CN117350202B - 泥石流过流结构磨蚀计算方法及系统、介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泥石流过流结构磨蚀计算方法及系统、介质，所述计算方法重点探讨了泥石流对过流结构磨蚀强度的影响因素、影响规律和计算模型，通过量纲分析，建立质量磨蚀系数的量纲表达式，并基于量纲表达式建立整段排导槽在某一设计工况下的总磨蚀量预测公式，以及排导槽中某一断面处在整阵泥石流中的磨蚀质量和磨蚀厚度。基于计算出的泥石流过流结构磨蚀系数和磨蚀量，以进一步促进泥石流排导槽磨蚀损坏的机理研究及抗磨蚀结构的研发应用。
Description
技术领域
本发明涉及灾害防治技术领域，具体的说，涉及一种泥石流过流结构磨蚀计算方法及系统、介质。
背景技术
泥石流排导槽是一种通过人工修筑具有规则平面形状和横断面的槽形工程结构、多布置于泥石流堆积区和流通区的敞口过流通道，是泥石流防治工程中应用最广泛、功能最重要、减灾效果最突出的两种措施之一。在泥石流治理中，也可与其他措施搭配使用，特别是在排泄条件有利的地段使用时，可有效进行泥石流治理。
磨蚀损坏是泥石流排导槽失效的重要诱因之一。排导槽在长期服役状态下，往往导致结构出现严重的损坏（裂纹扩展、脆性断裂、面层剥落、切削沟槽与冲磨坑洞等），即使其主体结构尚具备一定的功能，但其维修和加固成本昂贵，从而大大制约了排导槽的使用年限。研究表明，泥石流对排导槽的磨蚀破坏可使其有效使用寿命缩短35%~ 50%。因此，有必要对排导槽受泥石流冲刷而产生磨蚀的破坏机制进行实验研究，通过实验数据分析和理论推导建立其磨蚀系数和磨蚀量的计算方法，以期促进泥石流排导槽磨蚀损坏的机理研究及抗磨蚀结构的研发应用。
发明内容
本发明提出了一种泥石流过流结构磨蚀计算方法及系统、介质，通过探讨泥石流对过流结构磨蚀强度的影响因素、影响规律和计算模型，计算出泥石流过流结构磨蚀系数和磨蚀量，以进一步促进泥石流排导槽磨蚀损坏的机理研究及抗磨蚀结构的研发应用。
本发明的具体技术方案如下：
根据本发明的第一技术方案，提供了一种泥石流过流结构磨蚀计算方法，包括以下步骤：
定义质量磨蚀系数f m 为过流结构磨蚀面上单位面积的结构材料在单位时间内的磨蚀质量损失，用以表征泥石流过流结构的磨蚀强度；
通过量纲分析，根据如下公式（1）建立质量磨蚀系数的量纲表达式：
公式（1）
其中，ρ c 为泥石流体密度，V c 为泥石流流速，均采用国际单位制；λ为质量磨蚀系数影响因子，无量纲；
根据物理模型实验数据进行拟合分析，得到如下公式（2）计算质量磨蚀系数影响因子λ：
公式（2）
其中，D c 为泥石流中的颗粒标度分布特征粒径，H为泥石流泥位高度，L为整段排导槽长度，g为重力加速度，均采用国际单位制；
基于所述公式（1）和所述公式（2），通过如下公式（3）建立整段排导槽在某一设计工况下的总磨蚀量预测公式为：
公式（3）
其中，A mT 为整段排导槽在一阵泥石流过程中的磨蚀总质量，B为排导槽断面宽度，χ为排导槽断面湿周，T为泥石流的有效过流历时，均采用国际单位制；m为排导槽侧墙坡比，无量纲；
根据泥石流的瞬时流速计算公式进行理论推导，获得排导槽中某一断面处在整阵泥石流中的总磨蚀质量和总磨蚀厚度分别如下公式（4）和公式（5）所示：
公式（4）
公式（5）
其中，A m 为指定断面处单位面积上的总磨蚀质量，A v 为指定断面处单位面积上的总磨蚀厚度，f mi 为瞬时质量磨蚀系数，λ’为瞬时磨蚀强度影响因子，无量纲；ρ h 为排导槽结构的材料密度，q i 为泥石流瞬时流量，H i 为泥石流瞬时泥深，R i 为瞬时水力半径，t为时间，均采用国际单位制。
根据本发明的第二技术方案，提供了一种泥石流过流结构磨蚀计算系统，包括处理器，所述处理器被配置为：
定义质量磨蚀系数f m 为过流结构磨蚀面上单位面积的结构材料在单位时间内的磨蚀质量损失，用以表征泥石流过流结构的磨蚀强度；
通过量纲分析，根据如下公式（1）建立质量磨蚀系数的量纲表达式：
公式（1）
其中，ρ c 为泥石流体密度，V c 为泥石流流速，均采用国际单位制；λ为质量磨蚀系数影响因子，无量纲；
根据物理模型实验数据进行拟合分析，得到如下公式（2）计算质量磨蚀系数影响因子λ：
公式（2）
其中，基于所述公式（1）和所述公式（2），通过如下公式（3）建立整段排导槽在某一设计工况下的总磨蚀量预测公式为：
公式（3）
其中，A mT 为整段排导槽的磨蚀总质量，D c 为泥石流中的颗粒标度分布特征粒径，H为泥石流泥位高度，L为整段排导槽长度，B为排导槽断面宽度，χ为排导槽断面湿周，g为重力加速度，T为泥石流的有效过流历时，均采用国际单位制；m为排导槽侧墙坡比，无量纲；
根据泥石流的瞬时流速计算公式进行理论推导，获得排导槽中某一断面处在整阵泥石流中的总磨蚀质量和总磨蚀厚度分别如下公式（4）和公式（5）所示：
公式（4）
公式（5）
其中，A m 为指定断面处单位面积上的总磨蚀质量，A v 为指定断面处单位面积上的总磨蚀厚度，f mi 为瞬时质量磨蚀系数，λ’为瞬时磨蚀强度影响因子，无量纲；ρ h 为排导槽结构的材料密度，q i 为泥石流瞬时流量，H i 为泥石流瞬时泥深，R i 为瞬时水力半径，t为时间，均采用国际单位制。
根据本发明的第三技术方案，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，使计算机执行本发明任一实施例所述的计算方法。
根据本发明的一种泥石流过流结构磨蚀计算方法及系统、介质，通过科学合理地规划设计，计算出泥石流过流结构磨蚀系数和磨蚀量，促进泥石流排导槽磨蚀损坏的机理研究及抗磨蚀结构的研发应用。
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泥石流过流结构磨蚀计算方法的流程图。
图2示出了根据本发明实施例的泥石流过流结构磨蚀因素的影响规律实验数据图。
图3示出了根据本发明实施例的某泥石流排导槽设计纵断面示意图。
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。
本发明实施例从野外案例考察和室内模型实验结果出发，重点探讨了泥石流对过流结构磨蚀强度的影响因素、影响规律和计算模型，结合相关理论推导，得到以下认识：
（1）泥石流磨蚀强度的影响因素分为其自身的磨蚀能力和排导槽结构的耐磨蚀能力两个方面，具体包括泥石流的容重、流速（或沟道纵坡）、颗粒组分、泥深、流变参数、流态参数、过流持续时间和排导槽结构的断面型式（包括辅助结构）、衬砌材料的强度（抗剪切强度、抗压强度）、骨料级配和硬度，以及其他物理磨损和化学腐蚀因素等。
（2）泥石流磨蚀能力的影响因素中，流速与磨蚀量呈正相关关系，且流速越高，对磨蚀强度的影响越明显；颗粒级配对磨蚀系数影响显著，实验研究采用的4种不同物料的泥石流中，如图2所示，两种高容重物料对试块的磨蚀强度相对最大，但受粘滞性差异影响其磨蚀均匀度有所差别，稀性泥石流次之，泥流的磨蚀强度最弱；密度的影响与颗粒级配类似且有相关性，在同一种物料级配下，密度变化的影响不如级配变化显著；上覆泥深主要影响试块表面正压力，泥深越大磨蚀表现越强烈，但仍与泥石流中颗粒级配的垂向分布有较大关系。磨蚀历时对磨蚀量和磨蚀速率均影响明显，其中磨蚀量随历时增长而持续增长，但其磨蚀系数随之减小，增速呈逐渐变缓的趋势。
基于上述认识，图1示出了根据本发明实施例的根据本发明实施例的泥石流过流结构磨蚀计算方法的流程图。如图1所示，本发明实施例提供了一种泥石流过流结构磨蚀计算方法，该计算方法始于步骤S100，定义质量磨蚀系数f m 为过流结构磨蚀面上单位面积的结构材料在单位时间内的磨蚀质量损失，用以表征泥石流过流结构的磨蚀强度。
在步骤S200，通过量纲分析，根据如下公式（1）建立了质量磨蚀系数的量纲表达式：
公式（1）
ρ c 为泥石流体密度，V c 为泥石流流速，均采用国际单位制；λ为质量磨蚀系数影响因子，无量纲。在步骤S300，根据如下公式（2）计算质量磨蚀系数影响因子λ：
公式（2）
在步骤S400，基于所述公式（1）和所述公式（2），通过如下公式（3）建立整段排导槽在某一设计工况下的磨蚀量预测公式为：
公式（3）
其中，A mT 为整段排导槽的磨蚀总质量，D c 为泥石流中的颗粒标度分布特征粒径，H为泥石流泥位高度，L为整段排导槽长度，B为排导槽断面宽度，χ为排导槽断面湿周，g为重力加速度，T为泥石流的有效过流历时，均采用国际单位制；m为排导槽侧墙坡比，无量纲。
最后，在步骤S500，根据泥石流的瞬时流速计算公式进行理论推导，获得排导槽中某一断面处在整阵泥石流中的总磨蚀质量和总磨蚀厚度分别如下公式（4）和公式（5）所示：
公式（4）
公式（5）
其中，A m 为指定断面处单位面积上的总磨蚀质量，A v 为指定断面处单位面积上的总磨蚀厚度，f mi 为瞬时质量磨蚀系数，λ’为瞬时磨蚀强度影响因子，无量纲；ρ c 为泥石流体密度，ρ h 为排导槽结构的材料密度，q i 为泥石流瞬时流量，H i 为泥石流瞬时泥深，B为排导槽宽度，R i 为瞬时水力半径，t为时间，均采用国际单位制。
下面本发明实施例将结合具体的实施案例来充分说明本发明的可行性和进步性。
如图3所示，根据勘查资料，某泥石流的体积密度ρ c 为1800 kg/m3，在排导槽内的设计流速V c 为8 m/s，泥石流中的颗粒标度分布特征粒径D c 为21.35 mm，泥石流泥位高度H为1.5 m；排导槽设计纵坡为300‰，设计长度L为100 m，断面宽度B为6 m，排导槽侧墙坡比m为1:1，重力加速度g为9.8 m/s2，泥石流的有效过流历时T为1320 s。
根据湿周的定义，可由排导槽的设计尺寸和泥深计算出断面湿周χ=10.242m。
由于该排导槽纵坡较大，运行过程中可能产生较严重的磨蚀破坏，优选采用本发明的泥石流过流结构磨蚀计算方法，计算步骤如下：
首先步骤S100，定义质量磨蚀系数f m 为过流结构磨蚀面上单位面积的结构材料在单位时间内的磨蚀质量损失，用以表征泥石流过流结构的磨蚀强度。
在步骤S200，通过量纲分析，根据公式（1）建立了质量磨蚀系数的量纲表达式。
在步骤S300，根据公式（2）计算质量磨蚀系数影响因子λ=1.66×10-4。将其代入公式（1），可得质量磨蚀系数f m =1.79 kg/m2s。
在步骤S400，通过公式（3）计算出整段排导槽在该设计工况下的总磨蚀量为A w =242.2 kg。
最后，在步骤S500，排导槽中指定单位断面处在整阵泥石流中的总磨蚀质量和总磨蚀厚度分别按如下公式（4）和公式（5）计算，结果为A m =2.42 kg、A v =10.31 mm。
本发明实施例还提供了一种泥石流过流结构磨蚀计算系统，包括处理器，所述处理器被配置为：
定义质量磨蚀系数f m 为过流结构磨蚀面上单位面积的结构材料在单位时间内的磨蚀质量损失，用以表征泥石流过流结构的磨蚀强度；
通过量纲分析，根据如下公式（1）建立质量磨蚀系数的量纲表达式：
公式（1）
其中，ρ c 为泥石流体密度，V c 为泥石流流速，均采用国际单位制；λ为质量磨蚀系数影响因子，无量纲。
根据物理模型实验数据进行拟合分析，得到如下公式（2）计算质量磨蚀系数影响因子λ：
公式（2）
基于所述公式（1）和所述公式（2），通过如下公式（3）建立整段排导槽在某一设计工况下的总磨蚀量预测公式为：
公式（3）
其中，A mT 为整段排导槽的磨蚀总质量，D c 为泥石流中的颗粒标度分布特征粒径，H为泥石流泥位高度，L为整段排导槽长度，B为排导槽断面宽度，χ为排导槽断面湿周，g为重力加速度，T为泥石流的有效过流历时，均采用国际单位制；m为排导槽侧墙坡比，无量纲。
根据泥石流的瞬时流速计算公式进行理论推导，获得排导槽中某一断面处在整阵泥石流中的总磨蚀质量和总磨蚀厚度分别如下公式（4）和公式（5）所示：
公式（4）
公式（5）
其中，A m 为指定断面处单位面积上的总磨蚀质量，A v 为指定断面处单位面积上的总磨蚀厚度，f mi 为瞬时质量磨蚀系数，λ’为瞬时磨蚀强度影响因子，无量纲；ρ c 为泥石流体密度，ρ h 为排导槽结构的材料密度，q i 为泥石流瞬时流量，H i 为泥石流瞬时泥深，B为排导槽宽度，R i 为瞬时水力半径，t为时间，均采用国际单位制。
需要注意的是本发明实施例中所述的处理器可以是包括一个以上通用处理设备的处理设备，诸如微处理器、中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）等。更具体地，处理器201可以是复杂指令集计算（CISC）微处理器、精简指令集计算（RISC）微处理器、超长指令字（VLIW）微处理器、运行其他指令集的处理器或运行指令集的组合的处理器。处理器还可以是一个以上专用处理设备，诸如专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）、片上系统（SoC）等。
本发明实施例还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，使计算机执行本发明任一实施例所述的计算方法。
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)
1.一种泥石流过流结构磨蚀计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
定义质量磨蚀系数f m 为过流结构磨蚀面上单位面积的结构材料在单位时间内的磨蚀质量损失，用以表征泥石流过流结构的磨蚀强度；
通过量纲分析，根据如下公式（1）建立质量磨蚀系数的量纲表达式：
公式（1）
其中，ρ c 为泥石流体密度，V c 为泥石流流速，均采用国际单位制；λ为质量磨蚀系数影响因子，无量纲；
根据物理模型实验数据进行拟合分析，得到如下公式（2）计算质量磨蚀系数影响因子λ：
公式（2）
其中，D c 为泥石流中的颗粒标度分布特征粒径，H为泥石流泥位高度，L为整段排导槽长度，g为重力加速度，均采用国际单位制；
基于所述公式（1）和所述公式（2），通过如下公式（3）建立整段排导槽在某一设计工况下的总磨蚀量预测公式为：
公式（3）
其中，A mT 为整段排导槽在一阵泥石流过程中的磨蚀总质量，B为排导槽断面宽度，χ为排导槽断面湿周，T为泥石流的有效过流历时，均采用国际单位制； m为排导槽侧墙坡比，无量纲；
根据泥石流的瞬时流速计算公式进行理论推导，获得排导槽中某一断面处在整阵泥石流中的总磨蚀质量和总磨蚀厚度分别如下公式（4）和公式（5）所示：
公式（4）
公式（5）
其中， A m 为指定断面处单位面积上的总磨蚀质量，A v 为指定断面处单位面积上的总磨蚀厚度， f mi 为瞬时质量磨蚀系数，λ’为瞬时磨蚀强度影响因子，无量纲；ρ h 为排导槽结构的材料密度，q i 为泥石流瞬时流量，H i 为泥石流瞬时泥深， R i 为瞬时水力半径，t为时间，均采用国际单位制。
2.一种泥石流过流结构磨蚀计算系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器被配置为：
定义质量磨蚀系数f m 为过流结构磨蚀面上单位面积的结构材料在单位时间内的磨蚀质量损失，用以表征泥石流过流结构的磨蚀强度；
通过量纲分析，根据如下公式（1）建立了质量磨蚀系数的量纲表达式：
公式（1）
其中，ρ c 为泥石流体密度，V c 为泥石流流速，均采用国际单位制；λ为质量磨蚀系数影响因子，无量纲；
根据物理模型实验数据进行拟合分析，得到如下公式（2）计算质量磨蚀系数影响因子λ：
公式（2）
其中，D c 为泥石流中的颗粒标度分布特征粒径，H为泥石流泥位高度，L为整段排导槽长度，g为重力加速度，均采用国际单位制；
基于所述公式（1）和所述公式（2），通过如下公式（3）建立整段排导槽在某一设计工况下的总磨蚀量预测公式为：
公式（3）
其中，A mT 为整段排导槽在一阵泥石流过程中的磨蚀总质量，B为排导槽断面宽度，χ为排导槽断面湿周，T为泥石流的有效过流历时，均采用国际单位制； m为排导槽侧墙坡比，无量纲；
根据泥石流的瞬时流速计算公式进行理论推导，获得排导槽中某一断面处在整阵泥石流中的总磨蚀质量和总磨蚀厚度分别如下公式（4）和公式（5）所示：
公式（4）
公式（5）
其中， A m 为指定断面处单位面积上的总磨蚀质量，A v 为指定断面处单位面积上的总磨蚀厚度， f mi 为瞬时质量磨蚀系数，λ’为瞬时磨蚀强度影响因子，无量纲；ρ h 为排导槽结构的材料密度，q i 为泥石流瞬时流量，H i 为泥石流瞬时泥深， R i 为瞬时水力半径，t为时间，均采用国际单位制。
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所述的一种泥石流过流结构磨蚀计算方法。
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| CN202311638974.8A Active CN117350202B (zh) | 2023-12-04 | 2023-12-04 | 泥石流过流结构磨蚀计算方法及系统、介质 |
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|---|---|
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103276700A (zh) * | 2013-06-20 | 2013-09-04 | 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 | 一种泥石流排导槽规划设计方法及其应用 |
| CN112861372A (zh) * | 2021-03-04 | 2021-05-28 | 中国地质调查局成都地质调查中心 | 一种泥石流容重计算方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105256768B (zh) * | 2015-09-09 | 2017-03-22 | 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 | 箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法 |
-
2023
- 2023-12-04 CN CN202311638974.8A patent/CN117350202B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103276700A (zh) * | 2013-06-20 | 2013-09-04 | 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 | 一种泥石流排导槽规划设计方法及其应用 |
| CN112861372A (zh) * | 2021-03-04 | 2021-05-28 | 中国地质调查局成都地质调查中心 | 一种泥石流容重计算方法 |
| CN114357805A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-04-15 | 重庆交通大学 | 泥石流排导槽磨损深度的分布计算方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| V型排导槽内泥石流流速横向分布探讨;王磊;徐林荣;苏志满;陈鹏飞;韩征;;水文地质工程地质;20101115(第06期);112-115 * |
| 四川雷波碉楼沟泥石流特征及防治对策;孙瑜;李宏俊;曹树波;王刚;;地质灾害与环境保护;20170325(第01期);1-6 * |
| 都汶高速公路银杏坪沟大规模泥石流运动特征与堵溃分析;李睿祺;胡桂胜;杨志全;陈宁生;;成都理工大学学报(自然科学版);20201001(第05期);625-632 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117350202A (zh) | 2024-01-05 |
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