一種泥石流最大彎道超高位置計算方法及應用與流程

2023-06-07 02:08:51

本發明涉及到泥石流防治工程技術領域，尤其涉及一種泥石流最大彎道超高位置計算方法及應用。

背景技術：

泥石流是暴雨、洪水將含有沙石且鬆軟的土質山體經飽和稀釋後形成的洪流，它的面積、體積和流量都較大，而滑坡是經稀釋土質山體小面積的區域，典型的泥石流由懸浮著粗大固體碎屑物並富含粉砂及粘土的粘稠泥漿組成。

在適當的地形條件下，大量的水體浸透流水山坡或溝床中的固體堆積物質，使其穩定性降低，飽含水分的固體堆積物質在自身重力作用下發生運動，就形成了泥石流。泥石流是一種災害性的地質現象。通常泥石流爆發突然、來勢兇猛，可攜帶巨大的石塊。因其高速前進，具有強大的能量，因而破壞性極大。在泥石流運動過程中，由於泥石流速度較快，慣性大，因此在彎道凹處有比水流更加顯著的彎道超高現象。泥石流在彎道處運動時，由於凹岸流速較凸岸大，導致凹岸的泥深較凸岸的深，結果形成一種超高現象。

彎道超高並不總是處於超高狀態，而是在進入彎道時，逐漸超高，達到最大超高后，再逐漸減小，在出彎道後恢復到彎道前的狀態，因此存在一個最大的彎道超高，同時，也存在一個最大彎道超高的位置。當彎道溝岸有足夠的超高時，泥石流可能會有強烈的衝刷作用或強烈淤埋作用，破壞彎道上的防護建築物及彎道附近的建築物。

目前國內外還沒有關於泥石流彎道最大超高位置的研究，主要是關於清水彎道最大超高位置的研究。主要有：

1、羅鎖福斯基經過實驗得出：水流僅在經過彎段時水面形成橫比降，最大橫比降發生於彎道中點的稍上遊，繼而比降逐漸減小(羅鎖福斯基，尹學良譯，彎道水流的研究，泥沙研究，1958.1)。

2、劉煥芳通過實驗研究，得到了彎道自由水面超高在進口直段、彎道段和出口直段的沿程分布計算公式，據其公式，清水彎道超高最大位置恆為彎道中心位置(劉煥芳，彎道自由水面形狀的研究，水利學報，1990.4)。

公開號為cn104652370a，公開日為2015年05月27日的中國專利文獻公開了一種偏心荷載作用下泥石流攔擋壩設計的優化方法，該方法利用室內試驗和野外調查相結合的方法確定泥石流重度γc，根據泥石流攔擋壩的設防標準計算擬建攔擋壩斷面泥石流洪峰流量qc和過流斷面a，由彎道形態確定擬建攔擋壩所在區域溝谷的曲率半徑r，根據泥石流在流經彎道處角速度ω相等和設防泥石流峰值流量qc計算斷面上的流速橫向分布，得到泥石流在流經擬建攔擋壩上的衝擊力σ、彎道超高δh，根據泥石流運動特徵和參數、地基條件、技術性確定攔擋壩設計方案。

該專利文獻公開的偏心荷載作用下泥石流攔擋壩設計的優化方法，通過泥石流在流經彎道處角速度ω相等和設防泥石流峰值流量qc計算斷面上的流速橫向分布，實質是假定近似的採用斷面平均流速來替代縱向流速，與實際並不相符，得到泥石流的彎道超高值不準確；不能夠提供一個準確計算泥石流在不同彎道不同速度下的最大彎道超高位置的模型，不能有效的為泥石流攔擋壩設計提供科學的數據參考，影響泥石流防治工程的防治效果。

技術實現要素：

本發明為了克服上述現有技術的缺陷，提供一種泥石流最大彎道超高位置計算方法及應用，本發明遵循量綱和諧原理，能夠提供一個準確計算泥石流在不同彎道不同速度下的最大彎道超高位置的模型，能夠為泥石流防禦措施提供更好的理論數據參考，進而能夠有效防止人員傷亡和財產損失，對於泥石流減災具有更高的防災適用性，極大的提高了泥石流的防治效果。

本發明通過下述技術方案實現：

一種泥石流最大彎道超高位置計算方法，其特徵在於，包括以下步驟：

a、獲取泥石流發生地的泥石流平均流速v，單位m/s，現場測量泥石流發生地的泥石流溝道寬度b，單位m；

b、現場測量泥石流發生地的泥石流彎道中心曲率半徑r，單位m；

c、測量計算泥石流屈服應力τ，單位pa；

d、測量計算泥石流密度p，單位kg/m3；根據式1計算泥石流彎道最大超高位置θ，單位度；

本發明，適用於泥石流在不同彎道不同速度下的最大彎道超高位置的計算。

本發明，適用於道路橋梁工程建設。

本發明，適用於不同屈服應力泥石流在不同彎道處不同速度情況下可能產生的最大超高位置的計算。

本發明的原理如下：

泥石流的彎道最大超高常常造成泥石流治理工程失效，或泥石流衝出溝道造成危害。彎道最大超高的計算對泥石流的危險性評估和泥石流防治工程都非常重要。彎道超高並不總是處於超高狀態，而是在進入彎道時，逐漸超高，達到最大超高后，再逐漸減小，在出彎道後恢復到彎道前的狀態，因此存在一個最大的彎道超高，同時，也存在一個最大彎道超高的位置。

泥石流運動速度對彎道超高的影響：泥石流運動速度越大，泥石流動能越大，在彎道處的超高越大。

泥石流運動的溝道寬度對彎道超高的影響：泥石流運動的溝道寬度越大，彎道斷面超高的積累越多，在彎道斷面的超高越大。

泥石流運動的彎道曲率半徑對彎道超高的影響：泥石流運動的彎道曲率半徑越小，維持彎道運動的向心力越大，需要在彎道處的超高越多，在彎道處的超高越大；反之，超高越小。

本發明的有益效果主要表現在以下方面：

一、本發明，「a、獲取泥石流發生地的泥石流平均流速v，單位m/s，現場測量泥石流發生地的泥石流溝道寬度b，單位m；b、現場測量泥石流發生地的泥石流彎道中心曲率半徑r，單位m；c、測量計算泥石流屈服應力τ，單位pa；d、測量計算泥石流密度p，單位kg/m3；根據式1計算泥石流彎道最大超高位置θ，單位度；」作為一個完整的技術方案，本發明遵循量綱和諧原理，能夠提供一個準確計算泥石流在不同彎道不同速度下的最大彎道超高位置的模型，能夠為泥石流防禦措施提供更好的理論數據參考，進而能夠有效防止人員傷亡和財產損失，對於泥石流減災具有更高的防災適用性，極大的提高了泥石流的防治效果。

二、本發明，適用於泥石流在不同彎道不同速度下的最大彎道超高位置的計算，適用於野外大尺度的實際計算，對於泥石流減災具有更高的防災適用性。

三、本發明，適用於道路橋梁工程建設，通過準確計算泥石流最大彎道超高位置，能夠為道路橋梁工程提供重要數據參考，既保障了泥石流防治效果，又能夠在一定程度上節省工程材料，降低工程造價。

四、本發明，適用於不同屈服應力泥石流在不同彎道處不同速度情況下可能產生的最大超高位置的計算，充分考慮了泥石流本身性質對超高的影響，能夠根據計算得到的最大超高位置有針對性的設計防禦措施，進而能夠有效防止人員傷亡和財產損失。

具體實施方式

實施例1

一種泥石流最大彎道超高位置計算方法，包括以下步驟：

a、獲取泥石流發生地的泥石流平均流速v，單位m/s，現場測量泥石流發生地的泥石流溝道寬度b，單位m；

b、現場測量泥石流發生地的泥石流彎道中心曲率半徑r，單位m；

c、測量計算泥石流屈服應力τ，單位pa；

d、測量計算泥石流密度p，單位kg/m3；根據式1計算泥石流彎道最大超高位置θ，單位度；

本發明，「a、獲取泥石流發生地的泥石流平均流速v，單位m/s，現場測量泥石流發生地的泥石流溝道寬度b，單位m；b、現場測量泥石流發生地的泥石流彎道中心曲率半徑r，單位m；c、測量計算泥石流屈服應力τ，單位pa；d、測量計算泥石流密度p，單位kg/m3；根據式1計算泥石流彎道最大超高位置θ，單位度；」作為一個完整的技術方案，本發明遵循量綱和諧原理，能夠提供一個準確計算泥石流在不同彎道不同速度下的最大彎道超高位置的模型，能夠為泥石流防禦措施提供更好的理論數據參考，進而能夠有效防止人員傷亡和財產損失，對於泥石流減災具有更高的防災適用性，極大的提高了泥石流的防治效果。

實施例2

一種泥石流最大彎道超高位置計算方法，包括以下步驟：

a、獲取泥石流發生地的泥石流平均流速v，單位m/s，現場測量泥石流發生地的泥石流溝道寬度b，單位m；

b、現場測量泥石流發生地的泥石流彎道中心曲率半徑r，單位m；

c、測量計算泥石流屈服應力τ，單位pa；

d、測量計算泥石流密度p，單位kg/m3；根據式1計算泥石流彎道最大超高位置θ，單位度；

本發明，適用於泥石流在不同彎道不同速度下的最大彎道超高位置的計算。

進一步的，適用於野外大尺度的實際計算，對於泥石流減災具有更高的防災適用性。

實施例3

一種泥石流最大彎道超高位置計算方法，包括以下步驟：

a、獲取泥石流發生地的泥石流平均流速v，單位m/s，現場測量泥石流發生地的泥石流溝道寬度b，單位m；

b、現場測量泥石流發生地的泥石流彎道中心曲率半徑r，單位m；

c、測量計算泥石流屈服應力τ，單位pa；

d、測量計算泥石流密度p，單位kg/m3；根據式1計算泥石流彎道最大超高位置θ，單位度；

本發明，適用於道路橋梁工程建設。

適用於道路橋梁工程建設，通過準確計算泥石流最大彎道超高位置，能夠為道路橋梁工程提供重要數據參考，既保障了泥石流防治效果，又能夠在一定程度上節省工程材料，降低工程造價。

實施例4

一種泥石流最大彎道超高位置計算方法，包括以下步驟：

a、獲取泥石流發生地的泥石流平均流速v，單位m/s，現場測量泥石流發生地的泥石流溝道寬度b，單位m；

b、現場測量泥石流發生地的泥石流彎道中心曲率半徑r，單位m；

c、測量計算泥石流屈服應力τ，單位pa；

d、測量計算泥石流密度p，單位kg/m3；根據式1計算泥石流彎道最大超高位置θ，單位度；

進一步的，適用於不同屈服應力泥石流在不同彎道處不同速度情況下可能產生的最大超高位置的計算。

適用於不同屈服應力泥石流在不同彎道處不同速度情況下可能產生的最大超高位置的計算，充分考慮了泥石流本身性質對超高的影響，能夠根據計算得到的最大超高位置有針對性的設計防禦措施，進而能夠有效防止人員傷亡和財產損失。

採用本發明分別對大渡河支流田灣河、利子依達溝泥石流、舟曲泥石流進行檢測：

1、大渡河支流田灣河地處青藏高原邊緣的大雪山南麓，四川省雅安市石棉縣草科藏族鄉位于田灣河中遊。

田灣河支流中堡溝於2012年8月14日爆發泥石流，3間房屋損毀。2013年7月14日再次爆發泥石流，規模較小，無傷亡。2014年7月9日爆發泥石流，因泥石流爆發前十天修建排導槽，危害較小。

排導槽內堆積物主要為2014年7月9日泥石流爆發所留。經現場測量，溝道寬度為22.5m，曲率半徑為23m，泥石流密度為2080kg/m3，泥石流屈服應力為8000pa，超高3.6m，最大彎道超高位置40°。

經公式計算，最大彎道超高位置為38.5°，與實際調查相近。

2、利子依達溝泥石流彎道超高：1981年7月9日凌晨1時30分成昆線，位於溝道彎曲處的利子依達橋，在該處暴發特大規模泥石流,衝毀利子依達大橋，堵塞大渡河，並造成一列開往成都的列車車頭和前幾節車廂翻入大渡河，此次泥石流共造成400多人死傷，成昆鐵路癱瘓372h，直接經濟損失達2000多萬元，是世界鐵路史上有史以來由泥石流導致的最嚴重的列車事故。

利子依達溝位於四川省甘洛縣大橋鄉乃乃堡村，系大渡河的一條支溝，烏斯河附近。溝口坐標：e102°53′39″，n29°12′45.6″，利子依達溝流域面積：24.9km2，主溝長：7.9km，溝頂海拔3200m，溝口海拔670m，相對高差2530m。溝床平均縱比降180‰。形成區內溝床縱比降在300‰以上，兩岸山坡坡度為50°至70°，兩岸岸坡陡峻，流域內有三條支溝，溝長2km至4km，支溝下切深度較淺。流通區溝床縱比降在100‰以上，兩岸山坡坡度為40°至70°。流域呈v字形峽谷，下切較深。利子依達溝海拔高差較大，溝床縱比降大，流域面積大，中上遊支溝發育，岸坡陡峭，有利於降水匯集。(陳俊虎,丁玉壽.1982.成昆線利子依達泥石流[j].鐵道建築,12:14-18.)。

在溝口橋址上遊500米處有一s形彎卡口，s形彎卡口以下為半徑r＝160m的彎道，溝道寬b＝45m，主流高度集中於凹岸(成都方向岸)，正對著成都端橋臺和第一孔，彎道超高約4.8-5.1米(陳俊虎,丁玉壽.1982.成昆線利子依達泥石流[j].鐵道建築,12:14-18.)。泥石流密度ρ＝2350kg/m3，泥石流屈服應力τ＝15000pa。成都端方位角在nee60°，而泥石流入彎方向方位角為ne90°，據此推測最大超高位置為彎道中心角30°附近。經本發明公式計算，最大彎道超高位置為31.1°，與實際調查相近。

3、舟曲特大泥石流大峪溝泥石流彎道超高：2010年8月7日晚23時許，甘肅舟曲爆發特大規模泥石流，共造成1481人遇難，284人失蹤，1824人受傷(截至2010年9月7日)，給當地群眾造成了巨大生命財產損失，為其生產生活造成了巨大困難。舟曲特大泥石流由三眼峪溝和羅家峪溝兩個流域組成，兩流域均為白龍江左岸一級支流，流域整體呈南北向展布，地勢北高南低，呈漏鬥狀。大峪溝和小峪溝構成「y」字形。三眼峪流域面積25km2，主溝長9.7km，最高點海拔3828m，最低點海拔1320m，高差2508m，大峪溝上遊平均縱比降235‰，小峪溝上遊平均縱比降258‰，三眼峪溝中遊平均縱比降144‰，下遊平均縱比降88‰，整個流域內衝溝發育，且縱比降較大，有利於匯水。

王群敏(2011.舟曲特大泥石流的衝擊作用及其防治對策[d].蘭州:蘭州大學)於大峪溝與小峪溝交匯處往大峪溝上遊方向約0.4km處調查了彎道超高，斷面位置坐標：e104°22′36.1″，n33°48′23.8″，凸岸至凹岸斷面觀測方位角ssw197°。而根據谷歌影像測量泥石流入彎方位角為sse170°。根據舟曲1：50000地形圖量出該斷面所處的彎道曲率半徑，其中中心線曲率半徑為84.5m，據其斷面剖面圖測量，溝道寬b＝60米，彎道超高h＝13.9m，最大超高位置為彎道中心角27°附近。餘斌等(2010.甘肅省舟曲8.7特大泥石流調查研究[j].工程地質學報18(4):437-444)計算大峪溝泥石流密度ρ＝2190kg/m3，泥石流流速v＝10.52m/s，泥石流屈服應力τ＝7900pa，經本發明公式計算的最大彎道超高位置為32.2°，與實際調查相近。