一種泥石流的平衡坡度測算方法及其應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種泥石流的平衡坡度測算方法及其應(yīng)用，屬于泥石流防治工程技術(shù)領(lǐng)域，包括以下步驟：通過現(xiàn)場調(diào)查測量屈服應(yīng)力τ，單位pa；通過野外容重實驗，確定泥石流容重p，單位kg/m3，通過現(xiàn)場調(diào)查測量泥石流流深h，單位m；將步驟a中的屈服應(yīng)力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式中，確定無量綱化的屈服應(yīng)力τ*；將步驟b中得到的無量綱化的屈服應(yīng)力τ*代入式S＝3.0887τ*1.3724中，確定無量綱化的坡度S；最后將步驟c中得到的無量綱化的坡度S代入式S＝tana中，得到平衡坡度a。本發(fā)明通過無量綱化將尺寸效應(yīng)消除，有利于推演到實際發(fā)生的泥石流中，為泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計提供理論依據(jù)，提高防災(zāi)適用性。
【專利說明】
一種泥石流的平衡坡度測算方法及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及到泥石流防治工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種泥石流的平衡坡度測算方 法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 泥石流是暴雨、洪水將含有沙石且松軟的土質(zhì)山體經(jīng)飽和稀釋后形成的洪流，它 的面積、體積和流量都較大，而滑坡是經(jīng)稀釋土質(zhì)山體小面積的區(qū)域，典型的泥石流由懸浮 著粗大固體碎肩物并富含粉砂及粘土的粘稠泥漿組成。在適當?shù)牡匦螚l件下，大量的水體 浸透流水山坡或溝床中的固體堆積物質(zhì)，使其穩(wěn)定性降低，飽含水分的固體堆積物質(zhì)在自 身重力作用下發(fā)生運動，就形成了泥石流。泥石流是一種災(zāi)害性的地質(zhì)現(xiàn)象。通常泥石流爆 發(fā)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。
[0003] 泥石流的平衡坡度是指泥石流在運動過程中，其表面流速在各個流動階段達到一 個定值，運動過程中所對應(yīng)的溝床坡度即為平衡坡度。泥石流按照其運動狀態(tài)分為稀性泥 石流、過渡性泥石流和粘性泥石流。其中，粘性泥石流，是指含大量粘性土的泥石流或泥流。 其特點是粘性大，固體物質(zhì)占 40-60%，最尚達80%，其中的水不是搬運介質(zhì)，而是組成物 質(zhì)，稠度大，石塊呈懸浮狀態(tài)，暴發(fā)突然，持續(xù)時間亦短，破壞力大;而稀性泥石流，以水為主 要成分，粘性土含量少，固體物質(zhì)占 10-40 %，有很大分散性，水為搬運介質(zhì)，石塊以滾動或 躍移方式前進，具有強烈的下切作用。
[0004] 在實際發(fā)生的泥石流溝中，溝床表面有不同粒徑的礫石，故其溝床存在不同的阻 力。目前，國內(nèi)外對泥石流的平衡坡度研究很少，在泥石流的防治中，也很少考慮平衡坡度 的作用，修建的排導(dǎo)槽往往會淤積泥石流或被沖刷，極大的浪費了資源，影響泥石流的防治 效果。
[0005] 公開號為CN 103321190A，【公開日】為2013年09月25日的中國專利文獻公開了一種 泥石流攔砂壩溢流口過流流量測算方法及其應(yīng)用，該方法通過現(xiàn)場調(diào)查測量、野外容重試 驗和大比例尺地形圖測算等手段，確定泥石流容重、溝道坡度、溢流口寬度、溢流口底寬、壩 址處溝道寬度、溢流口位置系數(shù)、溢流口邊坡系數(shù)和設(shè)計泥深，將所得參數(shù)分別代入流量系 數(shù)和過流流量式，得到不同條件下的溢流口過流流量，從而對所設(shè)計的攔砂壩溢流口過流 能力進行校核。
[0006] 該專利文獻公開的泥石流攔砂壩溢流口過流流量測算方法，雖然考慮了溝道條件 和泥石流自身性質(zhì)，通過理論推導(dǎo)得到流量系數(shù)方程和溢流口過流流量方程，確定流量系 數(shù)，進而能夠確定過流流量大小，為泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計提供依據(jù)，但是，由于沒有考 慮到泥石流的平衡坡度作用，對于修建排導(dǎo)槽不能起到更好的指導(dǎo)作用，致使防災(zāi)適用性 變差，不利于野外大尺度防治工程的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種泥石流的平衡坡度測算方法及其 應(yīng)用，本發(fā)明通過測算泥石流的平衡坡度，并將泥石流運動對溝床沖刷和淤積影響效果進 行綜合考慮，對于泥石流的防治，修建排導(dǎo)槽具有更好的指導(dǎo)作用，具有更高的防災(zāi)適用性 且適用于野外大尺度的防治工程應(yīng)用。
[0008] 本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0009] -種泥石流的平衡坡度測算方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0010] a、通過現(xiàn)場調(diào)查測量屈服應(yīng)力τ，單位pa;通過野外容重實驗，確定泥石流容重p， 單位kg/m3，通過現(xiàn)場調(diào)查測量泥石流流深h，單位m;
[0011] b、先將步驟a中的屈服應(yīng)力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，確定無量綱 化的屈服應(yīng)力
[0013] 式1中，g為重力加速度，大小為9.8m/s2;
[0014] c、再將步驟b中得到的無量綱化的屈服應(yīng)力f代入式2中，確定無量綱化的坡度S;
[0015] 8 = 3.0887^-3724 (式 2);
[0016] d、最后將步驟c中得到的無量綱化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a，單位度；
[0017] S = tana (式3)〇
[0018] 本發(fā)明，適用于稀性泥石流、過渡性泥石流或粘性泥石流針對在低阻力情況下的 平衡坡度測算。
[0019] 本發(fā)明，所述低阻力是指稀性泥石流、過渡性泥石流或粘性泥石流先運動到溝床， 淤積在溝床中，形成鋪床時的阻力。
[0020] 本發(fā)明，適用于預(yù)測泥石流溝道的發(fā)展演化規(guī)律。
[0021] 本發(fā)明的原理：
[0022] 如果泥石流溝道的坡度大于泥石流的平衡坡度，泥石流將沖涮底床，造成溝道下 切，破壞原來的溝道形態(tài)，可能會沖毀跨過溝道的橋梁橋墩，從底部跨過溝道的輸油輸氣管 道等，造成重大經(jīng)濟損失;也可能會沖毀房屋基礎(chǔ)及破壞房屋，造成人員傷亡。
[0023] 如果泥石流溝道的坡度小于泥石流的平衡坡度，泥石流將在底床淤積，造成溝道 回淤，破壞原來的溝道形態(tài)，可能會淤埋跨過溝道的橋梁，淤埋公路，造成重大經(jīng)濟損失;也 可能會淤埋房屋及破壞房屋，造成人員傷亡。
[0024] 無量綱化的屈服應(yīng)力是泥石流平衡坡度的一個重大影響因素。
[0025]泥石流的屈服應(yīng)力越大，代表泥石流的粘性越強，泥石流運動的阻力越大，所需要 的運動坡度越大。
[0026]泥石流的運動水深越大，底部的阻力相對影響區(qū)域越小，阻力越小，泥石流所需要 的運動坡度越小。
[0027]重力加速度是一個常數(shù);泥石流的容重的變化幅度范圍較小，一般地，容重越大， 泥石流的屈服應(yīng)力也越大，泥石流運動的阻力越大，所需要的運動坡度越大主河流量越大。 但屈服應(yīng)力增長的幅度遠大于容重的增長幅度。
[0028] 無量綱化的屈服應(yīng)力，反映了泥石流的特征與泥石流運動的阻力關(guān)系，也即泥石 流特征與平衡坡度關(guān)系:無量綱化的屈服應(yīng)力越大，泥石流阻力越大，泥石流運動所需要的 坡度也越大。式2反映了泥石流的特征與平衡坡度關(guān)系。
[0029 ]最后，通過式3，可以計算出泥石流的平衡坡度。
[0030] 本發(fā)明公式使用的參數(shù)均經(jīng)過無量綱處理，可以較好的避免因為單位數(shù)量級差距 帶來的誤差，可以較好的適用于野外情況。
[0031] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在以下方面：
[0032] 一、本發(fā)明，通過現(xiàn)場調(diào)查測量屈服應(yīng)力τ，單位pa;通過野外容重實驗，確定泥石 流容重P，單位kg/m3，通過現(xiàn)場調(diào)查測量泥石流流深h，單位m;將步驟a中的屈服應(yīng)力τ、泥石 流容重Ρ和泥石流流深h代入式1中，確定無量綱化的屈服應(yīng)力τ%將步驟b中得到的無量綱 化的屈服應(yīng)力？代入式S = 3.0887#·3724中，確定無量綱化的坡度S;最后將步驟c中得到的 無量綱化的坡度S代入式S = tana中，得到平衡坡度a;采用這種測算方法，將泥石流運動對 溝床沖刷和淤積影響效果綜合起來考慮，得出一種量綱和諧、計算方便、計算結(jié)果準確的泥 石流平衡坡度算法;通過無量綱化將尺寸效應(yīng)消除，有利于推演到實際發(fā)生的泥石流中，為 泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計提供理論依據(jù)；因此，本發(fā)明對于泥石流防治，修建排導(dǎo)槽有更好 的指導(dǎo)作用，具有更高的防災(zāi)適用性且適用于野外大尺度的實際計算和防治工程的應(yīng)用。
[0033] 二、本發(fā)明，適用于稀性泥石流、過渡性泥石流或粘性泥石流針對在低阻力情況下 的平衡坡度測算，測算準確度高，提高了防災(zāi)適用性。
[0034] 三、本發(fā)明，低阻力是指稀性泥石流、過渡性泥石流或粘性泥石流先運動到溝床， 淤積在溝床中，形成鋪床時的阻力，尤其適用于低阻力情況下的平衡坡度測算，進一步提高 了防災(zāi)適用性。
[0035] 四、本發(fā)明，通過無量綱化將尺寸效應(yīng)消除，有利于推演到實際發(fā)生的泥石流中， 為泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計提供理論依據(jù)，提高防災(zāi)適用性。
[0036] 五、本發(fā)明，可以預(yù)測泥石流溝道的發(fā)展演化規(guī)律，未來的溝道是沖刷還是淤積的 發(fā)展趨勢，為公路、橋梁、輸油輸氣管道鋪設(shè)，村鎮(zhèn)建設(shè)提供參考依據(jù);也可以作為已有的公 路、橋梁、輸油輸氣管道鋪設(shè)、村鎮(zhèn)等的防災(zāi)減災(zāi)提供防治依據(jù)。
【具體實施方式】 [0037] 實施例1
[0038] -種泥石流的平衡坡度測算方法，包括以下步驟：
[0039] a、通過現(xiàn)場調(diào)查測量屈服應(yīng)力τ，單位pa;通過野外容重實驗，確定泥石流容重p， 單位kg/m3，通過現(xiàn)場調(diào)查測量泥石流流深h，單位m;
[0040] b、先將步驟a中的屈服應(yīng)力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，確定無量綱 化的屈服應(yīng)力
[0042] 式1中，g為重力加速度，大小為9.8m/s2;
[0043] c、再將步驟b中得到的無量綱化的屈服應(yīng)力f代入式2中，確定無量綱化的坡度S;
[0044] S = 3.0887^1.3724 (式 2);
[0045] d、最后將步驟c中得到的無量綱化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a，單位度；
[0046] S = tana (式 3)〇
[0047]本實施例為最基本的實施方式，通過現(xiàn)場調(diào)查測量屈服應(yīng)力τ，單位pa;通過野外 容重實驗，確定泥石流容重P，單位kg/m3，通過現(xiàn)場調(diào)查測量泥石流流深h，單位m;將步驟a 中的屈服應(yīng)力τ、泥石流容重P和泥石流流深h代入式1中，確定無量綱化的屈服應(yīng)力τ%將步 驟b中得到的無量綱化的屈服應(yīng)力？代入式S = 3.0887#·3724中，確定無量綱化的坡度S;最 后將步驟c中得到的無量綱化的坡度S代入式S = tana中，得到平衡坡度a;采用這種測算方 法，將泥石流運動對溝床沖刷和淤積影響效果綜合起來考慮，得出一種量綱和諧、計算方 便、計算結(jié)果準確的泥石流平衡坡度算法;通過無量綱化將尺寸效應(yīng)消除，有利于推演到實 際發(fā)生的泥石流中，為泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計提供理論依據(jù)；因此，本發(fā)明對于泥石流防 治，修建排導(dǎo)槽有更好的指導(dǎo)作用，具有更高的防災(zāi)適用性且適用于野外大尺度的實際計 算和防治工程的應(yīng)用。
[0048] 實施例2
[0049] -種泥石流的平衡坡度測算方法，包括以下步驟：
[0050] a、通過現(xiàn)場調(diào)查測量屈服應(yīng)力τ，單位pa;通過野外容重實驗，確定泥石流容重p， 單位kg/m3，通過現(xiàn)場調(diào)查測量泥石流流深h，單位m;
[0051] b、先將步驟a中的屈服應(yīng)力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，確定無量綱 化的屈服應(yīng)力
[0053] 式1中，g為重力加速度，大小為9.8m/s2;
[0054] c、再將步驟b中得到的無量綱化的屈服應(yīng)力f代入式2中，確定無量綱化的坡度S;
[0055] S = 3.0887^1.3724 (式 2);
[0056] d、最后將步驟c中得到的無量綱化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a，單位度；
[0057] S = tana (式 3)〇
[0058] 適用于稀性泥石流、過渡性泥石流或粘性泥石流針對在低阻力情況下的平衡坡度 測算。
[0059] 本實施例為較佳的實施方式，適用于稀性泥石流、過渡性泥石流或粘性泥石流針 對在低阻力情況下的平衡坡度測算，測算準確度高，提高了防災(zāi)適用性。
[0060] 實施例3
[0061] -種泥石流的平衡坡度測算方法，包括以下步驟：
[0062] a、通過現(xiàn)場調(diào)查測量屈服應(yīng)力τ，單位pa;通過野外容重實驗，確定泥石流容重p， 單位kg/m3，通過現(xiàn)場調(diào)查測量泥石流流深h，單位m;
[0063] b、先將步驟a中的屈服應(yīng)力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，確定無量綱 化的屈服應(yīng)力
[0065] 式1中，g為重力加速度，大小為9.8m/s2;
[0066] c、再將步驟b中得到的無量綱化的屈服應(yīng)力f代入式2中，確定無量綱化的坡度S;
[0067] 8 = 3.0887^-3724 (式 2);
[0068] d、最后將步驟c中得到的無量綱化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a，單位度；
[0069] S = tana (式 3)〇
[0070] 適用于稀性泥石流、過渡性泥石流或粘性泥石流針對在低阻力情況下的平衡坡度 測算。
[0071] 所述低阻力是指稀性泥石流、過渡性泥石流或粘性泥石流先運動到溝床，淤積在 溝床中，形成鋪床時的阻力。
[0072] 本實施例為又一較佳的實施方式，通過現(xiàn)場調(diào)查測量屈服應(yīng)力τ，單位pa;通過野 外容重實驗，確定泥石流容重P，單位kg/m 3，通過現(xiàn)場調(diào)查測量泥石流流深h，單位m;將步驟 a中的屈服應(yīng)力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，確定無量綱化的屈服應(yīng)力τ%將 步驟b中得到的無量綱化的屈服應(yīng)力f代入式S = 3.0887tw·3724中，確定無量綱化的坡度S; 最后將步驟c中得到的無量綱化的坡度S代入式S = tana中，得到平衡坡度a;采用這種測算 方法，將泥石流運動對溝床沖刷和淤積影響效果綜合起來考慮，得出一種量綱和諧、計算方 便、計算結(jié)果準確的泥石流平衡坡度算法;通過無量綱化將尺寸效應(yīng)消除，有利于推演到實 際發(fā)生的泥石流中，為泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計提供理論依據(jù)；因此，本發(fā)明對于泥石流防 治，修建排導(dǎo)槽有更好的指導(dǎo)作用，具有更高的防災(zāi)適用性且適用于野外大尺度的實際計 算和防治工程的應(yīng)用。尤其適用于低阻力情況下的平衡坡度測算，進一步提高了防災(zāi)適用 性。
[0073] 實施例4
[0074] -種泥石流的平衡坡度測算方法，包括以下步驟：
[0075] a、通過現(xiàn)場調(diào)查測量屈服應(yīng)力τ，單位pa;通過野外容重實驗，確定泥石流容重p， 單位kg/m3，通過現(xiàn)場調(diào)查測量泥石流流深h，單位m;
[0076] b、先將步驟a中的屈服應(yīng)力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，確定無量綱 化的屈服應(yīng)力
[0078] 式1中，g為重力加速度，大小為9 · 8m/s2;
[0079] c、再將步驟b中得到的無量綱化的屈服應(yīng)力f代入式2中，確定無量綱化的坡度S;
[0080] S = 3.0887^1.3724 (式 2);
[0081] d、最后將步驟c中得到的無量綱化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a，單位度；
[0082] S = tana (式 3)〇
[0083]適用于預(yù)測泥石流溝道的發(fā)展演化規(guī)律。
[0084] 本實施例為最佳的實施方式，可以預(yù)測泥石流溝道的發(fā)展演化規(guī)律，未來的溝道 是沖刷還是淤積的發(fā)展趨勢，為公路、橋梁、輸油輸氣管道鋪設(shè)，村鎮(zhèn)建設(shè)提供參考依據(jù);也 可以作為已有的公路、橋梁、輸油輸氣管道鋪設(shè)、村鎮(zhèn)等的防災(zāi)減災(zāi)提供防治依據(jù)。
[0085] 下面對云南東川蔣家溝泥石流和甘肅武都地區(qū)柳彎溝泥石流進行分析：
[0086] 云南東川蔣家溝2000年8月9日發(fā)生泥石流，根據(jù)此次泥石流的實際調(diào)查可得該泥 石流具有緊密的結(jié)構(gòu)，實測泥石流容重P為2300kg/m3時，屈服應(yīng)力τ為2000pa，泥石流流深h 為l-2m(防災(zāi)減災(zāi)工程學報第25卷第二期："粘性泥石流陣性運動對溝床沖淤演變的影響-以云南東川蔣家溝為例"）。因不知道詳細的流深，因此可有流深l-2m推測實際的運動坡度。 將屈服應(yīng)力 1： = 200(^3 4 = 23001^/1113,8 = 9.8111/82，11 = 11]1帶入式1可得1：* = 0.089，再將1：* = 0.089帶入式2可得3 = 0.11，再將3 = 0.111帶入式3可得& = 6.3度；再將屈服應(yīng)力1 = 2000卩&，卩=23001^/1113,8 = 9.8111/82，11 = 21]1帶入式1可得1：* = 0.044，再將1：* = 0.044帶入式2 可得S = 0.042,再將S = 0.042帶入式3可得a = 2.4度，因此在流深l-2m時的平衡坡度在2.4-6.3度之間。而一般蔣家溝溝道的坡度在4.1度左右。
[0087]說明用本發(fā)明方法計算的平衡坡度符合實際情況。
[0088] 甘肅武都地區(qū)柳彎溝，在1963-1964年期間觀測到多次泥石流(甘肅泥石流，人民 交通出版社，1982年），泥石流特征參數(shù)及平衡坡度計算見下表1:
[0090]表 1
[0091 ] 通過表1可知，在流深0.3-0.6m時的平衡坡度在4-9.2度之間，而甘肅武都地區(qū)柳 彎溝溝道的坡度在6.3度左右。
[0092]說明用本發(fā)明方法計算的平衡坡度符合實際情況。
[0093]綜上，采用這種測算方法，將泥石流運動對溝床沖刷和淤積影響效果綜合起來考 慮，得出一種量綱和諧、計算方便、計算結(jié)果準確的泥石流平衡坡度算法;通過無量綱化將 尺寸效應(yīng)消除，有利于推演到實際發(fā)生的泥石流中，為泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計提供理論 依據(jù)；因此，本發(fā)明對于泥石流防治，修建排導(dǎo)槽有更好的指導(dǎo)作用，具有更高的防災(zāi)適用 性且適用于野外大尺度的實際計算和防治工程的應(yīng)用。
【主權(quán)項】
1. 一種泥石流的平衡坡度測算方法，其特征在于，包括W下步驟： 曰、通過現(xiàn)場調(diào)查測量屈服應(yīng)力τ，單位pa;通過野外容重實驗，確定泥石流容重P，單位 kg/m3，通過現(xiàn)場調(diào)查測量泥石流流深h，單位m; b、先將步驟a中的屈服應(yīng)力τ、泥石流容重P和泥石流流深h代入式1中，確定無量綱化的 屈服應(yīng)力τ%(或 1,); 式1中，g為重力加速度，大小為9.8m/s2; C、再將步驟b中得到的無量綱化的屈服應(yīng)力τ氣戈入式2中，確定無量綱化的坡度S; S = 3.0887t*i'3724 (式 2). d、最后將步驟C中得到的無量綱化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a,單位度； S = tana 試 3)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泥石流的平衡坡度測算方法的應(yīng)用，其特征在于:適用于 稀性泥石流、過渡性泥石流或粘性泥石流針對在低阻力情況下的平衡坡度測算。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種泥石流的平衡坡度測算方法的應(yīng)用，其特征在于:所述低 阻力是指稀性泥石流、過渡性泥石流或粘性泥石流先運動到溝床，渺積在溝床中，形成鋪床 時的阻力。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泥石流的平衡坡度測算方法的應(yīng)用，其特征在于:適用于 預(yù)測泥石流溝道的發(fā)展演化規(guī)律。
【文檔編號】G06Q50/26GK106096320SQ201610573524
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月19日
【發(fā)明人】余斌, 禹磊
【申請人】成都理工大學