本發(fā)明屬于泥石流防治技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于震區(qū)泥石流溝道堆積物在一次降雨事件中穩(wěn)定性預(yù)測的飽水狀態(tài)下溝道堆積體破壞角的預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
“5.12”汶川地震以后，強(qiáng)震區(qū)內(nèi)誘發(fā)了大量的地震次生災(zāi)害，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)，而控制泥石流起動機(jī)制的內(nèi)因主要為泥石流物源內(nèi)摩擦角、破壞角以及內(nèi)聚力等，控制泥石流起動機(jī)制的外因主要為物源飽水液化、孔隙水壓、地下滲流以及地表徑流沖蝕等。為了保證汶川震區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，研究震區(qū)泥石流溝道堆積物破壞角對泥石流防治尤為重要。
泥石流溝道堆積物破壞角是泥石流溝道堆積物穩(wěn)定性研究的重要參數(shù)，也是泥石流防治設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一。例如，2013年“7.10”特大暴雨期間，羊店1組后山坡面泥石流3條溝道均發(fā)生泥石流，泥石流物源以碎石、塊石和砂粒堆積為主。2008年“9·26”洪災(zāi)和2010年“8·14”洪災(zāi)期間牛圈溝發(fā)生大規(guī)模泥石流，其中侵蝕的物源量分別為17.15×104m3和14.87×104m3，牛圈溝泥石流松散固體物源中以碎塊石為主。
泥石流溝道堆積物飽水狀態(tài)下的破壞角反映了泥石流的流體堆積物在降雨條件下的穩(wěn)定性，不同的破壞角反映了泥石流堆積物的物理性質(zhì)、堆積物內(nèi)部受力條件、以及與泥石流暴發(fā)的降雨條件等，現(xiàn)行的泥石流堆積物的破壞角主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)。汶川震區(qū)泥石流溝道堆積物主要為松散的巖土體顆粒，黏粒含量極低，堆積體內(nèi)部孔隙度大，使得泥石流溝道堆積體破壞角的經(jīng)驗(yàn)值在震區(qū)不適用，使得泥石流溝道堆積物的穩(wěn)定性評價(jià)和泥石流防治設(shè)計(jì)出現(xiàn)誤差，不能滿足震區(qū)泥石流防治的需要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于：針對上述存在的問題，提供一種飽水狀態(tài)下泥石流溝道堆積物破壞角的預(yù)測方法，解決強(qiáng)震區(qū)泥石流溝道堆積物在飽水狀態(tài)下內(nèi)摩擦角等與堆積物破壞角間的關(guān)系，構(gòu)建基于泥石流溝道堆積物內(nèi)摩擦角、孔隙度的泥石流溝道堆積物破壞角預(yù)測模型，并進(jìn)行實(shí)例運(yùn)用，為泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)和防治提供新方法，適用于泥石流防治實(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：一種飽水狀態(tài)下溝道堆積體破壞角的預(yù)測方法，震區(qū)的泥石流溝包括溝道和在溝道上運(yùn)動的泥石流體，，其特征在于：將震區(qū)泥石流的孔隙度應(yīng)用于泥石流堆積物破壞計(jì)算，震區(qū)泥石流堆積物破壞預(yù)測計(jì)算方法如下：
a.通過獲取震區(qū)泥石流溝的參數(shù)，確定泥石流堆積物堆積厚度h(m)，通過泥石流溝大比例尺測繪得到溝道的溝道坡度α(°)，通過泥石流采樣和測量泥石流堆積物容重γs(kn/m3)，泥石流溝道堆積物的孔隙度ε(％)，泥石流溝道堆積物的內(nèi)摩擦角θ(°)；；
b.通過以下公式確定震區(qū)泥石流的溝道堆積物在飽水狀態(tài)下的破壞角tanα0，
tanα0＝tanθ(γs-γw)(1-ε)/[γs(1-ε)+γwε]
式中，γs為泥石流溝道堆積物容重(kn/m3)，γw為水的容重(kn/m3)，ε為泥石流溝道堆積物的孔隙度(％)，θ為泥石流堆積物的飽和內(nèi)摩擦角(°)，α0為泥石流溝道堆積物飽水狀態(tài)下的破壞角(°)。
本發(fā)明所述的飽水狀態(tài)下溝道堆積體破壞角的預(yù)測方法，其所述步驟b中確定震區(qū)泥石流的溝道堆積物在飽水狀態(tài)下的破壞角的公式適用于震區(qū)泥石流溝的防治工程設(shè)計(jì)，將得到的泥石流堆積物破壞角作為泥石流堆積物穩(wěn)定性研究和防治參數(shù)。
本發(fā)明所述的飽水狀態(tài)下溝道堆積體破壞角的預(yù)測方法，其所述步驟b中確定震區(qū)泥石流的溝道堆積物在飽水狀態(tài)下的破壞角的公式適用于汶川震區(qū)黏粒小于0.05mm含量的泥石流溝道堆積物的破壞角預(yù)測。
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)值的限制，從泥石流溝道堆積物的受力特征入手，通過泥石流溝道堆積物在破壞過程中的靜力極限平衡條件構(gòu)建了堆積物的受力特征，充分考慮了因?yàn)槟嗍鞫逊e物的不同內(nèi)摩擦角和不同孔隙度所形成的不同破壞角，因地制宜的反映了汶川震區(qū)的低粘粒含量泥石流中的內(nèi)摩擦角和孔隙度與泥石流破壞角間的相互關(guān)系，計(jì)算理論完善，計(jì)算結(jié)果符合泥石流現(xiàn)場調(diào)查，能夠?yàn)檎饏^(qū)泥石流溝道堆積物穩(wěn)定性研究和泥石流防治設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，避免因?yàn)樵O(shè)計(jì)值低所導(dǎo)致的泥石流防治工程未能滿足實(shí)際需要，進(jìn)而造成泥石流防治工程失效。
附圖說明
圖1是泥石流溝道堆積物受力分析示意圖。
圖中標(biāo)號如下：△h為飽水堆積物任意厚度，△l為堆積物任意堆積長度，l為堆積物任意侵蝕長度，h為泥石流堆積厚度，α為泥石流溝道坡度，α0為溝道堆積物破壞角度，dp為堆積物所受的動水壓力，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，dτf為堆積物所受抗剪強(qiáng)度。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。
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，對本發(fā)明技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。
一種飽水狀態(tài)下溝道堆積體破壞角的預(yù)測方法，震區(qū)泥石流溝包括溝道和在溝道上的泥石流堆積物，將震區(qū)泥石流的孔隙度應(yīng)用于泥石流堆積物破壞計(jì)算，其主要思路是：首先根據(jù)震區(qū)泥石流固體顆粒在泥石流體中的受力平衡繪制泥石流溝道堆積物在飽水狀態(tài)下的受力示意圖，分析泥石流堆積物破壞時(shí)受力條件；然后根據(jù)理論力學(xué)推導(dǎo)泥石流溝道堆積物破壞時(shí)的破壞角；再通過震區(qū)已發(fā)生泥石流事件的泥石流溝的調(diào)查、采樣、測容重以及泥石流特征參數(shù)的測量等手段確定泥石流溝道堆積物堆積厚度、溝道坡度、泥石流堆積物容重、堆積物孔隙度；將所得參數(shù)帶入震區(qū)泥石流溝道堆積物破壞角計(jì)算模型中，得到泥石流堆積物在降雨條件下破壞時(shí)的破壞角預(yù)測值。
震區(qū)泥石流堆積物破壞預(yù)測計(jì)算方法及步驟如下：
首先，根據(jù)震區(qū)泥石流固體顆粒在泥石流體中的受力平衡繪制泥石流固體顆粒受力示意圖，分析泥石流固體顆粒運(yùn)動過程中的驅(qū)動力條件和阻力條件。假設(shè)震區(qū)泥石流溝道坡度為α，泥石流溝道堆積物厚度為h，任意飽和堆積物厚度為△h，如圖1所示，泥石流溝道堆積物起動時(shí)，堆積物在飽水狀態(tài)受到自身自重應(yīng)力、支持應(yīng)力。降雨條件下從物理性質(zhì)、力學(xué)平衡等方面改變泥石流物源原有的受力特征，泥石流物源內(nèi)部應(yīng)力條件、滲透系數(shù)、孔隙比等將直接作用于堆積體的含水量，其中溝道堆積物的動力(τ0)阻力(σ0)公式表示為：
式中，γs為泥石流溝道堆積物容重(kn/m3)，γw為泥石流溝道堆積物容重(kn/m3)，△h為任意飽水堆積物厚度(m)，h為堆積厚度(m)，θ為泥石流堆積物的飽水內(nèi)摩擦角(°)，震區(qū)內(nèi)取θ介于35°～45°之間，ε為堆積物的孔隙度(％)，α0為泥石流溝道堆積物堆積物飽水狀態(tài)下的破壞角(°)。
然后，溝道堆積物的穩(wěn)定性主要靠抗剪強(qiáng)度τf和剪應(yīng)力τ維持滑坡堆積體溝道堆積物的平衡關(guān)系。泥石流物源在天然自由狀態(tài)下時(shí)處于平衡狀態(tài)，其初始內(nèi)應(yīng)力τ0大于其極限剪切狀態(tài)下的剪應(yīng)力τf，即τ0＞τf。由于泥石流物源黏粒含量低，即其內(nèi)聚力c≈0，泥石流溝道堆積物的抗剪強(qiáng)度公式表示為：
τf＝[g△h(γs-hγw)(1-ε)tanθcosα0]tanθ…………………………(2)
式中，γs為泥石流溝道堆積物容重(kn/m3)，γw為泥石流溝道堆積物容重(kn/m3)，△h為飽和堆積物任意厚度(m)，h為堆積厚度(m)，θ為飽和堆積物的摩擦角(°)，震區(qū)內(nèi)取θ介于35°～45°之間，ε為堆積物的孔隙度(％)，震區(qū)內(nèi)取ε介于0.3～0.6之間，α0為泥石流溝道堆積物堆積物飽水狀態(tài)下的破壞角(°)。
當(dāng)τ0＝δ0和γwhsinα0＝0時(shí)，堆積物便進(jìn)入臨界破壞狀態(tài)時(shí)的臨界破壞角公式表示為：
tanα0＝tanθ(γs-γw)(1-ε)/[γs(1-ε)+γwε]……………………………………(3)
式中，γs為泥石流溝道堆積物容重(kn/m3)，γw為水的容重(kn/m3)，ε為泥石流溝道堆積物的孔隙度(％)，θ為泥石流堆積物的飽和內(nèi)摩擦角(°)，α0為泥石流溝道堆積物飽水狀態(tài)下的破壞角(°)。
其中，所述步驟b中確定震區(qū)泥石流的溝道堆積物在飽水狀態(tài)下的破壞角的公式適用于震區(qū)泥石流溝道物源的穩(wěn)定行評價(jià)和泥石流的防治工程設(shè)計(jì)，將得到的泥石流堆積物破壞角作為泥石流堆積物穩(wěn)定性研究和防治參數(shù)。
其中，所述步驟b中確定震區(qū)泥石流的溝道堆積物在飽水狀態(tài)下的破壞角的公式適用于汶川震區(qū)黏粒小于0.05mm含量的泥石流溝道堆積物的破壞角預(yù)測。
以下為本發(fā)明的具體實(shí)施例：
牛圈溝位于映秀鎮(zhèn)南側(cè)，岷江右岸，往上游至映秀新鎮(zhèn)約1km。牛圈溝流域形態(tài)為扇形，流域縱向長度5.4km，平均寬度2.0km，流域面積10.7km2。流域最高點(diǎn)位于勘查區(qū)西側(cè)，高程約2700m，最低點(diǎn)位于牛圈溝匯入岷江河口，高程858.3m，相對高差約1842m。溝道總體上以深切割“v”型谷為主，主溝縱長6124m，相對高差1629m，主溝平均縱坡降266‰。
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，提前獲得泥石流暴發(fā)時(shí)容重，根據(jù)泥石流物源級配特征進(jìn)行有效預(yù)測，具體計(jì)算方法及步驟如下：
a.根據(jù)牛圈溝溝口位置的野外調(diào)查、采樣和泥石流參數(shù)測試，確定了牛圈溝的溝道堆積物容重γs為27kn/m3，水的容重γw為10kn/m3，震區(qū)內(nèi)取θ介于35°～45°之間，ε為堆積物的孔隙度，震區(qū)內(nèi)取ε介于0.3～0.6之間。
b.將a步驟確定的各參數(shù)代入下公式，
tanα0＝tanθ(γs-γw)(1-ε)/[γs(1-ε)+γwε]
c.通過公式計(jì)算獲取牛圈溝泥石流溝道堆積物的破壞角為21°～23°，則牛圈溝泥石流溝道堆積物在降雨飽水狀態(tài)下的破壞角為21°～23°。
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)。