本發(fā)明涉及一種泥石流流速測(cè)算方法，特別是涉及一種泥石流斷面平均流速測(cè)算方法，屬于測(cè)量技術(shù)、山地災(zāi)害防治領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

泥石流流速是泥石流運(yùn)動(dòng)力學(xué)的核心研究?jī)?nèi)容之一，是研究泥石流流變性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理的關(guān)鍵。在實(shí)際工程中泥石流流速，尤其是泥石流體斷面的平均流速測(cè)算是防治工程設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)性參數(shù)。

公開(kāi)號(hào)為cn104794362a的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種泥石流斷面平均流速的測(cè)算方法及應(yīng)用。該方法通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量、實(shí)際取樣實(shí)測(cè)容重和室內(nèi)流變實(shí)驗(yàn)等手段，分別確定泥石流流體容重、泥石流固體物質(zhì)容重、泥石流溝道或排導(dǎo)槽坡度、泥石流過(guò)流斷面水力半徑、泥石流溝道或排導(dǎo)槽外部糙率等參數(shù)，將獲取的參數(shù)代入泥石流斷面平均流速計(jì)算公式，從而獲得較為泥石流斷面平均流速。但該測(cè)算方法在考慮泥石流本身組成對(duì)其流速影響時(shí)涉及泥石流體的內(nèi)部糙率以及排導(dǎo)槽所引起的外部糙率。內(nèi)部糙率包含泥沙特性與泥石流粘性作用兩方面因素。其技術(shù)缺陷主要包括：兩方面：其一，泥石流是一種典型包含大量泥沙、塊石、巨粒等顆粒的固液兩相流，泥石流顆粒在流體運(yùn)動(dòng)中的關(guān)鍵作用。該方法沒(méi)有體現(xiàn)出其它重要相關(guān)因子(如泥石流的顆粒組成、泥石流體積比含沙量等)對(duì)糙率系數(shù)、流速系數(shù)的影響，進(jìn)而沒(méi)有考慮這些泥石流特征物理參數(shù)對(duì)泥石流流速的影響；其二，泥石流(尤其是粘性泥石流)多呈陣性運(yùn)動(dòng)，沿途鋪床前進(jìn)，泥石流顆粒的交換、碰撞、沉積等過(guò)程使得泥石流的綜合糙率系數(shù)難以通過(guò)查表或調(diào)查準(zhǔn)確確定，從而影響測(cè)算的精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種泥石流斷面平均流速測(cè)量方法，該方法能充分考慮泥石流顆粒組成對(duì)其流速的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

粘性泥石流斷面平均流速測(cè)算方法，用于測(cè)算粘性泥石流斷面平均流速，其特征在于：

在野外現(xiàn)場(chǎng)選取溝道內(nèi)較為順直段設(shè)置泥石流測(cè)量斷面，通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查實(shí)驗(yàn)確定泥石流體積比含沙量sv、泥石流平均流深h、泥石流溝道縱坡j、泥石流顆分參數(shù)(μ,dc)；

依式1計(jì)算粘性泥石流斷面平均流速：

v＝30.68exp(μ)(h/dc)^1/6[sv(1-sv)]^1/2h^2/3j^1/2式1

式中，v——粘性泥石流流速，單位m·s^-1，

(μ,dc)——泥石流顆分參數(shù)，根據(jù)室內(nèi)篩分、粒度分析實(shí)驗(yàn)確定，

sv——泥石流體積比含沙量，通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查實(shí)驗(yàn)確定，

h——泥石流平均流深，單位m，根據(jù)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定，

j——泥石流溝道縱坡，％，根據(jù)野外調(diào)查確定。

上述泥石流斷面平均流速測(cè)量方法是基于我國(guó)典型泥石流觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究站多年觀測(cè)數(shù)據(jù)，在粘性泥石流平均流速經(jīng)典公式曼寧公式基礎(chǔ)上，考慮泥石流顆粒組成、泥石流體積比含沙量、泥深等對(duì)糙率的影響，綜合各因子擬合得到。

上述流速測(cè)量方法的核心是在曼寧公式的基礎(chǔ)上，充分考慮泥石流顆粒組成對(duì)其流速的影響。方法的主要技術(shù)原理在于：

第一，顆分參數(shù)(μ,dc)中，μ代表細(xì)顆粒的含量，dc代表泥石流樣品的粒徑組成范圍。由于細(xì)顆粒在泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要起到潤(rùn)滑作用，因而當(dāng)細(xì)顆粒含量越多時(shí)，泥石流體內(nèi)部阻力減小，對(duì)應(yīng)的流速也應(yīng)越快。故而顆分參數(shù)(μ,dc)的兩個(gè)參數(shù)都能夠影響泥石流流速。進(jìn)一步采用h/dc表示泥石流體內(nèi)部的相對(duì)粗糙度，即當(dāng)h一定時(shí)，dc越大，表明流體中粗顆粒的粒徑越大，對(duì)應(yīng)糙率越大，流速降低。故而流速v與μ、h/dc存在函數(shù)關(guān)系。在測(cè)量數(shù)據(jù)中，μ值量級(jí)太小，無(wú)法與其它參量配合完成計(jì)算。由此采用數(shù)學(xué)變換得到exp(μ)參與計(jì)算。結(jié)合前述分析結(jié)果有v＝f(exp(μ)，h/dc)。

第二，泥石流體積比含沙量sv對(duì)泥石流流速的影響是雙重的。一方面，泥石流體積比含沙量sv的增高會(huì)使得泥石流內(nèi)部阻力的增大；另一方面，sv的繼續(xù)增加會(huì)使得泥石流顆粒下沉速度降低，減小流體內(nèi)部的顆粒交換，降低能量耗散，降低內(nèi)部阻力，使得流體速度提高。經(jīng)前期數(shù)據(jù)分析，選用sv(1-sv)綜合表示泥石流體積比含沙量對(duì)泥石流流速的影響。

第三，以曼寧公式為原型，可以得到黏性泥石流流速公式模型：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明測(cè)算方法充分考慮泥石流顆粒組成對(duì)其流速的影響，將泥石流顆分參數(shù)(μ,dc)作為變量引入泥石流流速計(jì)算中，再進(jìn)一步同時(shí)綜合其他因子分析，得出新的泥石流斷面平均流速測(cè)算方法。相比于現(xiàn)有技術(shù)采用綜合糙率系數(shù)的泥石流流速測(cè)算方法，本發(fā)明方法細(xì)化了綜合糙率系數(shù)的物理意義，同時(shí)可以摒棄經(jīng)驗(yàn)參數(shù)選取所造成的人為主觀影響，具有更科學(xué)的測(cè)算原理與較高的精度。本發(fā)明方法計(jì)算簡(jiǎn)便，工程實(shí)用價(jià)值高。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例一測(cè)量斷面示意圖(縱軸為海拔高程，橫軸為水平距離，l為左岸，r為右岸，1:500)。

圖2是實(shí)施例二測(cè)量斷面示意圖(縱軸為海拔高程，橫軸為水平距離，l為左岸，r為右岸，1:500)。

圖3是更多流速野外觀測(cè)值與本公式計(jì)算值的對(duì)比關(guān)系。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的描述。

實(shí)施例一

如圖1所示，用本發(fā)明方法測(cè)算金沙江上游支流小江一條泥石流支溝的一次泥石流流速。

某泥石流溝是金沙江上游支流小江一條泥石流支溝，流域面積48km²，主溝長(zhǎng)14km，流域最高點(diǎn)海拔3230m，最低點(diǎn)海拔1040m。溝岸兩側(cè)以千枚巖和板巖為主，強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，使得該地區(qū)存在大量的淺層滑坡、崩塌等松散堆積物，為泥石流的形成提供了大量物源。為了防治該條泥石流溝，需要在上游修建攔擋工程，需要計(jì)算該溝道泥石流的平均流速。

在溝內(nèi)任一較為順直位置設(shè)置測(cè)量斷面，測(cè)量斷面圖如圖1。通過(guò)大比例尺地形圖測(cè)量計(jì)算以及實(shí)地調(diào)查測(cè)得斷面上泥石流溝道縱坡j＝6.67％。

該溝于2007年7月25日發(fā)生泥石流。泥石流結(jié)束后，通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查實(shí)驗(yàn)確定該次泥石流體積比含沙量sv＝0.727，密度為2.2g/cm³，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)泥石流堆積體中黏粒含量較多，初步斷定為黏性泥石流，其平均流深h＝1.2m。

在泥石流堆積體上，取方量為2m×2m×h的泥石流樣品，通過(guò)室內(nèi)篩分、粒度分析，得到顆粒級(jí)配(表1)，將顆粒級(jí)配導(dǎo)入matlab中，把泥石流標(biāo)度分布公式(式中，p(>d)是大于粒徑d的顆粒百分比、c是系數(shù)、d是粒徑、dc是特征粒徑、μ是冪指數(shù))輸入curvefittingtool中的自定義公式中，通過(guò)curvefittingtool確定標(biāo)度分布公式中的參數(shù)(μ,dc)為(0.0349,21.5610)。

表1實(shí)施例一大于某粒徑(mm)泥石流顆粒質(zhì)量百分比(％)

將(μ,dc)＝(0.0349,21.5610)、sv＝0.727、h＝1.2、j＝6.67％代入式1，計(jì)算得到測(cè)量斷面上泥石流平均流速v＝8.07m/s。

本次泥石流中，在該測(cè)量斷面上的實(shí)測(cè)得泥石流斷面平均流速為7.97m/s。本發(fā)明測(cè)算方法結(jié)果誤差為1.25％，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)施例二

如圖2所示，用本發(fā)明方法測(cè)算大渡河上游一條泥石流支溝的一次泥石流流速。

該泥石流支溝流域面積8.6km²，主溝長(zhǎng)6.3km，流域最高點(diǎn)海拔3655m，最低點(diǎn)海拔2705m。坡度大，地形陡峭，且風(fēng)化嚴(yán)重，這為泥石流的形成提供了有力條件。該溝經(jīng)常爆發(fā)泥石流，且規(guī)模較大，威脅下游人民安全。為了防治該條泥石流溝，需要在上游修建攔擋工程，需要計(jì)算該溝道泥石流的平均流速。

在溝內(nèi)任一較為順直位置設(shè)置測(cè)量斷面，測(cè)量斷面圖如圖2。通過(guò)大比例尺地形圖測(cè)量計(jì)算以及實(shí)地調(diào)查測(cè)得斷面上泥石流溝道縱坡j＝15.07％。

該溝于2010年8月12日發(fā)生泥石流。泥石流結(jié)束后，通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查實(shí)驗(yàn)確定該次泥石流體積比含沙量sv＝0.5330，密度為1.9g/cm³，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)堆積體中黏粒成分較多，初步斷定為黏性泥石流，其平均流深h＝0.7m。

在泥石流堆積體上，取方量為2m×2m×h的泥石流樣品，采用同實(shí)施例一相同方法計(jì)算泥石流顆分參數(shù)(μ,dc)為(0.0377,46.4484)。泥石流顆粒質(zhì)量百分比數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2實(shí)施例二大于某粒徑(mm)泥石流顆粒質(zhì)量百分比(％)

將(μ,dc)＝(0.0377,46.4484)、sv＝0.5330、h＝0.7、j＝15.07％代入式1，計(jì)算得到測(cè)量斷面上泥石流平均流速v＝7.65m/s。

本次泥石流中，在該測(cè)量斷面上的實(shí)測(cè)得泥石流斷面平均流速為7.92m/s。本發(fā)明測(cè)算方法結(jié)果誤差為3.41％，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

申請(qǐng)人將本發(fā)明方法應(yīng)用于更多地點(diǎn)泥石流溝中發(fā)生的粘性泥石流的實(shí)際流速測(cè)算。圖3是更多流速野外觀測(cè)值與本公式計(jì)算值的對(duì)比關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：李泳等.泥石流顆粒的標(biāo)度分布.四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2013年1月。