本發(fā)明涉及一種流體作用、位移、變形和泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)研究方法，其屬于流體力學(xué)基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用技術(shù)和流體災(zāi)害預(yù)測(cè)科學(xué)研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)產(chǎn)期以來(lái)，受具有很強(qiáng)片面性的西方力學(xué)思想方法束縛，人們對(duì)流體產(chǎn)生作用的機(jī)理一直不是很清楚。力學(xué)引導(dǎo)人們解決問(wèn)題的方法是套用定律，淡化了人們?nèi)嬗^察認(rèn)識(shí)客觀規(guī)律的研究方法，使人們長(zhǎng)期不能從實(shí)際出發(fā)、客觀分析流體對(duì)客體產(chǎn)生的作用，所以，關(guān)于流體究竟是怎樣對(duì)客體產(chǎn)生作用的規(guī)律一直沒(méi)有一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)。

泥石流災(zāi)害是大氣降水產(chǎn)生的一種自然災(zāi)害。大氣降水活動(dòng)涉及流體作用問(wèn)題。由于人們一直不清楚流體作用的整體規(guī)律，所以，泥石流災(zāi)害的預(yù)測(cè)與防治問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好解決。

泥石流災(zāi)害發(fā)生的動(dòng)力來(lái)源是大氣降水，泥石流災(zāi)害發(fā)生的條件是坡谷地形特征和坡谷地表巖土層的性質(zhì)條件。由于傳統(tǒng)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)理論建立在科學(xué)性不足的力學(xué)理論體系基礎(chǔ)上，力學(xué)理論體系不能給出描述自然作用與變化之間關(guān)系規(guī)律的正確公式，從而導(dǎo)致人們一直不能建立完善的、正確的泥石流預(yù)測(cè)理論與方法，因此，迄今為止，世界上的泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)結(jié)果始終不很令人滿意，許多泥石流災(zāi)害不能得到及時(shí)預(yù)測(cè)與防范。

泥石流具有暴發(fā)突然、來(lái)勢(shì)兇猛、迅速的特點(diǎn)，常兼有崩塌、滑坡和洪水破壞的多重作用，其危害程度比單一的崩塌、滑坡和洪水的危害更為嚴(yán)重。泥石流的危害之一是沖進(jìn)鄉(xiāng)村、城鎮(zhèn)，摧毀房屋、工廠、企事業(yè)單位及其他場(chǎng)所與設(shè)施。泥石流能夠淹沒(méi)人畜、毀壞土地，甚至造成村毀人亡的災(zāi)難。例如，1969年8月云南省大盈江流城弄璋區(qū)南拱泥石流，摧毀兩個(gè)村莊，使97人喪生，經(jīng)濟(jì)損失近百萬(wàn)元。2010年8月7日至8日，甘肅省舟曲爆發(fā)特大泥石流，造成1270人遇難474人失蹤，舟曲5公里長(zhǎng)、500米寬區(qū)域被夷為平地。泥石流的危害之二是直接埋沒(méi)車站，鐵路、公路，摧毀路基、橋涵等設(shè)施，致使交通中斷，還可沖擊淹沒(méi)正在運(yùn)行的火車、汽車，造成重大的人身傷亡事故。有時(shí)泥石流匯入河道，引起河道大幅度變遷，間接毀壞公路、鐵路及其它構(gòu)筑物，甚至迫使道路改線，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如甘川公路394公里處對(duì)岸的石門溝，1978年7月暴發(fā)泥石流，堵塞白龍江，公路因此被淹1公里，白龍江改道使長(zhǎng)約兩公里的路基變成了主河道，公路、護(hù)岸及渡槽全部被毀。該段線路自1962年以來(lái)，由于受對(duì)岸泥石流的影響己3次被迫改線。建國(guó)以來(lái)，泥石流給我國(guó)鐵路和公路造成了無(wú)法估計(jì)的巨大損失。泥石流的危害之三是沖毀水電站、引水渠道及過(guò)溝建筑物，淤埋水電站尾水渠，并淤積水庫(kù)、磨蝕壩面等。泥石流的危害之四是摧毀礦山及其設(shè)施，淤埋礦山坑道、傷害礦山人員、造成停工停產(chǎn)，甚至使礦山報(bào)廢。

世界上的泥石流研究最早始于19世紀(jì)中葉。20世紀(jì)30年代以前,泥石流研究以線路調(diào)查及宏觀工程防治為主；1930～1970年，人們是認(rèn)識(shí)泥石流區(qū)域分布規(guī)律、實(shí)地設(shè)立觀測(cè)站，進(jìn)行觀測(cè)資料累積階段；1970～1990年，人們以泥石流模型試驗(yàn)和人工泥石流試驗(yàn)為研究方法的泥石流動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制研究；20世紀(jì)90年代以來(lái)，是全面開(kāi)展泥石流系統(tǒng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，綜合治理的全新時(shí)期，以多學(xué)科、多方位、多手段的觀測(cè)及模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。

泥石流的形成是泥石流研究的核心問(wèn)題，也是泥石流災(zāi)害防治的理論基礎(chǔ)。科學(xué)合理的泥石流防治方案和減災(zāi)技術(shù)是建立在正確了解泥石流形成規(guī)律的基礎(chǔ)上。當(dāng)代泥石流研究方法上的缺陷關(guān)鍵在于基礎(chǔ)理論和基本的定量方法存在嚴(yán)重缺陷，即定量方法與理論公式不正確。當(dāng)前人們已經(jīng)能夠使用非常先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，如傳感器實(shí)用技術(shù)，但是，檢測(cè)技術(shù)無(wú)論有多么先進(jìn)，觀測(cè)到強(qiáng)災(zāi)害泥石流之時(shí)已經(jīng)是其災(zāi)害發(fā)生之時(shí)，為時(shí)已晚，已經(jīng)來(lái)不急采取防范措施了。有效的泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)必須是災(zāi)害發(fā)生之前數(shù)日、最好是提前數(shù)十日給出災(zāi)害強(qiáng)度預(yù)報(bào)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)泥石流從發(fā)生到結(jié)束的不同階段和過(guò)程的機(jī)理了解還不夠，所以對(duì)泥石流的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、預(yù)報(bào)、治理和危險(xiǎn)區(qū)劃不是很有效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外泥石流預(yù)測(cè)理論方法缺乏科學(xué)性的不足，提供一種利用流體作用、位移和變形進(jìn)行的泥石流預(yù)測(cè)研究方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：

泥石流預(yù)測(cè)研究方法，其特征在于，包括如下步驟：

⑴流體產(chǎn)生的作用及其與位移和變形之間的關(guān)系

①流體對(duì)作用面產(chǎn)生的作用和作用面的位移，當(dāng)流體僅僅對(duì)一個(gè)固定的受作用面進(jìn)行作用時(shí)，流體對(duì)受作用面產(chǎn)生的作用力是

式中，f表示流體對(duì)受作用面產(chǎn)生的作用力，q表示流體在作用前一定距離遠(yuǎn)處的流量，ρ表示流體的密度，s表示流體的橫斷面面積，g表示重力加速度，t表示作用前流體的加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間，δt表示流體對(duì)受作用面s產(chǎn)生作用的時(shí)間，α表示流體運(yùn)行路線的傾角；

受作用面運(yùn)行環(huán)境的性質(zhì)分別由兩個(gè)參數(shù)表述，虛度即可動(dòng)性質(zhì)參數(shù)和實(shí)度即不可動(dòng)參數(shù)，分別記為e和t，則

作用面的位移量為

作用面的位移損失量為

②流體對(duì)受作用物體的作用和受作用物體的位移與變形。驅(qū)使物體運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力的總和為

式中，f表示流體對(duì)受作用體產(chǎn)生的作用力，q表示流體的流量，ρ表示流體的密度，s表示流體的橫斷面面積，g表示重力加速度，α表示流體運(yùn)行路線的傾角，t表示流體對(duì)物體作用的時(shí)間，l表示受作用體的長(zhǎng)度，m表示物體的質(zhì)量，a表示物體在流體作用下的運(yùn)動(dòng)加速度；

物體在流體和重力作用下產(chǎn)生的位移量是

式中，e表示代表可動(dòng)程度或暢通程度的物體運(yùn)行環(huán)境的性質(zhì)參數(shù)，v0表示物體的初速度，a表示物體的加速度，t表示物體在流體作用下的運(yùn)動(dòng)時(shí)間；

③流體產(chǎn)生的沖刷作用與沖刷變形

河流對(duì)長(zhǎng)度為x的河道產(chǎn)生的沖刷作用力是

式中，f表示流體對(duì)單位河床受作用面產(chǎn)生的作用力，q表示流體的流量，ρ表示流體的密度,s表示流體的橫斷面面積，g表示重力加速度，t表示對(duì)單位河床受作用面產(chǎn)生作用的時(shí)間，α表示流體運(yùn)行路線的傾角；

流體對(duì)長(zhǎng)度為x的河道產(chǎn)生的沖刷變形量為

式中，a表示x段河道受沖刷的面積，e表示河流沖刷下河道的可變形性質(zhì)，ρ表示河床中流體的密度，t表示河床受沖刷的時(shí)間；

⑵大氣降雨對(duì)山坡產(chǎn)生的作用

由坡流折向的動(dòng)力學(xué)方程為

式中，ρ表示水的密度，h表示峰谷地形高度差，q表示降雨量，x和y分別表示坡流點(diǎn)p的平面位置坐標(biāo)，g表示重力加速度，θ表示重力與坡流方向線之間的夾角，s表示坡流斷面面積，w表示單位面中雨滴占有率的雨滴分布密度，α表示山谷傾向線與重力方向線之間的夾角，γ表示坡流方向線與谷流方向線之間的夾角；

可知，來(lái)自兩側(cè)山坡的坡流折向匯聚成谷流，谷流對(duì)溝谷單位面的沖刷力為

式中，f1表示來(lái)自左坡坡流產(chǎn)生的作用力，f2表示來(lái)右坡坡流產(chǎn)生的作用力，l表示山溝里端與坡流折向點(diǎn)之間的距離，k1和k2分別表示兩側(cè)坡流作用力的折向系數(shù)；

⑶泥石流動(dòng)量的定量計(jì)算

假設(shè)任意坡點(diǎn)p處單位面積的泥石流生成率為e，通過(guò)研究得知，山坡上任意單位受作用面上的坡面物質(zhì)在驅(qū)動(dòng)作用力

的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的泥石流動(dòng)量為

所以，水平面積為s的整個(gè)匯水區(qū)域生成泥石流的總動(dòng)量為

⑷泥石流災(zāi)害的預(yù)測(cè)研究

①降雨預(yù)測(cè)

大氣降水是泥石流生成的驅(qū)動(dòng)因素，是泥石流生成的先決條件，因此，要提前預(yù)測(cè)泥石流的發(fā)生，首先必須提前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)降雨量和雨點(diǎn)密度w、云層高度等指標(biāo)；大氣降水狀況規(guī)定了泥石流災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間，降雨量的規(guī)模也是控制泥石流災(zāi)情大小的主導(dǎo)因素；

②地形研究

地形測(cè)量和匯水系統(tǒng)、匯水面積確定是泥石流預(yù)測(cè)研究中的重要任務(wù)，通過(guò)地形測(cè)量，可以確定泥石流災(zāi)害有可能發(fā)生的地形和匯水條件，并且能夠初步確定哪些地區(qū)有可能發(fā)生泥石流災(zāi)害、哪些地區(qū)不可能發(fā)生泥石流災(zāi)害，還能確定定量預(yù)測(cè)泥石流所需要的地形指標(biāo)；

③坡谷物性研究

坡谷物性研究的主要任務(wù)是確定山坡和溝谷的物質(zhì)組成和存在狀態(tài)，確定在以不同水流量下的泥石流生成率e值和與滲透性有關(guān)的坡流率k值，這項(xiàng)任務(wù)可通過(guò)實(shí)地測(cè)試研究來(lái)完成；

④泥石流災(zāi)害點(diǎn)確定

受災(zāi)點(diǎn)是指位于泥石流運(yùn)行路線上的居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)、房屋、工廠、企事業(yè)單位、其他經(jīng)濟(jì)設(shè)施、車站，鐵路、公路、路基、橋梁、水電站、引水渠道及過(guò)溝建筑物、水庫(kù)、礦山等等與生命財(cái)產(chǎn)息息相關(guān)的地點(diǎn)，只要這些地點(diǎn)存在于泥石流生成和運(yùn)行的區(qū)域之中，就會(huì)遭受泥石流的沖擊破壞，確定受災(zāi)點(diǎn)是預(yù)測(cè)泥石流災(zāi)情的重要指標(biāo)，受災(zāi)點(diǎn)可通過(guò)區(qū)域勘查研究確定；

⑤泥石流的預(yù)測(cè)

根據(jù)天氣預(yù)測(cè)泥石流災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間，通過(guò)地形勘察和溝谷物性調(diào)查確定石流發(fā)生的地點(diǎn)；但要準(zhǔn)確確定需要在實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過(guò)定量計(jì)算來(lái)最終確定，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)、通過(guò)實(shí)地調(diào)查和科學(xué)計(jì)算，可以準(zhǔn)確確定泥石流災(zāi)害的強(qiáng)度和其發(fā)生的時(shí)間與地點(diǎn)，泥石流災(zāi)害的強(qiáng)度劃分和災(zāi)情大小的預(yù)測(cè)可根據(jù)公式計(jì)算得到的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步，流體沖擊下受作用面的位移與受作用面運(yùn)行環(huán)境的性質(zhì)有關(guān)，受作用面運(yùn)行環(huán)境的性質(zhì)分別由兩個(gè)參數(shù)表述；虛度即可動(dòng)性質(zhì)參數(shù)和實(shí)度即不可動(dòng)參數(shù)，分別記為e和t，作用面的位移量為

作用面的位移損失量為

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：基于作用學(xué)，確定了研究流體作用、降雨作用、泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)方面的新理論與新方法，為基礎(chǔ)理論的發(fā)展與完善奠定了基礎(chǔ)，為流體力學(xué)、泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)學(xué)的發(fā)展與完善奠定了基礎(chǔ)，為泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治創(chuàng)造了更有效的理論方法。

附圖說(shuō)明

圖1為流體對(duì)作用面產(chǎn)生的作用力分析圖；

圖2為流體對(duì)受作用體產(chǎn)生的作用力分析圖；

圖3為流體產(chǎn)生的沖刷作用力分析圖；

圖4為谷坡地形等高線圖；

圖5為坡流和谷流說(shuō)明圖；

圖6為任意點(diǎn)p坡流量分析圖；

圖7-1為匯聚型坡流示意圖；

圖7-2為擴(kuò)散型坡流示意圖；

圖8為坡流與谷流運(yùn)動(dòng)分析示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

1、流體產(chǎn)生的作用及其與位移和變形之間的關(guān)系

a、流體對(duì)作用面產(chǎn)生的作用和作用面的位移

當(dāng)流體僅僅對(duì)一個(gè)固定的受作用面進(jìn)行作用時(shí)，流體對(duì)受作用面產(chǎn)生的作用力是

式中，f表示流體對(duì)受作用面產(chǎn)生的作用力；q表示流體在作用前一定距離遠(yuǎn)處的流量；ρ表示流體的密度；s表示流體的橫斷面面積；g表示重力加速度；t表示作用前流體的加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間；δt表示流體對(duì)受作用面s產(chǎn)生作用的時(shí)間；α表示流體運(yùn)行路線的傾角。如果流體在作用前沒(méi)有加速運(yùn)動(dòng)，或者流量q表示流體在作用發(fā)生時(shí)的流量，那么，流體對(duì)作用面s產(chǎn)生的推動(dòng)作用力是

式中，t表示流體對(duì)作用面產(chǎn)生作用的時(shí)間；

流體沖擊下受作用面的位移與受作用面運(yùn)行環(huán)境的性質(zhì)有關(guān)。受作用面運(yùn)行環(huán)境的性質(zhì)分別由兩個(gè)參數(shù)表述：虛度即可動(dòng)性質(zhì)參數(shù)和實(shí)度即不可動(dòng)參數(shù)，分別記為e和t，作用面的位移量為

作用面的位移損失量為

例如，瀑布產(chǎn)生的作用是對(duì)瀑布下巖層受作用面構(gòu)成連續(xù)的沖擊作用，其作用面是固定的，其沖擊作用力是

式中，h表示瀑布落差高度；q表示瀑布下落前的流量。瀑布沖擊地層使地層產(chǎn)生的變形量為

式中，e表示受作用面的可變形程度。

b、流體對(duì)受作用物體的作用和受作用物體的位移與變形

如圖2所示，在流體中存在的物體，其橫斷面面積為s＝ab,其長(zhǎng)度為l,其體積為v＝abl,它接受流量為q的流體的沖擊搬運(yùn)作用。很顯然，它接受流體的作用力并不是局限于一個(gè)受作用面上，是整體接受流體作用。那么，它在任一瞬間接受流體的沖擊推動(dòng)作用力是多少？據(jù)研究得知，它在任意時(shí)刻接受流體作用的作用力是

式中，f表示流體對(duì)受作用體產(chǎn)生的作用力；q表示流體的流量；ρ表示流體的密度；s表示流體的橫斷面面積；g表示重力加速度；α表示流體運(yùn)行路線的傾角；t表示流體對(duì)物體作用的時(shí)間；l表示受作用體的長(zhǎng)度?？梢?jiàn)，流體對(duì)物體產(chǎn)生的推動(dòng)力是很大的。

物體除了受流體驅(qū)動(dòng)作用以外，它還接受重力和浮力作用。假設(shè)物體的質(zhì)量是m，那么，它接受的重力是g＝mg，而它在流體運(yùn)動(dòng)方向上的重力分量是g1＝mgsinα；物體接受的浮力為n＝ρa(bǔ)blg，它在流體運(yùn)動(dòng)方向上的浮力為f＝-ρa(bǔ)blgsinα。式中，ρ表示流體的密度。驅(qū)使物體運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力的總和為

式中，a表示物體在流體作用下的運(yùn)動(dòng)加速度。物體在流體和重力作用下產(chǎn)生的位移量是

式中，e表示物體運(yùn)行環(huán)境的性質(zhì)參數(shù)，代表可動(dòng)程度或暢通程度；v0表示物體的初速度；a表示物體的加速度；t表示物體在流體作用下的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

物體在流體作用下的變形量除了受流體和重力作用控制以外，主要決定于它自身的可變形性質(zhì)。設(shè)其可變程度為e′，那么，它的線性變形方程為

可見(jiàn)，變形與位移在本質(zhì)上具有共性。

c、流體產(chǎn)生的沖刷作用與沖刷變形

運(yùn)動(dòng)的流體所經(jīng)之處必然留下沖刷痕跡。要掌握沖刷變形規(guī)律，首先需要掌握沖刷作用規(guī)律。如圖3所示，河流對(duì)河床的沖刷往往是無(wú)休止的作用。如果河流流量是q，那么，河流對(duì)單位河床面積產(chǎn)生的沖刷作用力是

式中，f表示流體對(duì)單位河床受作用面產(chǎn)生的作用力；q表示流體的流量；ρ表示流體的密度；s表示流體的橫斷面面積；g表示重力加速度；t表示對(duì)單位河床受作用面產(chǎn)生作用的時(shí)間；α表示流體運(yùn)行路線的傾角。河流對(duì)長(zhǎng)度為x的河道產(chǎn)生的沖刷作用力是

長(zhǎng)度為x的河道產(chǎn)生的沖刷變形量為

式中，a表示x段河道的受沖刷的面積；e″表示河流沖刷下河道的可變形性質(zhì)；ρ表示河床中流體的密度；t表示河床受沖刷的時(shí)間。

當(dāng)流體受阻滯流時(shí)，其流量q＝0，它對(duì)物體產(chǎn)生的推動(dòng)力和對(duì)河床產(chǎn)生的沖刷作用力均為零，即f＝0，所以，受沖擊被搬運(yùn)物體停滯運(yùn)行，位移也等于零，河床接受沉積，不再被沖刷。

2、大氣降雨對(duì)山坡產(chǎn)生的作用

大氣降雨對(duì)山坡的作用現(xiàn)象僅發(fā)生在降雨時(shí)段，時(shí)間性很強(qiáng)。降雨對(duì)山坡的沖刷作用具有特殊的規(guī)律。水往低處流是人人皆知的自然規(guī)律，但從坡頂?shù)狡碌子山涤戤a(chǎn)生的坡流流量逐漸增大、降雨對(duì)山坡產(chǎn)生的作用強(qiáng)度從坡頂?shù)狡碌字饾u增大的規(guī)律并不被人們所注意。

地形是規(guī)定降雨坡流規(guī)律和山體被沖刷規(guī)律的關(guān)鍵。如圖4所示，降雨坡流從山頂向溝谷匯集成谷流，從山頂?shù)缴降?，坡流逐漸增大；兩側(cè)山坡匯集到溝谷的谷流量倍增。這就是為什么隨歲月延續(xù)、山峰越來(lái)越尖、山坡越來(lái)越陡、山谷越來(lái)越深的原因。這種規(guī)律可采用定量方法來(lái)說(shuō)明。

如圖5所示，假設(shè)單位時(shí)間、單位水平面的降雨量都是q，那么，任意山坡單位水平面包含的坡面接受的降雨量都是q，但不同位置山坡點(diǎn)所接受的降雨沖刷作用卻不同。山頂最高峰點(diǎn)接受的降雨作用僅由降雨量q產(chǎn)生，其作用力是

式中，f表示降雨對(duì)單位受作用面產(chǎn)生的作用力；q表示單位水平面接受的降雨量；ρ表示水的密度；s表示單位水平面面積；g表示重力加速度；t表示作用前雨滴的加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間；δt表示q對(duì)山峰單位面產(chǎn)生作用的時(shí)間；w表示雨滴在單位水平面中的占有率。山峰上單位峰面接受降雨的作用總是由降雨量確定，不接受增大的坡流作用。但處于山坡上的單位面積除了直接接受降雨量q的作用以外，還接受來(lái)自高處的坡流沖刷作用。一般來(lái)說(shuō)，從坡頂?shù)狡碌祝铝髁坎粩嘣龃?，從圖5和圖6可以看出。

在降雨的初始時(shí)刻，山體表面各點(diǎn)接受的都只是降雨量q的作用；當(dāng)降雨進(jìn)入第二時(shí)刻時(shí)，除了坡頂仍然只接受q的作用之外，其它各點(diǎn)除了接受q的作用外，還接受上游的坡流量q的作用；第三時(shí)刻時(shí)，山峰點(diǎn)只接受q的作用，從山峰到谷底的第二個(gè)點(diǎn)接受的作用由降雨量q和坡流量q共同產(chǎn)生，第三個(gè)點(diǎn)及其以下各點(diǎn)接受了一個(gè)降雨量q和兩個(gè)坡流量2q的作用；在第四時(shí)刻，從坡上到坡下各點(diǎn)接受的作用量分別由q、2q、3q、4q、4q、…、4q產(chǎn)生；假設(shè)從峰頂?shù)焦鹊子衝個(gè)點(diǎn)，n＝r1，r1表示從峰頂?shù)焦鹊灼铝鞯淖畲筮\(yùn)行距離，那么，進(jìn)入第n時(shí)刻時(shí)，從峰頂?shù)焦鹊赘鼽c(diǎn)接受降雨坡流量的作用量分別由q、2q、3q、4q、5q、…、nq產(chǎn)生；從n時(shí)刻開(kāi)始，從峰頂?shù)焦鹊祝鼽c(diǎn)接受上述作用規(guī)律不再發(fā)生變化。由降雨產(chǎn)生的坡流在縱向上變化的基本規(guī)律可用圖6來(lái)說(shuō)明，詳見(jiàn)圖6，其數(shù)學(xué)關(guān)系式為。

式中，q表示任意點(diǎn)p處的坡流量；q表示單位水平面在單位時(shí)間產(chǎn)生的降雨量；x表示坡流點(diǎn)的水平方向坐標(biāo)數(shù)據(jù)；y表示垂直坐標(biāo)數(shù)據(jù)；k表示坡流率，它與坡度有關(guān)，與坡面滲透性質(zhì)或滯流性質(zhì)有關(guān)。

在水平方向上，坡流可以向一點(diǎn)匯聚，也可以呈散射狀向前方擴(kuò)散。匯聚和擴(kuò)散都改變坡流的大小，如圖7所示。據(jù)研究得知，在縱向坡流增大基礎(chǔ)上，在橫向水平面上因匯聚進(jìn)一步改變坡流量的大小，其改變式為

式中，h表示峰谷地形高度差；x和y分別表示坡流點(diǎn)p的位置坐標(biāo)；l1表示山脊匯聚源附近的弧長(zhǎng)；l2表示山坡匯聚區(qū)的弧長(zhǎng)；r1表示山脊匯聚源與匯聚中心之間的距離，為常數(shù)，即r2表示坡流點(diǎn)與匯聚中心之間的距離，因此，

從山峰到溝谷各坡點(diǎn)接受的沖刷作用力由

變?yōu)?/p>

式中，g表示重力加速度；θ表示重力與坡流方向線之間的夾角；s表示坡流斷面面積；w表示單位面中雨滴的占有率，叫雨滴分布密度；如圖8所示。

坡流流到坡底，沿著溝谷方向折流匯聚成谷流，其折向動(dòng)力為折向阻力f和重力。因此，坡流折向的動(dòng)力學(xué)方程為

式中，α表示山谷傾向線與重力方向線之間的夾角；γ表示坡流方向線與谷流方向線之間的夾角。

來(lái)自兩側(cè)山坡的坡流折向匯聚成谷流，谷流對(duì)溝谷單位面的沖刷力為

式中，f1表示來(lái)自左坡坡流產(chǎn)生的作用力；f2表示來(lái)右坡坡流產(chǎn)生的作用力；l表示山溝里端與坡流折向點(diǎn)之間的距離；k1和k2分別表示兩側(cè)坡流作用力的折向系數(shù)。

3、泥石流動(dòng)量的定量計(jì)算

泥石流生成的動(dòng)力因素是大氣降水，其制約因素是山坡的物質(zhì)性質(zhì)。假設(shè)任意坡點(diǎn)p處單位面積的泥石流生成率為e，通過(guò)研究得知，山坡上任意單位受作用面上的坡面物質(zhì)在驅(qū)動(dòng)作用力

的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的泥石流動(dòng)量為

所以，水平面積為s的整個(gè)匯水區(qū)域生成泥石流的總動(dòng)量為

泥石流作為流體，在運(yùn)動(dòng)中不僅具有沿路沖刷坡谷的強(qiáng)大作用力，而且具有浮力和強(qiáng)大的推動(dòng)力，若其流量或動(dòng)量很大，它能夠?qū)⑺龅降木奘?、土坡、坡積體等瞬間帶走。因此，它經(jīng)常構(gòu)成危及人類生命財(cái)產(chǎn)安全的災(zāi)害。

4、泥石流災(zāi)害的預(yù)測(cè)研究

根據(jù)以上關(guān)于流體和降雨作用規(guī)律的討論，可歸納泥石流預(yù)測(cè)研究工作的基本內(nèi)容和任務(wù)如下：

a、降雨預(yù)測(cè)

大氣降水是泥石流生成的驅(qū)動(dòng)因素，是泥石流生成的先決條件。因此，要提前預(yù)測(cè)泥石流的發(fā)生，首先必須提前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)降雨量和雨點(diǎn)密度w、云層高度等指標(biāo)。若沒(méi)有降雨或降雨量較小，就不會(huì)發(fā)生泥石流災(zāi)害。當(dāng)降雨量較大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，就有可能發(fā)生泥石流災(zāi)害。降雨量越大、降雨時(shí)間持續(xù)越長(zhǎng)，泥石流災(zāi)害就越大。目前，天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)大氣降水情況了，這為泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。大氣降水狀況規(guī)定了泥石流災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間，降雨量的規(guī)模也是控制泥石流災(zāi)情大小的主導(dǎo)因素。

b、地形研究

地形測(cè)量和匯水系統(tǒng)、匯水面積確定是泥石流預(yù)測(cè)研究中的重要任務(wù)。通過(guò)地形測(cè)量，可以確定泥石流災(zāi)害有可能發(fā)生的地形和匯水條件，并且能夠初步確定哪些地區(qū)有可能發(fā)生泥石流災(zāi)害、哪些地區(qū)不可能發(fā)生泥石流災(zāi)害，還能確定定量預(yù)測(cè)泥石流所需要的地形指標(biāo)。

根據(jù)泥石流定量研究公式，預(yù)測(cè)泥石流災(zāi)害所需要的地形指標(biāo)包括坡高h(yuǎn)、坡距即坡向水平距離b、坡流重力分量角θ、谷流重力分量角α、坡流與谷流關(guān)系角γ等。

c、坡谷物性研究

坡谷物性研究的主要任務(wù)是確定山坡和溝谷的物質(zhì)組成和存在狀態(tài)，確定在以不同水流量下的泥石流生成率e值和與滲透性有關(guān)的坡流率k值。這項(xiàng)任務(wù)可通過(guò)實(shí)地測(cè)試研究來(lái)完成。

d、泥石流災(zāi)害點(diǎn)確定

受災(zāi)點(diǎn)是指位于泥石流運(yùn)行路線上的居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)、房屋、工廠、企事業(yè)單位、其他經(jīng)濟(jì)設(shè)施、車站，鐵路、公路、路基、橋梁、水電站、引水渠道及過(guò)溝建筑物、水庫(kù)、礦山等等與生命財(cái)產(chǎn)息息相關(guān)的地點(diǎn)。只要這些地點(diǎn)存在于泥石流生成和運(yùn)行的區(qū)域之中，就會(huì)遭受泥石流的沖擊破壞。確定受災(zāi)點(diǎn)是預(yù)測(cè)泥石流災(zāi)情的重要指標(biāo)。受災(zāi)點(diǎn)可通過(guò)區(qū)域勘查研究確定。

f、泥石流的預(yù)測(cè)

泥石流災(zāi)害發(fā)生時(shí)間的預(yù)測(cè)，可根據(jù)天氣預(yù)測(cè)大致確定；泥石流發(fā)生的地點(diǎn)也可通過(guò)地形勘察和溝谷物性調(diào)查大致確定；但要準(zhǔn)確確定需要在實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過(guò)定量計(jì)算來(lái)最終確定。結(jié)合天氣預(yù)報(bào)、通過(guò)實(shí)地調(diào)查和科學(xué)計(jì)算，可以準(zhǔn)確確定泥石流災(zāi)害的強(qiáng)度和其發(fā)生的時(shí)間與地點(diǎn)。

泥石流災(zāi)害的強(qiáng)度劃分和災(zāi)情大小的預(yù)測(cè)可根據(jù)公式計(jì)算得到的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行。

本發(fā)明的有益效果是：基于作用學(xué)，確定了研究流體作用、降雨作用、泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)方面的新理論與新方法，為基礎(chǔ)理論的發(fā)展與完善奠定了基礎(chǔ)，為流體力學(xué)、泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)學(xué)的發(fā)展與完善奠定了基礎(chǔ)，為泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治創(chuàng)造了更有效的理論方法。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，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、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。