本發(fā)明屬于泥石流預(yù)警程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種震區(qū)泥石流溝道堆積物起動(dòng)流深閥值的計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
“5.12”地震以后，強(qiáng)震區(qū)內(nèi)誘發(fā)了大量的地震次生災(zāi)害，其中強(qiáng)震區(qū)內(nèi)每年都有不同規(guī)模的泥石流事件暴發(fā)，給強(qiáng)震區(qū)帶來(lái)了嚴(yán)重的人員傷害和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，且強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的活躍期將持續(xù)于地震后的20年。泥石流的預(yù)警是泥石流防治的主要方法之一，現(xiàn)有的泥石流預(yù)警主要基于泥石流流域的降雨條件和山洪流深，且主要的方法是基于統(tǒng)計(jì)方法和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)汶川震區(qū)泥石流溝的溝道縱比降大、泥石流流域面積小等特征，使得震區(qū)泥石流的匯水速度快，泥石流沖擊力強(qiáng)。為此，震區(qū)泥石流的預(yù)警和防治是泥石流研究的重點(diǎn)。
一定流深的地表徑流形成一定的動(dòng)水壓力，對(duì)泥石流溝道堆積物形成沖擊力，當(dāng)泥石流溝道堆積物的抗剪強(qiáng)度小于等于地表徑流的沖擊力時(shí)，泥石流溝道堆積物處于臨界起動(dòng)狀態(tài)，隨著地表徑流流深的增加，沖蝕泥石流溝道堆積物進(jìn)而誘發(fā)泥石流過(guò)程。泥石流流深是泥石流暴發(fā)的最直接影響因素，也是泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)最主要的參數(shù)之一。地表徑流流深與其所在的溝道沖刷斷面、溝道縱比降，以及溝道糙率系數(shù)等因素相關(guān)。由于汶川震區(qū)泥石流溝道縱比降大、泥石流流域面積小，使得在強(qiáng)降雨匯流條件下泥石流流域內(nèi)的匯水速度快，形成地表徑流沖蝕泥石流物源進(jìn)而誘發(fā)降雨型泥石流。例如，小崗劍泥石流溝災(zāi)害點(diǎn)在2009年的“9.8”、2011年的“9.5”以及2016年的“1.21”均發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害事件，嚴(yán)重堵斷公路，多次堵塞綿遠(yuǎn)河。
然而，目前基于泥石流流深的預(yù)警預(yù)報(bào)主要是根據(jù)不同地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)值和統(tǒng)計(jì)模型，目前泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)主要還是基于降雨強(qiáng)度對(duì)泥石流進(jìn)行。由于降雨強(qiáng)度的分布的不均一性，使得泥石流預(yù)警存在一定誤差，且相對(duì)于雨量資料較少的地區(qū)，根據(jù)降雨強(qiáng)度的泥石流預(yù)警存在風(fēng)險(xiǎn)，不能高效、便捷的推廣到設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)單位。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種震區(qū)泥石流溝道堆積物起動(dòng)流深閥值的計(jì)算方法，解決強(qiáng)震區(qū)泥石流溝道堆積物起動(dòng)過(guò)程中臨界泥石流流深，構(gòu)建基于泥石流溝道坡度、溝道堆積物性質(zhì)的泥石流流深閥值的預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行實(shí)例運(yùn)用，為泥石流預(yù)警的提供新方法，適用于泥石流預(yù)警實(shí)際工程的需要。
本發(fā)明技術(shù)的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)方式：一種震區(qū)泥石流溝道堆積物起動(dòng)流深閥值的計(jì)算方法，其特征在于：將震區(qū)泥石流溝道特征、溝道堆積物性質(zhì)應(yīng)用于震區(qū)泥石流起動(dòng)的流深預(yù)測(cè)，其具體計(jì)算方法如下：
a.通過(guò)獲取震區(qū)泥石流溝道的參數(shù)，確定泥石流溝的溝道縱比降j(‰)，溝道坡度α(°)，泥石流溝道堆積物飽和狀態(tài)時(shí)的飽和容重γsat(kn/m3)，泥石流容重γ(kn/m3),泥石流體中水的容重γw(kn/m3)，γw＝10kn/m3，泥石流堆積物的內(nèi)摩擦角θ(°)，泥石流的黏滯系數(shù)η(pa·s)；
b.通過(guò)以下公式確定震區(qū)泥石流起動(dòng)的流深閥值h，單位m；
h＝[(γcosαtanθ-(γ-γw)sinα)/(ηj1/2)]-3/4
式中：j為溝道縱比降(‰)，α為溝道坡度(°)，γ為泥石流容重(kn/m3),γw為泥石流體中水的容重(kn/m3)，γw＝10kn/m3，θ為泥石流堆積物的內(nèi)摩擦角(°),η為泥石流的黏滯系數(shù)(pa·s)；均由步驟a所確定。
本發(fā)明所述的震區(qū)泥石流溝道堆積物起動(dòng)流深閥值的計(jì)算方法，其所述步驟b中的確定震區(qū)泥石流起動(dòng)的流深閥值公式適用于震區(qū)泥石流溝道堆積物在地表徑流沖蝕條件下的泥石流起動(dòng)的流深閥值的預(yù)測(cè)，將得到的泥石流流深將作為震區(qū)泥石流暴發(fā)的最小流深。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明突破傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的限制，從泥石流溝道縱比降、泥石流溝道寬度等多方面入手，構(gòu)建了基于泥石流溝道參數(shù)的泥石流流深閥值計(jì)算模型。首先，在泥石流溝道坡度方面，利用泥石流溝道縱比降變化特征定量反映了震區(qū)泥石流溝道堆積物起動(dòng)時(shí)的流深特征；其次，根據(jù)泥石流溝道堆積物的內(nèi)摩擦角反映了汶川震區(qū)泥石流流深與溝道堆積物物理性質(zhì)間的相互關(guān)系，計(jì)算理論完善，計(jì)算結(jié)果符合泥石流現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，能夠?yàn)檎饏^(qū)泥石流預(yù)警參數(shù)提供技術(shù)支持。
附圖說(shuō)明
圖1是泥石流溝道堆積物受力分析示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)如下：△h為溝道堆積物任意侵蝕厚度，△l為堆積物任意侵蝕長(zhǎng)度，h為泥石流堆積厚度，α為泥石流溝道坡度，γsat為泥石流溝道堆積物飽和狀態(tài)時(shí)的飽和容重，dn為堆積物所受支撐應(yīng)力，dgy為泥石流固體顆粒的自重應(yīng)力，dτ為堆積物所受剪應(yīng)力。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。
如圖1所示，一種震區(qū)泥石流溝道堆積物起動(dòng)流深閥值的計(jì)算方法，其主要思路是：將震區(qū)泥石流溝道特征、溝道堆積物性質(zhì)應(yīng)用于震區(qū)泥石流起動(dòng)的流深預(yù)測(cè)。首選根據(jù)土力學(xué)推導(dǎo)泥石流溝道堆積物起動(dòng)時(shí)的受力條件；再通過(guò)震區(qū)典型泥石流溝的調(diào)查以及泥石流溝道特征參數(shù)的測(cè)量等手段確定溝道坡度、溝道縱比降、溝道糙率系數(shù)、泥石流容重、泥石流粘滯系數(shù)；將所得參數(shù)帶入震區(qū)泥石流溝道堆積物起動(dòng)流深閥值的計(jì)算模型中，得到泥石流流起動(dòng)的臨界流深預(yù)測(cè)值。
具體計(jì)算方法及步驟如下：
首先，根據(jù)震區(qū)泥石流溝道堆積物的受力特征繪制泥石流溝道堆積物的受力示意圖，分析泥石流溝道堆積物起動(dòng)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力條件和阻力條件。假設(shè)震區(qū)泥石流溝道坡度為α，泥石流溝道縱比降為j，泥石流容重為γ，泥石流溝道的糙率系數(shù)為n，泥石流的粘滯系數(shù)為η，如圖1所示，泥石流溝道堆積物起動(dòng)時(shí)，堆積物受地表徑流的受剪應(yīng)力(τ2)公式表示為：
式中，τ2為泥石流剪應(yīng)力(pa)，τb為泥石流漿體的屈服剪應(yīng)力(pa)，η為泥石流的黏滯系數(shù)(pa·s)，在常溫20℃時(shí)，粘滯系數(shù)為1.005pa·s，v為泥石流的流速(m/s)，α為泥石流溝道坡度(°),γ為泥石流容重(kn/m3),γw為泥石流體中水的容重(kn/m3)，γw＝10kn/m3。
則泥石流溝道堆積物受到的剪應(yīng)力(τ2)公式表示為：
然后，泥石流溝道物源堆積體在上覆地表徑流自重壓力和溝道堆積物的自重應(yīng)力下的正應(yīng)力(δ)和剪應(yīng)力(τ1)公式表示為：
式中，h為地表徑流的流深(m)，△h為溝道堆積物的任意侵蝕厚度(m)，γsat為泥石流溝道堆積物飽和狀態(tài)時(shí)的飽和容重(kn/m3)，其他符號(hào)同上所示。
然后，根據(jù)土力學(xué)理論得到泥石流溝道堆積物的抗剪強(qiáng)度τf公式表示為：
式中，c為泥石流溝道堆積物的內(nèi)聚力(pa)，其他符合同上。
由于汶川震區(qū)泥石流溝道堆積物沉積時(shí)間短，堆積體粘粒含量低，即泥石流溝道堆積物的內(nèi)聚力c忽略不計(jì)，當(dāng)泥石流溝道堆積物的抗剪強(qiáng)度τf與泥石流的剪應(yīng)力τ相等時(shí)，泥石流溝道堆積物處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。則泥石流溝道堆積物侵蝕深度△h＝0的泥石流起動(dòng)流深閥值公式表示為：
h＝[(γcosαtanθ-(γ-γw)sinα)/(ηj1/2)]-3/4…………………(5)
式中：j為溝道縱比降(‰)，α為溝道坡度(°)，θ為泥石流堆積物的內(nèi)摩擦角(°)，η為泥石流的黏滯系數(shù)(pa·s)，在常溫20℃時(shí)，粘滯系數(shù)為1.005pa·s，γ為泥石流容重(kn/m3),γw為泥石流體中水的容重(kn/m3)，γw＝10kn/m3。
其中，所述步驟b中的確定震區(qū)泥石流起動(dòng)的流深閥值的公式適用于震區(qū)泥石流溝道堆積物在地表徑流沖蝕條件下泥石流起動(dòng)的流深閥值的預(yù)測(cè)，將得到的泥石流流深將作為震區(qū)泥石流暴發(fā)的最小流深。
以下為本發(fā)明的具體實(shí)施例：
紅椿溝流域形態(tài)為扇形，流域面積5.35km2，流域最高點(diǎn)位于新店子溝的溝源處(望鄉(xiāng)石)，高程2168.4m，溝口與岷江交匯處高程為880m，相對(duì)高差1288.4m。紅椿溝發(fā)育有甘溪鋪溝、大水溝和新店子溝等3條較大的支溝，其中主溝長(zhǎng)約3.6km，上陡下緩，溝谷平均縱比降358‰。
為了有效的防治和治理泥石流，防止岷江被堵塞威脅下游安全，根據(jù)泥石流溝道特征對(duì)泥石流起動(dòng)的流深閥值進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，具體計(jì)算方法及步驟如下：
a.根據(jù)紅椿溝泥石流溝的野外調(diào)查和泥石流溝道參數(shù)測(cè)試，確定了紅椿溝泥石流溝道堆積物的內(nèi)摩擦角為33°～35°，溝谷平均縱比降358‰，粘性泥石流溝床糙率為0.08，泥石流重度為17.10kn/m3，粘滯系數(shù)為1.005pa·s。
b.將a步驟確定的各參數(shù)代入下公式，
h＝[(γcosαtanθ-(γ-γw)sinα)/(ηj1/2)]-3/4
c.通過(guò)公式計(jì)算獲取紅椿溝泥石流起動(dòng)時(shí)的流深閥值約為15cm，則紅椿溝泥石流起動(dòng)的最小流深約為15cm。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。