CN118087446A - 一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及泥石流减灾技术领域，具体公开了一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，先预测泥石流发生时堵江堰塞体的堆积范围，并按河道边界的高程划分出多个区域，再在枯水期对河道边界分区域进行降糙处理。本发明通过降低堵江堰塞体堆积范围内河道边界糙率，进而削减堵江堰塞体的异岸坝高和堰塞湖的库容，以此达到降低泥石流堰塞湖危险性的目的，降低泥石流灾害的影响。
Description
技术领域
本发明涉及泥石流堰塞湖减灾工程技术领域，尤其涉及一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法。
背景技术
泥石流（debris flow）是指在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，因为暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流。除了泥石流运动过程中产生的冲击淤埋危害外，还常以泥石流堵江-堰塞湖-溃决洪水的灾害链模式呈现，放大灾害影响范围。一方面，泥石流堵江形成的堰塞湖会造成上游淹没灾害；另一方面，泥石流堰塞湖溃决后形成的大规模溃决洪水会对下游造成严重的冲击和淹没灾害。因此，采取一定的工程措施，降低泥石流堵江－堰塞湖-溃决洪水危险性尤为重要。
目前在泥石流堰塞湖减灾方面，常用的应急处置技术为爆破开槽泄流，尽可能降低堰塞湖水位和库容，但由于堵江堰塞体有较强可塑性，爆破开槽的效果并不明显；采用开挖初始泄流槽的方法又存在极大的沉陷安全隐患。
如何更有效地削减泥石流堰塞湖的危险性，成为重点研究的课题。
发明内容
针对现有泥石流堰塞湖降灾减灾的缺陷，本发明的目的在于提供一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，在枯水期进行施工，通过降低堵江堰塞体堆积范围内河道边界糙率，进而削减堵江堰塞体的坝高和堰塞湖的库容，以此达到降低泥石流堰塞湖危险性的目的，降低泥石流灾害的影响。
本发明提供了一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法。所述方法先预测泥石流发生时堵江堰塞体的堆积范围，并按河道边界的高程划分出多个区域，然后在枯水期对河道边界分区域进行降糙处理。
进一步地，所述按河道边界的高程划分出多个区域是指：在堵江堰塞体的堆积范围内，根据河道的枯水期水位、丰水期水位将河道边界由低到高划分成三个子区域：高度低于枯水期水位的第一区域、高度高于枯水期水位但低于丰水期水位的第二区域、高度高于丰水期水位的第三区域；
三个子区域的目标糙率依次记为：n 1 、n 2 、n 3 ，且满足：
第二区域的目标糙率n 2 ﹤第一区域的目标糙率n 1 ≤第三区域的目标糙率n 3 。
进一步地，为了更好地实现本发明，在预测泥石流发生时堵江堰塞体在河道中的堆积范围之前，先根据泥石流堵江判别式在设计频率下计算泥石流堵江系数C r ，用于判断泥石流堵江模式；当C r ＞1.44时，则断定泥石流发生时会发生堵江。
进一步地，为了更好地实现本发明，在预测泥石流发生时堵江堰塞体在河道中的堆积范围时：采用三维设计软件，先根据地形数据中泥石流沟道DEM、主河道DEM，在泥石流沟道与主河道的交汇区，模拟生成一个用于模拟堵江堰塞体三维结构的堵江堰塞体模型；该堵江堰塞体的三维结构包括上游坝体、中间主坝体、下游坝体，中间主坝体的顶部从泥石流沟同岸向泥石流沟异岸倾斜形成的坡度记为α i ，上游坝体的顶部从中间主坝体向主河上游延伸形成的坡度记为α u ，下游坝体的顶部从中间主坝体向主河下游延伸形成的坡度记为α d ；然后，对堵江堰塞体三维结构中的关键结构参数进行设置：令中间主坝体的顶部宽度B、中间主坝体的顶部坡度α i 、堵江堰塞体的上游坝体坡度α u 、堵江堰塞体的下游坝体坡度α d 、沟道形态特征均为确定数值的已知量，从而获得一组随堵江堰塞体的总体积V变化的变量X，该变量X由堵江堰塞体的总高H和堵江堰塞体的总长L组成；最后，获取预测的设计频率的一次泥石流总量Vc，并在“堵江堰塞体的总体积V等于设计频率的一次泥石流总量Vc”的约束条件下，求解一组对应的堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L，再结合泥石流沟道DEM、主河道DEM，获取预测的堵江堰塞体在河道中的堆积范围。
进一步地，为了更好地实现本发明，所述沟道形态特征从泥石流沟道DEM、主河道DEM中提取；
所述中间主坝体的顶部宽度B，也是堵江堰塞体的坝顶宽度，与泥石流沟道的出沟口宽度b相等，即B=b；
所述中间主坝体的顶部坡度α i ，按照堵江堰塞体的纵向回淤比降i进行取值，为泥石流沟道纵比降γ的j倍，即α i =i=γ*j，j∈(0.5,0.8)；
所述堵江堰塞体的上游坝体坡度α u ，与泥石流体自然休止角β相等，即α u =β；
所述堵江堰塞体的下游坝体坡度α d ，满足：α d =k*α u =k*β，k∈(0,1)；其中，k为主河水流作用下的堰塞体下游坡度折减系数；
所述中间主坝体的异岸坝高H D 与所述中间主坝体的同岸坝高H S 满足：H S =（1+α i ）*H D ；且H S ≤hs、H D ≤h D 。其中，H S ≤hs表示中间主坝体的同岸坝高H S 不超过主河道的同岸高度hs，H D ≤h D 表示中间主坝体的异岸坝高H D 不超过主河道的异岸高度h D 。
所述堵江堰塞体的总长L，为堵江堰塞体的上游坝体最低点至堵江堰塞体的下游坝体最低点在水平方向上的跨度，用于表征泥石流发生时堵江堰塞体在河道中堆积的长度，也用于表征降糙施工时施工区域的长度。
本发明的有益效果如下。
（1）本发明提供的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，通过降低堵江堰塞体堆积范围内河道边界糙率，进而削减堵江堰塞体的异岸坝高和堰塞湖的库容，以此达到降低泥石流堰塞湖危险性的目的，降低泥石流灾害的影响。
（2）本发明提供的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，在枯水期施工，大大降低了施工难度、施工成本。
（3）本发明提供的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，为不同区域设计不同的目标糙率，因地制宜。
（4）本发明提供的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，在泥石流堵江发生之前进行评判和实施，相比较于以往的堵江发生后进行应急处置的方法为事前防治措施，处置时间宽裕。
附图说明
图1为主河道中堵江堰塞体模型的一个纵断面结构示意图。
图2为主河道中堵江堰塞体模型的一个横断面结构示意图。
图3为俯视时堵江堰塞体堆积范围及横断面分割位置示意图。
图4为图3中横断面在堵江堰塞体模型纵断面的位置示意图。
图5为俯视时沿主河流向获取多个纵断面的位置示意图。
图中，100、泥石流沟道；200、主河道；300、堵江堰塞体模型；
Q1、第一区域；Q21、第二区域的泥石流沟同岸部分；Q22、第二区域的泥石流沟异岸部分；Q31、第三区域的泥石流沟同岸部分；Q32、第三区域的泥石流沟异岸部分。
具体实施方式
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再做进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段作出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例1：
本实施例提供了一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，先预测泥石流发生时堵江堰塞体的堆积范围，并按河道边界的高程划分出多个区域，然后在枯水期对河道边界分区域进行降糙处理。
所述方法在枯水期进行施工，通过降低堵江堰塞体堆积范围内河道边界糙率，削减堵江堰塞体的坝高和堰塞湖的库容，以此达到降低泥石流堰塞湖危险性的目的，降低泥石流灾害的影响。
本实施例所述方法的一个关键点是：在枯水期进行降糙施工。
枯水期河道水位较低、丰水期河道水位较高。河道各横断面处枯水期水位和丰水期水位可以根据“李炜. 水力计算手册（第二版） [M]. 北京：中国水利水电出版社，2006.”中的曼宁公式进行估算，可以根据河道历年水位变化情况进行趋势进行预测，当然也可以采用其他方法确定枯水期水位、丰水期水位。估算或预测的枯水期水位、丰水期水位用于降糙施工设计。
至于枯水期，通常根据河道历年枯水期的出现时间段进行施工当年枯水期的预测，并根据预测的枯水期进行降糙施工排程。根据施工时间要求进行施工排程不属于本申请的创新点，采用现有排程方法实施即可，故不再赘述。
本实施例所述方法的另一个关键点是：按河道边界的高程划分出多个区域实施要求不同的降糙。
不同高程的河道边界固有的地形特点、糙率是不同的，结合泥石流冲击形成堵江堰塞体的特点，为河道边界的不同高程区域设计不同的目标糙率，因地制宜，兼顾了防灾减灾的社会效益和严控施工成本的经济效益，既能削减堵江堰塞体坝高和堰塞湖的库容，又能充分考虑到工程的经济效益。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上，进行优化。
首先，针对某地进行考察调研时，先判断此地泥石流发生后的堵江程度。如果堵江程度轻微，则可以不进行降糙施工；如果堵江程度严重，则有必要进行降糙施工。
其次，在确定需要进行降糙施工后，需要拟定堵江堰塞体的大致位置，并由该堵江堰塞体的堆积区域确定降糙施工的区域。在确定好降糙施工的区域后，将河道边界按高程划分出多个子区域，按照高程由低到高，各子区域的目标糙率总体呈现中部子区域的目标糙率高、顶部和底部两部分子区域的目标糙率低的情况。
最后，在枯水期，根据各个子区域的目标糙率开展施工。
在另一具体实施例中，提供一种定量判断堵江程度的方法。具体是指：在预测泥石流发生时的堵江堰塞体堆积范围之前，先根据泥石流堵江判别式在设计频率下计算泥石流堵江系数C r ，用于判断泥石流堵江模式；当C r ＞1.44时，则断定泥石流发生时会发生堵江。
在另一具体实施例中，拟定泥石流形成的堵江堰塞体位于泥石流沟道100与主河道200的交汇区。如图3所示，泥石流从泥石流沟道100冲入主河道200，逐渐堆积而形成堵江堰塞体；该堵江堰塞体先在泥石流沟道100附近堆积，然后向主河上游、主河下游扩散堆积。此时，实施例1所述的方法就是在主河道200进行降糙施工，降低堵江堰塞体堆积范围内主河道200的糙率。
确定了堵江堰塞体在主河道200中的位置、堆积区域后，将主河道200的边界按高程划分出多个子区域。
将河道边界按高程划分出多个子区域是指：在堵江堰塞体的堆积范围内，根据河道的枯水期水位、丰水期水位将河道边界由低到高划分成三个子区域：高度低于枯水期水位的第一区域Q1、高度高于枯水期水位但低于丰水期水位的第二区域、高度高于丰水期水位的第三区域。
如图1、图4为主河道200中模拟形成堵江堰塞体的一个纵断面示意图。从河道高程来看，第一区域Q1、第二区域、第三区域由低到高。从主河道200的左岸、右岸来看，第一区域Q1位于河道中段，从第一区域Q1向主河道200的任意一个岸边延伸时依次对应第二区域、第三区域；而且第二区域、第三区域的河道边界均按左岸、右岸分成两个部分，形成了：第二区域的泥石流沟同岸部分Q21、第二区域的泥石流沟异岸部分Q22、第三区域的泥石流沟同岸部分Q31、第三区域的泥石流沟异岸部分Q32。
三个子区域的目标糙率依次记为：n 1 、n 2 、n 3 ，且满足：
第二区域的目标糙率n 2 ﹤第一区域的目标糙率n 1 ≤第三区域的目标糙率n 3 。此时，第二区域的泥石流沟同岸部分Q21、第二区域的泥石流沟异岸部分Q22的目标糙率均为n 2 ；第三区域的泥石流沟同岸部分Q31、第三区域的泥石流沟异岸部分Q32的目标糙率均为n 3 。
进一步地，所述第一区域Q1的目标糙率n 1 参照天然河道糙率中平原清洁、顺直、无浅滩深潭河流进行选取。对所述第一区域Q1进行降糙处理时，清除阻碍水流运动的障碍物，并对崎岖部位进行挖填平顺处理。
进一步地，所述第二区域的目标糙率n 2 参照人工渠道的糙率进行选取。对所述第二区域进行降糙处理时，首先清除阻碍水流运动的障碍物，然后对地形急变崎岖部位进行挖填平顺处理，最后采用混凝土对该区域进行固化，在第二区域的河道边界形成光滑的混凝土护面。
进一步地，所述第三区域的目标糙率n 3 参照水力计算手册和T∕CAGHP 006-2018泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)进行选取。对所述第三区域进行降糙处理时，清除阻碍水流运动的障碍物，并对崎岖部位进行挖填平顺处理。
实施例3：
本实施例在实施例1或实施例2的基础上进行优化。
申请公开号为CN110955952A的中国发明专利提供了一种多尺度泥石流危险性评价方法，公开了对主要灾点、典型路段以及全线大范围区域三个空间尺度展开综合研究，探讨了不同尺度公路泥石流危险性分析方法。申请公开号为CN108090670A的中国发明专利提供了一种通过经验关系式获取滑坡体积的方法，申请公开号为CN115393716A的中国发明专利公开了利用GIS平台对数字高程模型数据进行计算得到堰塞湖面积和体积的方法，还公开了根据经验公式计算滑坡体和堰塞坝体积的方法。除了GIS平台，还可以通过Mapgis软件中DTM分析模块获得指定模型的体积，或者通过CAD软件中 MASSPROP模块获得指定模型的体积。基于上述现有技术，确定堵江堰塞体的三维结构后，可以通过经验法、模型体积计算法获取堵江堰塞体的总体积。
本实施例中，利用具有三维建模和三维实体体积分析功能的三维设计软件确定，具体包括以下步骤Sa、步骤Sb、步骤Sc。
步骤Sa、首先，确定堵江堰塞体的三维结构及堵江堰塞体三维结构中的关键结构参数。
本实施例中，如图2所示，堵江堰塞体模型300中堵江堰塞体的三维结构，包括上游坝体、中间主坝体、下游坝体。
上述堵江堰塞体三维结构中的关键结构参数，包括中间主坝体的顶部宽度B、中间主坝体的顶部坡度α i 、堵江堰塞体的上游坝体坡度α u 、堵江堰塞体的下游坝体坡度α d 、堵江堰塞体的总高H、中间主坝体的异岸坝高H D 、中间主坝体的同岸坝高H S 、堵江堰塞体的总长L、沟道形态特征等。其中，河道形态特征，以河道形态数据集的方式描述河道边界区域的空间结构；由于沟道形态特征从泥石流沟道DEM、主河道DEM中提取，因此用x DEM 表示。
构建堵江堰塞体模型300时，根据堵江堰塞体结构的稳定状态，将关键结构参数中的中间主坝体的顶部宽度B、中间主坝体的顶部坡度α i 、堵江堰塞体的上游坝体坡度α u 、堵江堰塞体的下游坝体坡度α d 、沟道形态特征作为确定数值的已知量，将堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L作为影响堵江堰塞体的总体积V的变量。为了方便建模，建模时先为堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L分别设置一个临时的预设值。
本实施例中部分关键结构参数的取值方式如下：
如图2、图3所示，所述中间主坝体的顶部宽度B，也是堵江堰塞体的坝顶宽度，与泥石流沟道100的出沟口宽度b相等，即B=b；
所述中间主坝体的顶部坡度α i ，按照堵江堰塞体的纵向回淤比降i进行取值，为泥石流沟道纵比降γ的j倍，即α i =i=γ*j，j∈(0.5,0.8)；
如图2所示，所述堵江堰塞体的上游坝体坡度α u ，与泥石流体自然休止角β相等，即α u =β；
如图2所示，所述堵江堰塞体的下游坝体坡度α d ，满足：α d =k*α u =k*β，k∈(0,1)；其中，k为主河水流作用下的堰塞体下游坡度折减系数。
需要说明的是，还可以采用其他方式，确认中间主坝体的顶部宽度B、中间主坝体的顶部坡度α i 、堵江堰塞体的上游坝体坡度α u 、堵江堰塞体的下游坝体坡度α d 、沟道形态特征等关键结构参数的具体数值，只要不改变后续步骤的操作思路，都属于本领域技术人员可根据实际情况进行调整的范畴，故不作赘述。
步骤Sb、然后，获得堵江堰塞体的总体积V与堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L的对应关系。
对堵江堰塞体的总长L进行说明。所述堵江堰塞体的总长L，为堵江堰塞体的上游坝体最低点至堵江堰塞体的下游坝体最低点在水平方向上的跨度，用于表征泥石流发生时堵江堰塞体在河道中堆积的长度。如图3所示，主要由上游坝体的跨度L u 、中间主坝体、中间主坝体的顶部宽度B、下游坝体的跨度L d 三部分组成；堵江堰塞体的总长L虽然数值不确定，但它是一个与堵江堰塞体的总高H、中间主坝体的顶部宽度B、中间主坝体的顶部坡度α i 、堵江堰塞体的上游坝体坡度α u 、堵江堰塞体的下游坝体坡度α d 、沟道形态特征有关的变量，表示为L=f(H，B，α i ，α u ，α d ，x DEM ）。基于B，α i ，α u ，α d ，x DEM 均为数值确定的已知量，所以，本实施例中以堵江堰塞体的总高H作为自变量、以堵江堰塞体的总长L作为随堵江堰塞体的总高H变化的因变量。
对堵江堰塞体的总高H进行说明。堵江堰塞体的总高H虽然数值不确定，但它与中间主坝体的异岸坝高H D 、中间主坝体的同岸坝高H S 有关。以中间主坝体的异岸坝高H D 作为堵江堰塞体的总高H。另一方面，中间主坝体的异岸坝高H D 与中间主坝体的同岸坝高H S 满足：H S =（1+α i ）*H D ，而且，中间主坝体的同岸坝高H S 不超过主河道200的同岸高度hs，且中间主坝体的异岸坝高H D 不超过主河道200的异岸高度h D 。
其中，主河道200的异岸高度h D 、主河道200的同岸高度hs、中间主坝体的异岸坝高H D 、中间主坝体的同岸坝高H S 中的“同岸”“异岸”均是以泥石流沟道100为参照物，靠近泥石流沟道100的一侧为“同岸”，远离泥石流沟道100的一侧为“异岸”。如图1、图4所示，在中间主坝体垂直主河流向的纵截面，取中间主坝体顶部与主河道200的异岸的交点至主河道200最底部之间的高度差作为中间主坝体的异岸坝高H D 。但中间主坝体的异岸坝高H D 的取值方法并不限于此，也可以选取中间主坝体顶部边沿与主河道200最底部之间高度差均值作为中间主坝体的异岸坝高H D 的数值；本领域技术人员还可以根据实际情况、惯用方式采用其他取值方式确定具体数值，只要不改变本实施例整体技术构思，都属于本实施例所包括的方案，故不再赘述。
本实施例以“中间主坝体的异岸坝高H D 作为堵江堰塞体的总高H”为例说明堵江堰塞体的总高H取值的限制条件。此时，堵江堰塞体的总高H的最大值记为Hmax，H∈(0,Hmax]；约束条件为：Hmax≤h D 且（1+α i ）*Hmax≤hs。其中，主河道200的同岸高度hs、主河道200的异岸高度h D 从主河道DEM中提取。
进一步地，根据防护要求不同，实际操作中还会增设坝高限定系数θ，θ∈(0.7,1)。此时对应的约束条件为：Hmax≤θ*h D 且（1+α i ）*Hmax≤θ*hs。
对获取堵江堰塞体的总体积V与堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L关系的方式进行说明。堵江堰塞体模型300的结构参数确定后，通过计算机软件对模型进行离散化处理，从而将复杂的几何体分割为许多小的几何体，然后计算每个小几何体的体积并求和，从而得到整个实体的体积，即堵江堰塞体的总体积。因此，基于已经确定的堵江堰塞体的三维结构及堵江堰塞体三维结构中的关键结构参数，堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L作为一组变量X，与堵江堰塞体的总体积V之间的对应关系，可以用V=f(H,L)表示。基于步骤Sa中的已知量，一组堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L与对应的堵江堰塞体的总体积V组成一条数据项，若干条数据项就形成了反映V=f(H,L)的数据集Y。
步骤Sc、获取预测的设计频率的一次泥石流总量Vc，并在“堵江堰塞体的总体积V等于设计频率的一次泥石流总量Vc”的约束条件下，求解一组对应的堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L。
基于步骤Sb中获得的数据集Y，只需要在“V=Vc”的条件下，在数据集Y中进行查找，即可获得满足条件所对应的堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L，从而确定泥石流发生时堵江堰塞体的堆积范围，进而确定待降糙施工的区域。
本实施例，先构建堵江堰塞体模型300，并通过泥石流沟道DEM、主河道DEM、地貌水文数据与经验值的结合，能够确认上述出沟口宽度b、主河道200的同岸高度hs、主河道200的异岸高度h D 、泥石流体自然休止角β、主河水流作用下的堰塞体下游坡度折减系数k、泥石流沟道纵比降γ、坝高限定系数θ、河道形态特征x DEM 等参数；然后借助三维设计软件中三维实体体积分析功能，获得堵江堰塞体的总体积V与堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L对应的数据集Y；再用“V=Vc”的条件从数据集Y中查找到对应的堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L，即可确定泥石流发生时堵江堰塞体在河道中的堆积范围，进而确定待降糙施工的区域。
在另一具体实施例方式中，堵江堰塞体的总长L作为第一区域Q1沿主河流向的长度，也作为第二区域沿主河流向的长度。至于第三区域沿主河流向的长度，通常使用经验法，将堵江堰塞体的总长L进行适当减小后，作为第三区域沿主河流向的长度。
实施例4：
相对于实施例3，本实施例也需要使用具有三维建模和三维实体体积分析功能的三维设计软件，但是获取V=f(H,L)的方式不同。本实施例提供一种基于分段累加思想的方法，获取堵江堰塞体的总体积V与堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L对应关系。该方法包括以下步骤Ta、步骤Tb、步骤Tc。
步骤Ta、如图3所示，根据实测地形，在泥石流沟道100、主河道200的交汇区构建堵江堰塞体模型300并确定堵江堰塞体的三维结构及关键结构参数。
堵江堰塞体模型300中堵江堰塞体的三维结构，包括上游坝体、中间主坝体、下游坝体。构建堵江堰塞体模型300时，根据堵江堰塞体结构的稳定状态，将关键结构参数中的中间主坝体的顶部宽度B、中间主坝体的顶部坡度α i 、堵江堰塞体的上游坝体坡度α u 、堵江堰塞体的下游坝体坡度α d 、沟道形态特征作为确定数值的已知量，将堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L作为影响堵江堰塞体的总体积V的变量。为了方便建模，建模时先为堵江堰塞体的总高H设置一个临时的预设值。步骤Ta与步骤Sa相同，不再赘述。
步骤Tb、如图3、图4所示，首先，基于实测地形，从堵江堰塞体远离泥石流沟道100的异岸侧向靠近泥石流沟道100的同岸侧依次进行等间距的剖切，形成一组横断面，记为：断面1-1、断面2-2、断面3-3、…、断面(n-2)-(n-2)、断面(n-1)-(n-1)、断面n-n；其中，n为不小于3的正整数；相邻横断面的间距记为ΔL。此组横断面沿主河流向、与堵江堰塞体的中间主坝体垂直，相邻横断面的间距ΔL的具体取值根据精度需求进行确定。其次，借助三维设计软件，根据步骤Ta中确定的中间主坝体的顶部宽度B、中间主坝体的顶部坡度α i 、堵江堰塞体的上游坝体坡度α u 、堵江堰塞体的下游坝体坡度α d 、沟道形态特征以及暂时设置的堵江堰塞体的总高H，确定上述各个横断面与地形的交点，如：1、2u、2d、…、nu、nd；将所有交点依次平顺连接形成一个封闭区域；该封闭区域即为堵江堰塞体的平面堆积区域，该封闭区域沿主河流向最大的跨度即为堵江堰塞体的总长L。然后，分别计算各个横断面的面积，采用累积求和法，得到此组堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L对应的堵江堰塞体的总体积V。假设不同的堵江堰塞体的总高H，获取多组对应的堵江堰塞体的总体积V、堵江堰塞体的总长L。
结合图3对上述横断面及各个横断面与地形的交点进行说明。根据步骤Tb中横断面的分割方式，大多数情况下，一个横断面与地形相交时会在主河上游区域、主河下游区域共形成2个交点，如：断面n-n与地形中主河上游区域的交点nu、与地形中主河下游区域的交点nd；特殊情况下，一个横断面与地形相交时仅形成一个交点，如断面1-1与地形相交形成了交点1；只是因为该横断面与主河上游区域的交点、与主河下游区域的交点刚好重合。
步骤Tc、获取预测的设计频率的一次泥石流总量Vc，并在“堵江堰塞体的总体积V等于设计频率的一次泥石流总量Vc”的约束条件下，求解一组对应的堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L。
本实施例的其他部分与实施例1、实施例2或实施例3相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例在实施例4的基础上进行说明。
一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，包括泥石流堵江模式判断、降糙方案设计、降糙方案实施三大部分。
一、泥石流堵江模式判断。
本实施例提供一种判断泥石流是否会堵江的判断方法，以“陈德明,王兆印,何耘.泥石流入汇对河流影响的实验研究[J].泥沙研究,2002(03):22-28.”中记载的陈德明公式作为泥石流堵江判别式，判断泥石流是否会发生堵江。
陈德明公式：
式1
C r 表示泥石流堵江系数；当C r ＞1.44时，会形成堵江；否则，不会堵江；
γ d 表示泥石流容重；通常根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》中的方法获取；
γ m 表示主河水流容重；通常取10.0 KN/m3；
Q d 表示泥石流流量，通常根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》中的方法获取；
Q m 表示主河流量，通常根据水文站历史实测或现场实测获得；
v d 表示泥石流平均流速；通常根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》中的方法获取；
v m 表示主河平均流速；通常根据水文站历史实测或现场实测获得；
α表示汇流角；通常根据现场调查或遥感影像资料获得。
根据上述泥石流堵江判别式，采用设计频率下的泥石流基本参数进行判别，若判别为不会堵江，视为风险很小，因为未堵塞相当于没有将河流完全堵断，只会短期壅水上游水位，并且最大壅水水位一般都很小。若判别为会形成堵江，则堵江堰塞体存在较高的风险，上游淹没及下游溃决洪水的危险性都较高，故需要采取一些方案削减堵江堰塞体危险性。通常设计频率的参数值与该泥石流沟道防治工程的防治标准一致。
进一步地，还可采用数值模拟等其他方法判断堵江情况，只要能判断泥石流是否会发生堵江即可。当预测到泥石流会发生堵江时，才进行后续降糙方案设计、降糙施工。
二、降糙方案设计。
获取泥石流沟道100、主河道200的交汇区的结构参数，对堵江堰塞体进行三维建模。顺河道主河流向，为堵江堰塞体的横向，形成的断面为横断面；垂直河道主河流向，为堵江堰塞体的纵向，形成的断面为纵断面。
第一，为堵江堰塞体的主要结构参数赋值。
将泥石流沟道100的出沟口宽度b视为中间主坝体的顶部宽度B。
因泥石流形成的堵江堰塞体为自然堆积而成，因此堵江堰塞体的上游坝体坡度α u 取泥石流体自然休止角β，如式2：
式2
β为泥石流体自然休止角，其数值的获取方法为：通过实地考察选取泥石流沟道100物源土样，若存在历史泥石流残留体，则选择残留体土样，然后对土样进行加水配置达到设计频率下的泥石流容重，将配置好的泥石流样品缓慢倒入地面使其缓慢堆积，待其稳定后，测量堆积体的坡度，即为泥石流体的自然休止β。
而堵江过程中受主河水流侵蚀作用，部分泥石流固体物质会向下游输移，因此堵江堰塞体的下游坝体坡度α d 低于堵江堰塞体的上游坝体坡度α u ，并用主河水流作用下的堰塞体下游坡度折减系数k进行换算，如式3：
式3
其中，k为主河水流作用下的堰塞体下游坡度折减系数，且k∈(0,1)；通常，k的值根据经验取0.6-0.9。
第二，将堵江堰塞体剖切出多个平行的横断面。
基于主河道200的实测地形，如图4所示，以中间主坝体的异岸坝高H D 作为堵江堰塞体的总高H，从堵江堰塞体对岸开始垂直于泥石流主沟道向沟道同岸依次进行等距剖切，依次记为：断面1-1、断面2-2、断面3-3、…、断面(n-2)-(n-2)、断面(n-1)-(n-1)、断面n-n；其中，n为不小于3的正整数。
第三，确定堵江堰塞体若干平行横断面的结构参数，以求解各个横断面的面积。
堵江堰塞体若干平行横断面的结构参数可以实地测绘获取，用主河道200的横断面轮廓匹配堵江堰塞体的各个横断面的轮廓，再通过现有的网格法、模糊测试法估算各个横断面的面积。堵江堰塞体若干横断面的面积也可以根据现场实测数据将其简化成四边形再进行面积估算；其中，堵江堰塞体的回淤纵比降i一般根据经验取沟道纵比降的0.5-0.8倍。堵江堰塞体各个横断面的面积获取方法不是本实施例的主要改进点，采用现有技术获取数值即可，故不再赘述。
第四、以堵江堰塞体的总体积V等于设计频率的一次泥石流总量Vc为控制条件，求解对应的堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L的值。
根据式4计算堵江堰塞体的总体积V：
式4
式中，V为堵江堰塞体的总体积；
ΔL为相邻横断面的间距；
A n 为断面n-n的断面面积；
A n-1 为断面(n-1)-(n-1)的断面面积。
A为堵江堰塞体各个横断面面积的通用参数，其下标为断面号；如A 1为断面1-1的断面面积；A n 为断面n-n的断面面积。
当ΔL不带入具体数值时，通过式4得到的堵江堰塞体的总体积V是一个关于相邻横断面的间距ΔL的表达式；相邻横断面的间距ΔL可根据精度需求进行确定。确定相邻横断面的间距ΔL的取值后，假设不同的堵江堰塞体的总高H，会得到多组不同的堵江堰塞体横断面的断面面积，进而计算不同的堵江堰塞体的总体积V。当V=V c 时，对应的堵江堰塞体的总高H即为设计工况下的预测坝高，此时每个堵江堰塞体的横断面均会与地形有交点，如图3所示：1、2u、2d、…、nu、nd。将这些交点依次平顺连接后，围成的区域即为堵江堰塞体的堆积范围。
本实施例中，堵江堰塞体的总长L作为第一区域Q1沿主河流向的长度，也作为第二区域沿主河流向的长度。至于第三区域沿主河流向的长度，通常使用经验法，将堵江堰塞体的总长L进行适当减小后，作为第三区域沿主河流向的长度。当然，本领域技术人员也可以根据实际需求，基于堵江堰塞体的总长L对降糙施工区域的范围进行扩大或缩小的调整。
需要说明的是：在确定主河降糙区域时，不考虑河道水位变化，即不考虑是否在丰水期。
三、降糙方案实施
本实施例中，在泥石流堆积范围内的不同区域采用不同降糙方法。
第一区域Q1：为枯水期水位以下区域。这一区域始终存在常流水，处于水下，难以对其进行固化，但河道中通常存在一些大块石、巨石等严重阻碍水流运动的物体，采用挖掘机等机械设备将其清除，同时对地形急变崎岖的部位进行适当平顺处理。
采用此方法处理后，此区段的糙率可参照天然河道糙率中平原清洁、顺直、无浅滩深潭河流选取，参见表1：
表1
第二区域：为丰水期水位与枯水期水位之间的区域，包括：第二区域的泥石流沟同岸部分Q21、第二区域的泥石流沟异岸部分Q22。这部分区域仅有丰水期才会有水流过流，丰水期也是泥石流暴发的时期。首先需要清除该区域内对水流有严重阻碍的物体，如：大块石、巨石、漂木等；其次，对地形急变崎岖部位进行挖填平顺处理；最后，对该区域进行固化，可采用混凝土、浆砌块石等方法进行处理，并尽可能使表面光滑。
采用此方法处理后，此区段的糙率可参照人工渠道的糙率进行选取，参见表2：
表2
第三区域：为丰水期水位以上的堵江堰塞体覆盖区，包括：第三区域的泥石流沟同岸部分Q31、第三区域的泥石流沟异岸部分Q32。该区域无河道水流过流，仅有泥石流体与其接触。仅需清除该区域内停留于表面的大块石、巨石、漂木等，对地形急变崎岖部位进行适当修整，降低地表对泥石流的阻力。采用此方法处理后，此区段的糙率可参照水力计算手册和泥石流灾害防治工程勘查规范选取。未修正后的河道糙率按水力计算手册中的天然河道糙率表进行选取。
对以上区域处理后，各区域的糙率大小均会比未处理前明显降低，各区域糙率关系为：第二区域的目标糙率n 2 ﹤第一区域Q1的目标糙率n 1 ≤第三区域的目标糙率n 3 。
进一步地，为增加施工的干燥区域，降低施工难度，节省工程投资，尽可能提高施工效果，降糙施工需要在河道水位最低的枯水期开展工作。
本实施例的其他部分与实施例4相同，故不再赘述。
实施例6：
本实施例在实施例1－实施例5的基础上，结合工程实际情况进行详细说明。
工程情况：某地有一条泥石流沟，流域整体呈南高北低，相对高差达1307 m。泥石流沟道100的主沟长度7.96 km，泥石流沟道100的主沟面积17.0km2，泥石流沟道纵比降164‰，出沟口宽度b为15 m。经泥石流风险评估，该泥石流沟处于泥石流发展期的“壮年期”，泥石流易发程度等级为“易发”，泥石流活动强度为“较强”。按20年一遇（P=5%）估算，一次泥石流总量V c约为3.34×104m3，泥石流流量Q d 为110 m3/s，泥石流平均流速v d为8.60 m/s，泥石流容重γ d为20.5 kN/m3。泥石流沟道100与一河流正交，即汇流角α为90°。交汇区上下游顺河向3 km范围内的河道两侧分布有众多农田、公路、房屋等重要设施。若发生泥石流堵江，可能造成上游淹没和下游溃决洪水的严重危害。20年一遇（P=5%）情况下，主河流量Q m 为180m3/s，主河平均流速v m为4.50 m/s，主河水流容重γ m为10.0 kN/m3。主河丰水期流量为180m3/s，枯水期流量为50 m3/s；主河道200的原始糙率为0.045，主河道200的平均纵坡为10‰。
按照20年一遇（P=5%）的防治标准，将上述基本参数代入式1进行判别：
式1
计算得到Cr=2.39。
因Cr＞1.44，故判定为会发生堵江。由于堵江后存在较高风险，故需要采取本发明创造提出的降糙方法削减堵江堰塞体的危险性。
基于实施例3或实施例4或实施例5中构建的堵江堰塞体的三维模型以及实测数据等资料，确定堵江堰塞体的主要结构参数。
首先，根据泥石流沟道100的出沟口宽度b得到中间主坝体的顶部宽度B=15 m。再者，通过实地考察，发现泥石流沟的出沟口附近还存在保存比较完整的历史泥石流残留体，因此采挖部分残留体进行加水配置达到设计频率下的泥石流容重γ d，20.5 kN/m3。将配置好的泥石流样品缓慢倒入地面使其缓慢堆积，待其稳定后，测量堆积体的坡度为15°，即为泥石流的自然休止角β=15°。根据经验，主河水流作用下的堰塞体下游坡度折减系数k取0.7，代入实施例5中的式2、式3；求得堵江堰塞体的上游坝体坡度α u 为15°；堵江堰塞体的上游坝体坡度α d 为10.5°。垂直于主河道200方向，泥石流堵江堰塞体纵向回淤比降i一般根据经验取泥石流沟道纵比降164 ‰的0.5倍，为8.20%。
然后，采用如实施例4、实施例5所述分段累加法获取堵江堰塞体的总体积V与堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L对应关系。本实施例中，按ΔL=20 m将堵江堰塞体剖切出多个垂直于泥石流沟道100的横断面，得到断面1-1、断面2-2、断面3-3、断面4-4、断面5-5、断面6-6、断面7-7、断面8-8共8个横断面。根据实地测量的数据，假设不同的堵江堰塞体高度，当堵江堰塞体的高度为6.9 m时，计算得到的总体积V刚好等于设计频率的一次泥石流总量V c ，然后将堰塞体各梯形断面上下游坡面线与地面的交叉点：1、2u、2d、3u、3d、4u、4d、5u、5d、6u、6d、7u、7d、8u、8d；依次平顺连接，围成的封闭区域即为泥石流堵江堰塞体的堆积范围。
各横断面的断面面积计算参数如表3：
表3
表3中各断面间分段体积为6445m3、8300m3、8765m3、4890m3、2928m3、1470m3、608m3、52m3，整个堵江堰塞体的体积共3.34*104m3。
根据上述预测的泥石流堵江堰塞体的堆积范围，量取堵江堰塞体在主河道200中堆积的长度为110 m，即L=110 m。由此确定了第一区域Q1、第二区域需要降糙施工的长度。
当然，也可以采用如实施例3所述的方法，获取堵江堰塞体的总体积V与堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L对应关系，从而获取目标工况下预测的堵江堰塞体的总长L。此处不再赘述。
主河道200各断面处的枯水期水位和丰水期水位根据水力计算手册中的曼宁公式进行试算得到，计算枯水期水位时，流量采用枯水期流量50 m3/s，计算丰水期水位时，流量采用丰水期的流量180 m3/s，实际计算时，根据精度需求，顺河道方向剖切不同的河道断面，根据曼宁公式进行计算，如图5所示，本实施例顺河道方向间隔20 m截取一个断面进行计算，结果见表4：
表4
说明：河道底部高程通过实地测量得到，枯水期水位、丰水期水位均根据曼宁公式计算得到。
进一步地，本实施例中主河的水面宽度为35m，属于大河。因此，第一区域Q1的目标糙率n 1 取值0.026，第二区域的目标糙率n 2 取值0.015，第三区域的目标糙率n 3 取值0.033；明显小于未实施降糙前的0.045。
在枯水期对降糙区域进行施工，以各个区域目标糙率作为一项重要验收指标。降糙施工完成后，增加了该主河水动力条件，减小了河道边界对堰塞体的阻碍，增加了堵江堰塞体顺河方向的长度，进而达到削减堵江堰塞体的异岸坝高和堰塞湖库容的目的。
本实施例的其他部分与实施例1－实施例5任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，其特征在于，先预测泥石流发生时堵江堰塞体的堆积范围，并按河道边界的高程划分出多个区域，再在枯水期对河道边界分区域进行降糙处理。
2.根据权利要求1所述的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，其特征在于，所述按河道边界的高程划分出多个区域是指：在堵江堰塞体的堆积范围内，根据河道的枯水期水位、丰水期水位将河道边界由低到高划分成三个子区域：高度低于枯水期水位的第一区域、高度高于枯水期水位但低于丰水期水位的第二区域、高度高于丰水期水位的第三区域；
三个子区域的目标糙率依次记为：n 1 、n 2 、n 3 ，且满足：
第二区域的目标糙率n 2 ﹤第一区域的目标糙率n 1 ≤第三区域的目标糙率n 3 。
3.根据权利要求2所述的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，其特征在于，所述第一区域的目标糙率n 1 参照天然河道糙率中平原清洁、顺直、无浅滩深潭河流进行选取。
4.根据权利要求2所述的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，其特征在于，所述第二区域的目标糙率n 2 参照人工渠道的糙率进行选取。
5.根据权利要求2所述的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，其特征在于，所述第三区域的目标糙率n 3 参照水力计算手册和泥石流灾害防治工程勘查规范进行选取。
6.根据权利要求2或3或5所述的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，其特征在于，对所述第一区域或者对所述第三区域进行降糙处理时，清除阻碍水流运动的障碍物，并对崎岖部位进行挖填平顺处理。
7.根据权利要求2或4所述的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，其特征在于，对所述第二区域进行降糙处理时，首先清除阻碍水流运动的障碍物，然后对地形急变崎岖部位进行挖填平顺处理，最后采用混凝土对该区域进行固化，在第二区域的河道边界形成光滑的混凝土护面。
8.根据权利要求1所述的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，其特征在于，在预测泥石流发生时堵江堰塞体在河道中的堆积范围之前，先根据泥石流堵江判别式在设计频率下计算泥石流堵江系数C r ，用于判断泥石流堵江模式；当C r ＞1.44时，则断定泥石流发生时会发生堵江。
9.根据权利要求1所述的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，其特征在于，在预测泥石流发生时堵江堰塞体在河道中的堆积范围时：采用三维设计软件，先根据地形数据中泥石流沟道DEM、主河道DEM，在泥石流沟道与主河道的交汇区，模拟生成一个用于模拟堵江堰塞体三维结构的堵江堰塞体模型；该堵江堰塞体的三维结构包括上游坝体、中间主坝体、下游坝体，中间主坝体的顶部从泥石流沟同岸向泥石流沟异岸倾斜形成的坡度记为α i ，上游坝体的顶部从中间主坝体向主河上游延伸形成的坡度记为α u ，下游坝体的顶部从中间主坝体向主河下游延伸形成的坡度记为α d ；然后，对堵江堰塞体三维结构中的关键结构参数进行设置：令中间主坝体的顶部宽度B、中间主坝体的顶部坡度α i 、堵江堰塞体的上游坝体坡度α u 、堵江堰塞体的下游坝体坡度α d 、沟道形态特征均为确定数值的已知量，从而获得一组随堵江堰塞体的总体积V变化的变量X，该变量X由堵江堰塞体的总高H和堵江堰塞体的总长L组成；最后，获取预测的设计频率的一次泥石流总量Vc，并在“堵江堰塞体的总体积V等于设计频率的一次泥石流总量Vc”的约束条件下，求解一组对应的堵江堰塞体的总高H、堵江堰塞体的总长L，再结合泥石流沟道DEM、主河道DEM，获取预测的堵江堰塞体在河道中的堆积范围。
10.根据权利要求9所述的一种降低泥石流堵江堰塞湖危险性的方法，其特征在于，所述沟道形态特征从泥石流沟道DEM、主河道DEM中提取；
所述中间主坝体的顶部宽度B，也是堵江堰塞体的坝顶宽度，与泥石流沟道的出沟口宽度b相等，即B=b；
所述中间主坝体的顶部坡度α i ，按照堵江堰塞体的纵向回淤比降i进行取值，为泥石流沟道纵比降γ的j倍，即α i =i=γ*j，j∈(0.5,0.8)；
所述堵江堰塞体的上游坝体坡度α u ，与泥石流体自然休止角β相等，即α u =β；
所述堵江堰塞体的下游坝体坡度α d ，满足：α d =k*α u =k*β，k∈(0,1)；其中，k为主河水流作用下的堰塞体下游坡度折减系数；
所述中间主坝体的异岸坝高H D 与所述中间主坝体的同岸坝高H S 满足：H S =（1+α i ）*H D ；且H S ≤hs、H D ≤h D ；其中，hs为主河道的同岸高度，h D 为主河道的异岸高度。
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