泥石流运动糙率系数的动态变化过程；
泥石流流深时程曲线通过如下公式进行计算：
h(t)＝zb-z(t) (1)
其中，h(t)为泥石流流深过程，单位：m；为zb为非接触式泥深测量仪到泥石流沟道的垂直距离,单位：m；z(t)为非接触式泥深测量仪到泥石流自由面的垂直距离，单位：m；
所述将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向进行等分，获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速，具体包括：
将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向划分为N等分，采用粒子图像追踪技术获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速
其中ui(t)为第i个网格内的泥石流瞬时流速，单位：m/s；
Δxi(t)为沿流向方向泥石流自由面测量窗口第i个网格内的泥石流自由面粗颗粒在t时刻运动的距离，单位：m；
Δt为流速测量的时间间隔，单位：s；
根据所述泥石流瞬时表面流速，通过如下公式确定泥石流沟道断面的平均表面流速：
其中N为拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向划分为N等分；
u(t)为泥石流沟道断面的平均表面流速，单位：m/s；
ui(t)为第i个网格内的泥石流瞬时流速，单位：m/s；
基于所述泥石流沟床断面的几何参数以及所述泥石流流深时程曲线，通过如下公式确定泥石流断面水力半径：
其中，R(t)为泥石流断面水力半径，单位m；
Bt为泥石流自由面宽度，单位：m；
Bb为沟床底部宽度，单位：m；
θL和θR分别为沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角，单位：°；
h(t)为泥石流流深过程，单位：m；
基于所述泥石流沟道断面的平均表面流速以及所述泥石流断面水力半径，通过如下公式获取泥石流运动糙率系数的动态变化过程：
其中，n(t)—泥石流运动糙率系数；u(t)—泥石流断面上表面平均流速，单位m/s；R(t)—泥石流断面水力半径，单位m；S—泥石流沿流向方向的坡降，无量纲单位。
2.一种泥石流沟道断面综合糙率系数的动态测定装置，其特征在于，所述装置包括：
参数获取单元，被配置为获取泥石流沟床断面的几何参数，所述几何参数包括泥石流自由面宽度Bt，沟床底部宽度Bb，沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角θL和θR，泥石流沿流向方向的坡降S；
曲线获取单元，被配置为获取泥石流流深时程曲线；
流速计算单元，被配置为将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向进行等分，获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速，根据所述泥石流瞬时表面流速确定泥石流沟道断面的平均表面流速；
半径确定单元，被配置为基于所述泥石流沟床断面的几何参数以及所述泥石流流深时程曲线，确定泥石流断面水力半径；
系数动态确定单元，被配置为基于所述泥石流沟道断面的平均表面流速以及所述泥石流断面水力半径获取泥石流运动糙率系数的动态变化过程；
所述曲线获取单元被进一步配置为泥石流流深通过如下公式进行计算：
h(t)＝zb-z(t) (1)
其中，h(t)为泥石流流深过程，单位：m；zb为非接触式泥深测量仪到泥石流沟道的垂直距离,单位：m；z(t)为非接触式泥深测量仪到泥石流自由面的垂直距离，单位：m；
所述流速计算单元被进一步配置为：
将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向划分为N等分，采用粒子图像追踪技术获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速
其中ui(t)为第i个网格内的泥石流瞬时流速，单位：m/s；
Δxi(t)为沿流向方向泥石流自由面测量窗口第i个网格内的泥石流自由面粗颗粒在t时刻运动的距离，单位：m；
Δt为流速测量的时间间隔，单位：s；
所述流速计算单元被进一步配置为：
将拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向划分为N等分，采用粒子图像追踪技术获取泥石流断面第i个网格内的泥石流瞬时表面流速
其中，ui(t)为第i个网格内的泥石流瞬时流速，单位：m/s；
Δxi(t)为沿流向方向泥石流自由面测量窗口第i个网格内的泥石流自由面粗颗粒在t时刻运动的距离，单位：m；
Δt为流速测量的时间间隔，单位：s；
所述流速计算单元被进一步配置为：
其中，u(t)为泥石流沟道断面的平均表面流速，单位：m/s；N为拟测量断面的泥石流上表面沿宽度方向划分为N等分；
ui(t)为第i个网格内的泥石流瞬时流速，单位：m/s；
所述半径确定单元被进一步配置为：
其中，R(t)为泥石流断面水力半径，单位m；Bt为泥石流自由面宽度，单位：m；
Bb为沟床底部宽度，单位：m；
θL和θR分别为沟床左侧和右侧坡面与水平面的夹角，单位：°；
h(t)为泥石流流深过程，单位：m；
所述系数动态确定单元被进一步配置为：
其中，n(t)—泥石流运动糙率系数；u(t)—泥石流断面上表面平均流速，单位m/s；R(t)—泥石流断面水力半径，单位m；S—泥石流沿流向方向的坡降，无量纲单位。
3.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，当所述计算机可读指令被计算机的处理器执行时，使计算机执行权利要求1所述的方法。
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