一種計算粘性泥石流堵江的臨界條件的方法與流程
2023-05-03 02:26:06
本發明涉及到泥石流防治工程技術領域，尤其涉及一種計算粘性泥石流堵江的臨界條件的方法。
背景技術：
泥石流是指在山區或者其他溝谷深壑，地形險峻的地區，因為暴雨、暴雪或其他自然災害引發的山體滑坡並攜帶有大量泥沙以及石塊的洪流。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，具有流速快，流量大的特點，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。發生泥石流常常會衝毀公路鐵路等交通設施甚至村鎮等，因此，泥石流的防治顯得尤為重要。
目前國內外對泥石流堵江的計算研究，主要有三種方法：
1、以室內水槽試驗模擬為主，主要是模擬在不同交匯角的條件下，主支溝的交匯及河床響應過程，選擇不同的評價指標，例如：流量比、容重、規模等，分析得出泥石流的堵河判別式。此類方法得到的式往往由於野外數據尺度遠大於室內試驗數據，在量綱不和諧的情況下實際計算存在較大的誤差。
2、基於統計學的相關性分析，該方法主要以文獻查閱、實地調查得到各泥石流溝的基本數據和堵河特徵資料，對堵河型泥石流基本特徵進行分析總結，得出計算泥石流堵斷主河的定性或動量的經驗式。此類方法得到的式往往只適用於部分區域，缺乏普適性。
3、該方法主要為建立起泥石流沉積及泥石流與主河水流相互作用動力學方程組，以動量與動能平衡為主要切入點，分析得到其各自的理論解，理論分析了泥石流堵斷主河的條件。這類方法雖然切入點較前沿，但尚不成熟，不能廣泛應用於實際生產。
且以上三種方法得到的式往往針對山洪泥石流同時發生的情況，但是在主河流域面積較大，洪水歷時較長，洪水未至爆發泥石流的這種特殊情況下並不適用。
公開號為cn105527405a，公開日為2016年04月27日的中國專利文獻公開了一種泥石流匯江物理模擬試驗裝置,其特徵在於，包括第一泥石流支溝溝槽、第二泥石流支溝溝槽、泥石流主溝形成區溝槽、泥石流主溝流通區溝槽、泥石流主溝堆積區溝槽、寬度可變河流主河道槽、三角堰、蓄水池、模擬降雨裝置、數據採集裝置和移動支撐裝置，所述第一泥石流支溝溝槽、所述第二泥石流支溝溝槽、所述泥石流主溝形成區溝槽和所述泥石流主溝流通區溝槽均傾斜設置，所述第一泥石流支溝溝槽的水平低端、第二泥石流支溝溝槽的水平低端、所述泥石流主溝形成區溝槽的水平低端和所述泥石流主溝流通區溝槽的水平高端通過可活動橡膠帶固定連接，所述第一泥石流支溝溝槽和所述第二泥石流支溝溝槽分別設置在所述泥石流主溝形成區溝槽的兩側，所述第一泥石流支溝溝槽、所述第二泥石流支溝溝槽、所述泥石流主溝形成區溝槽和所述泥石流主溝流通區溝槽的上方均設有所述模擬降雨裝置，所述寬度可變河流主河道槽和所述蓄水池均設在所述移動支撐裝置上，所述蓄水池的出水口通過可活動橡膠帶與所述寬度可變河流主河道槽的一端連接，所述蓄水池的出水口上設有閥門，所述寬度可變河流主河道槽的另一端與所述三角堰的一端連接，所述泥石流主溝流通區溝槽的水平低端通過所述泥石流主溝堆積區溝槽與所述寬度可變河流主河道槽的側面連通，所述數據採集裝置設在所述移動支撐裝置的周圍。
該專利文獻公開的泥石流匯江物理模擬試驗裝置,雖然能模擬泥石流暴發及匯江過程，研究不同固體物源、坡面角度、江水流速、泥石流堆積區與江河河道交匯角等因素對泥石流匯江的影響，但是，由於野外數據尺度遠大於室內試驗數據，在量綱不和諧的情況下實際計算存在較大的誤差，影響泥石流堵江判斷的準確性，不利於提高泥石流防治效果。
公開號為cn106683019a，公開日為2017年05月17日的中國專利文獻公開了一種泥石流堵江計算方法及其應用，屬於泥石流防治工程技術領域，包括以下步驟：測得支溝與主河的交匯角θ；測量主河與支溝交匯處主河的平均寬度b1，主河流量qm，確定主河單寬流量q1；測量主河與支溝交匯處支溝的平均寬度b2，泥石流流量q，確定支溝單寬流量q2，確定支溝與主河的單寬流量比ε，測量主河與支溝交匯處主河的水深h，確定體積因子yt，測量泥石流屈服應力τ1，泥石流密度ρ，確定泥石流屈服應力因子x；根據判斷因子y值判斷泥石流是否會造成堵江。
該專利文獻公開的泥石流堵江計算方法及其應用，具有量綱和諧、計算結果準確度高的特點，能夠對泥石流堵江進行準確判斷；但是，其泥石流堵江計算方法有限定條件，即必須與主河正交、流量比較大才行，其普適性還是較差。
技術實現要素：
本發明為了克服上述現有技術的缺陷，提供一種計算粘性泥石流堵江的臨界條件的方法，本發明結合室內試驗和野外數據分析，充分考慮了泥石流屈服應力和單寬流量比，將泥石流堵江的影響因素進行無量綱化，能適應野外複雜多變的災害情況，計算結果準確，普適性高，能夠為泥石流堵江防治提供科學指導。
本發明通過下述技術方案實現：
一種計算粘性泥石流堵江的臨界條件的方法，其特徵在於，包括以下步驟：
a、根據式1計算支溝與主河的單寬流量比ε；
其中，q1為主河單寬流量，單位m2/s，qz為主河流量，單位m3/s，根據調查，結合國家相關規範以及設計任務獲得qz，b1為主河與支溝交匯處主河的平均寬度，單位m，實地測量獲得b1；q2為支溝單寬流量，單位m2/s，qn為泥石流流量，單位m3/s，根據調查，結合國家相關規範以及設計任務獲得qn，b2為主河與支溝交匯處支溝的平均寬度，
單位m，實地測量獲得b2；
b、根據式2計算體積因子yt；
其中，yt為體積因子；v為泥石流衝入河道總量，單位m3，根據實際調查結合相關規範計算獲得；b1為主河與支溝交匯處主河的平均寬度，單位m；h為主河與支溝交匯處主河的水深，單位m，實地調查獲得；
c、根據式3計算泥石流屈服應力因子x以及屈服應力；
其中，x為屈服應力因子；ρ為泥石流密度，單位kg/m3；g為重力加速度，取值9.8m/s2；τ1為泥石流屈服應力，單位pa，屈服應力根據實地調查計算獲得；
d、根據式4計算入匯角因子
其中，為入匯角因子；θ為支流與主流的交匯角，單位度，實地調查或通過衛星影像圖獲得；
e、通過式5判斷堵江發生概率，當y＜0.16時，不會發生堵江；當0.16≤y＜0.3時，有可能發生局部堵江；當0.3≤y＜0.46時，有可能發生大部堵江；當y≥0.46時，有可能發生全堵；
所述步驟e中，局部堵江是指流體入河後出露部分的長度與交匯處河寬的比值為30％-69％時。
所述步驟e中，大部堵江是指流體入河後出露部分的長度與交匯處河寬的比值為70％-99％時。
所述步驟e中，全堵是指流體入河後出露部分的長度與交匯處河寬的比值為100％時，且造成斷流兩分鐘以上。
本發明的有益效果主要表現在：
本發明，「a、根據式1計算支溝與主河的單寬流量比ε；b、根據式2計算體積因子yt；c、根據式3計算泥石流屈服應力因子x以及屈服應力；d、根據式4計算入匯角因子e、通過式5判斷堵江發生概率，當y＜0.16時，不會發生堵江；當0.16≤y＜0.3時，有可能發生局部堵江；當0.3≤y＜0.46時，有可能發生大部堵江；當y≥0.46時，有可能發生全堵；」首先，單寬流量比是泥石流堵江的一個重大影響因素；主河流量越大，越不易發生堵塞；泥石流流量越大，越容易發生堵塞。單寬流量比很好的將流量、河道寬度、水深等影響因素聯繫到了一起，合理簡化了複雜的實際情況。式1得到的單寬流量比，反映了泥石流流量與主河流量之間的潛在關係。其次，泥石流的入河體積量和溝道交匯處的寬度、水深也較大的影響了泥石流堵江的結果。在泥石流屈服應力、單寬流量比變化不大的情況下，泥石流入河體積越大，溝道越窄，水越淺，就越容易發生全堵。式2很好的聯繫了泥石流入河體積量與溝道、水深。再次，泥石流的性質也是堵江是否會發生的一大影響因素，屈服應力較好的反映了泥石流的性質。泥石流越粘，屈服應力越大，那麼同樣條件下發生堵江的可能性就越高。式3反映了泥石流的性質。最後，支溝與主河的交匯角會較大幅度的影響泥石流流體在溝口的衝淤狀況，實驗與文獻調查可知鈍角交匯比銳角交匯更容易發生堵江。式4描述了交匯角對堵江的影響。本技術方案作為一個整體，結合室內試驗和野外數據分析，充分考慮了泥石流屈服應力和單寬流量比，將泥石流堵江的影響因素進行無量綱化，可以較好的避免因為單位數量級差距帶來的誤差，能適應野外複雜多變的災害情況，計算結果準確，普適性高，能夠為泥石流堵江防治提供科學指導。
具體實施方式
實施例1
一種計算粘性泥石流堵江的臨界條件的方法，包括以下步驟：
a、根據式1計算支溝與主河的單寬流量比ε；
其中，q1為主河單寬流量，單位m2/s，qz為主河流量，單位m3/s，根據調查，結合國家相關規範以及設計任務獲得qz，b1為主河與支溝交匯處主河的平均寬度，單位m，實地測量獲得b1；q2為支溝單寬流量，單位m2/s，qn為泥石流流量，單位m3/s，根據調查，結合國家相關規範以及設計任務獲得qn，b2為主河與支溝交匯處支溝的平均寬度，
單位m，實地測量獲得b2；
b、根據式2計算體積因子yt；
其中，yt為體積因子；v為泥石流衝入河道總量，單位m3，根據實際調查結合相關規範計算獲得；b1為主河與支溝交匯處主河的平均寬度，單位m；h為主河與支溝交匯處主河的水深，單位m，實地調查獲得；
c、根據式3計算泥石流屈服應力因子x以及屈服應力；
其中，x為屈服應力因子；ρ為泥石流密度，單位kg/m3；g為重力加速度，取值9.8m/s2；τ1為泥石流屈服應力，單位pa，屈服應力根據實地調查計算獲得；
d、根據式4計算入匯角因子
其中，為入匯角因子；θ為支流與主流的交匯角，單位度，實地調查或通過衛星影像圖獲得；
e、通過式5判斷堵江發生概率，當y＜0.16時，不會發生堵江；當0.16≤y＜0.3時，有可能發生局部堵江；當0.3≤y＜0.46時，有可能發生大部堵江；當y≥0.46時，有可能發生全堵；
本發明，「a、根據式1計算支溝與主河的單寬流量比ε；b、根據式2計算體積因子yt；c、根據式3計算泥石流屈服應力因子x以及屈服應力；d、根據式4計算入匯角因子e、通過式5判斷堵江發生概率，當y＜0.16時，不會發生堵江；當0.16≤y＜0.3時，有可能發生局部堵江；當0.3≤y＜0.46時，有可能發生大部堵江；當y≥0.46時，有可能發生全堵；」首先，單寬流量比是泥石流堵江的一個重大影響因素；主河流量越大，越不易發生堵塞；泥石流流量越大，越容易發生堵塞。單寬流量比很好的將流量、河道寬度、水深等影響因素聯繫到了一起，合理簡化了複雜的實際情況。式1得到的單寬流量比，反映了泥石流流量與主河流量之間的潛在關係。其次，泥石流的入河體積量和溝道交匯處的寬度、水深也較大的影響了泥石流堵江的結果。在泥石流屈服應力、單寬流量比變化不大的情況下，泥石流入河體積越大，溝道越窄，水越淺，就越容易發生全堵。式2很好的聯繫了泥石流入河體積量與溝道、水深。再次，泥石流的性質也是堵江是否會發生的一大影響因素，屈服應力較好的反映了泥石流的性質。泥石流越粘，屈服應力越大，那麼同樣條件下發生堵江的可能性就越高。式3反映了泥石流的性質。最後，支溝與主河的交匯角會較大幅度的影響泥石流流體在溝口的衝淤狀況，實驗與文獻調查可知鈍角交匯比銳角交匯更容易發生堵江。式4描述了交匯角對堵江的影響。本技術方案作為一個整體，結合室內試驗和野外數據分析，充分考慮了泥石流屈服應力和單寬流量比，將泥石流堵江的影響因素進行無量綱化，可以較好的避免因為單位數量級差距帶來的誤差，能適應野外複雜多變的災害情況，計算結果準確，普適性高，能夠為泥石流堵江防治提供科學指導。
實施例2
一種計算粘性泥石流堵江的臨界條件的方法，包括以下步驟：
a、根據式1計算支溝與主河的單寬流量比ε；
其中，q1為主河單寬流量，單位m2/s，qz為主河流量，單位m3/s，根據調查，結合國家相關規範以及設計任務獲得qz，b1為主河與支溝交匯處主河的平均寬度，單位m，實地測量獲得b1；q2為支溝單寬流量，單位m2/s，qn為泥石流流量，單位m3/s，根據調查，結合國家相關規範以及設計任務獲得qn，b2為主河與支溝交匯處支溝的平均寬度，
單位m，實地測量獲得b2；
b、根據式2計算體積因子yt；
其中，yt為體積因子；v為泥石流衝入河道總量，單位m3，根據實際調查結合相關規範計算獲得；b1為主河與支溝交匯處主河的平均寬度，單位m；h為主河與支溝交匯處主河的水深，單位m，實地調查獲得；
c、根據式3計算泥石流屈服應力因子x以及屈服應力；
其中，x為屈服應力因子；ρ為泥石流密度，單位kg/m3；g為重力加速度，取值9.8m/s2；τ1為泥石流屈服應力，單位pa，屈服應力根據實地調查計算獲得；
d、根據式4計算入匯角因子
其中，為入匯角因子；θ為支流與主流的交匯角，單位度，實地調查或通過衛星影像圖獲得；
e、通過式5判斷堵江發生概率，當y＜0.16時，不會發生堵江；當0.16≤y＜0.3時，有可能發生局部堵江；當0.3≤y＜0.46時，有可能發生大部堵江；當y≥0.46時，有可能發生全堵；
所述步驟e中，局部堵江是指流體入河後出露部分的長度與交匯處河寬的比值為30％-69％時。
所述步驟e中，大部堵江是指流體入河後出露部分的長度與交匯處河寬的比值為70％-99％時。
所述步驟e中，全堵是指流體入河後出露部分的長度與交匯處河寬的比值為100％時，且造成斷流兩分鐘以上。
下面採用本發明分別對大渡河支流田灣河及大渡河支流利子依達溝爆發的泥石流進行驗證：
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。2012年7月14日凌晨，草科鄉和平村的田灣河支流唐家溝及小熱水山坡等發生泥石流，簡稱「7·14」泥石流，造成2人死亡、5人失蹤、1戶46人因房屋被泥石流摧毀而無家可歸、當地政府緊急轉移和安置群眾210人的重大地質災害；此外，3座小型水電站、2個養殖場、數十公頃即將收穫的玉米等農作物被毀，公路、橋梁、供水管道和電力設施等損壞嚴重。據和平村村委會統計，僅該村的經濟損失就超過6000萬元。
其間湧出的泥石流堵塞了田灣河，導致形成堰塞湖，極大的威脅了附近群眾的生命財產安全。
根據現場調查，「7·14」泥石流支溝流量1027m3/s，寬25m，主河流量390m3/s，寬53.9m，入匯角90°，衝出量32.5萬方。使用式1，計算得到支主溝單寬流量比為5.67,按照式2計算得到體積因子yt為34.95,式3計算屈服應力因子x＝0.0051，使用式4計算的交匯角因子使用式5算出的判斷因子為1.48。
根據實驗得到的臨界條件，當判斷因子大於等於0.46的時候就有較高可能性發生全堵，因此唐家溝「7·14」泥石流發生嚴重全堵形成堰塞湖也就不足為奇了。
2、1981年7月9日凌晨1時30分許，大渡河支流利子依達溝爆發泥石流，把溝口的17米高、百多米長的利子依達大橋衝毀。1981年成昆鐵路利子依達事故，是1981年7月9日發生在中國成昆鐵路的一起嚴重的旅客列車意外重大事故，造成超過240人死亡或失蹤，也是中國鐵路歷史上旅客傷亡最為慘重的事故。
此次泥石流同時也造成大渡河堵斷,衝毀對岸漢源至烏斯河公路70餘米。
根據文獻(陳俊虎,丁玉壽.成昆線利子依達泥石流.鐵道建築，1982，(12)：14-18.)以及衛星影像圖，此次利子依達溝泥石流支溝流量2656m3/s，寬34米，泥石流屈服應力15000pa，泥石流密度2350kg/m3，主河大渡河流量2500m3/s，寬120米，入匯角135°，衝出量87.75萬方。根據式1，計算得到支主溝單寬流量比為3.75，根據式2計算得到體積因子yt為13.54,根據式3計算屈服應力因子x＝0.0054，根據式4計算的交匯角因子根據式5算出的判斷因子為0.49。
根據實驗得到的臨界條件，當判斷因子大於等於0.46的時候就有較高可能性發生全堵，因此綜合當時情況，利子依達溝泥石流實際情況與本發明的計算結果較為符合。
綜上所述，本發明針對各種情況下粘性泥石流爆發時計算是否發生堵江有較高的準確性。