本發(fā)明屬于泥石流防治工程設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于溝道縱比降和溝道寬度的攔砂壩淤滿條件下泥石流流速衰減值的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

為了有效的防治震區(qū)泥石流災(zāi)害，泥石流溝流域內(nèi)修建了大量的防治工程，其中最為主要的防治措施是泥石流攔砂壩。泥石流在攔砂壩防治工程作用下，使得泥石流的流速發(fā)生衰減。汶川震后大規(guī)模的群發(fā)性泥石流事件使得現(xiàn)存的大部分?jǐn)r砂壩庫區(qū)呈淤滿狀態(tài)，且由于震區(qū)陡峭的地形使得攔砂壩清庫工作幾乎成為不可能完成的工程，淤滿狀態(tài)下的攔砂壩使得泥石流的消能功效大為降低，很多攔砂壩已不能滿足當(dāng)初設(shè)計(jì)的需要。因此，對(duì)于類似汶川震區(qū)此類不能進(jìn)行泥石流攔砂壩庫區(qū)清淤處理的泥石流溝，攔砂壩淤滿的條件下的泥石流流速衰減特征成為此類泥石流防治的研究重點(diǎn)。

泥石流流速的變化特征與其所在的溝道沖刷斷面、溝道縱比降，以及溝道的糙率等因素相關(guān)，其中在空庫的攔砂壩下游處泥石流的動(dòng)能衰減值為80.7％～98.8％。多次的泥石流事件后，攔砂壩庫區(qū)幾乎成淤滿狀態(tài)，使得泥石流攔砂壩的防治效應(yīng)大為降低。例如，映秀磨子溝在2011年的“7.03”、2013年的“7.10”強(qiáng)降雨過程中均暴發(fā)不同規(guī)模的泥石流，使得泥石流溝流域內(nèi)的攔砂壩處于淤滿狀態(tài)，導(dǎo)致2016年的“7.05”強(qiáng)降雨過程中，磨子溝泥石流沖出溝口，使得國道213線的交通處于癱瘓狀態(tài)。

泥石流的流速反映了泥石流流體的動(dòng)能條件，泥石流攔砂壩的主要作用為消能，從而降低泥石流的流速，進(jìn)而降低泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)程度；現(xiàn)行的泥石流攔砂壩消能主要通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲取，而泥石流攔砂壩設(shè)計(jì)主要針對(duì)空庫狀態(tài)下的攔擋效應(yīng)。針對(duì)淤滿狀態(tài)下的攔砂壩設(shè)計(jì)流速值計(jì)算方法較少，導(dǎo)致泥石流攔砂壩設(shè)計(jì)的使用受到限制，且淤滿狀態(tài)下的消能作用不明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)上述存在的問題，提供一種基于溝道縱比降和溝道寬度的攔砂壩淤滿條件下泥石流流速衰減值的計(jì)算方法，以解決強(qiáng)震區(qū)攔砂壩淤滿后的泥石流流速設(shè)計(jì)值，構(gòu)建基于泥石流溝道橫斷面參數(shù)的泥石流流速衰減值預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行實(shí)例運(yùn)用，為泥石流攔砂壩工程設(shè)計(jì)的流速提供新方法，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：一種基于溝道縱比降和溝道寬度的攔砂壩淤滿條件下泥石流流速衰減值的計(jì)算方法，其特征在于：將震區(qū)攔砂壩工程上、下游的溝道斷面特征應(yīng)用于震區(qū)泥石流的流速預(yù)測(cè)，通過攔砂壩庫區(qū)所導(dǎo)致的泥石流溝道變化值得到泥石流暴發(fā)時(shí)的流速衰減值，其具體計(jì)算方法如下：

a.通過獲取震區(qū)泥石流溝攔砂壩上、下游溝道的參數(shù)，確定泥石流溝攔砂壩上、下游的溝道總縱比降j2和j1(‰)，泥石流溝攔砂壩上、下游的溝道寬度b2和b1(m)；

b.通過以下公式確定震區(qū)泥石流的流速αv的衰減值，單位m/s；

式中：v2為攔砂壩上游的流速(m/s)，v1為攔砂壩下游的流速(m/s)，j2為攔砂壩上游的溝道縱比降(‰)，j1為攔砂壩下游的溝道縱比降(‰)，b2為攔砂壩上游的溝道寬度(m)，b1為攔砂壩下游的溝道寬度(m)；均由步驟a所確定。

本發(fā)明所述的基于溝道縱比降和溝道寬度的攔砂壩淤滿條件下泥石流流速衰減值的計(jì)算方法，其所述步驟b中確定的震區(qū)泥石流流速αv的衰減值公式適用于震區(qū)攔砂壩淤滿條件下的泥石流流速衰減值預(yù)測(cè)，將得到的衰減后的泥石流流速作為震區(qū)泥石流攔砂壩淤滿后的最小設(shè)計(jì)泥石流流速。

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)的限制，從泥石流溝道縱比降、泥石流溝道寬度等多方面入手，構(gòu)建了基于震區(qū)攔砂壩淤滿條件下泥石流溝道斷面參數(shù)的泥石流流速衰減模型。首先，在泥石流溝道縱比降方面，充分考慮震區(qū)泥石流溝攔砂壩淤滿后上、下游的溝道縱比降變化，利用泥石流溝道縱比降的變化值定量反映了震區(qū)泥石流攔砂壩位置的地形坡度特征；其次，基于汶川震區(qū)泥石流攔砂壩上、下游溝道寬度變化特征，根據(jù)泥石流的質(zhì)量連續(xù)方程反映了震區(qū)泥石流攔砂壩淤滿條件下流速與溝道橫斷面參數(shù)間的相互關(guān)系。本發(fā)明的計(jì)算理論完善，計(jì)算結(jié)果符合泥石流現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，能夠?yàn)檎饏^(qū)泥石流攔砂壩防治工程設(shè)計(jì)參數(shù)提供技術(shù)支持，有效避免了因?yàn)槟嗍髁魉僭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的問題。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)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)合實(shí)施例，對(duì)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)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。

一種基于溝道縱比降和溝道寬度的攔砂壩淤滿條件下泥石流流速衰減值的計(jì)算方法，其主要思路是：將震區(qū)攔砂壩工程上、下游的溝道斷面特征應(yīng)用于震區(qū)泥石流的流速預(yù)測(cè)，通過攔砂壩庫區(qū)所導(dǎo)致的泥石流溝道變化值得到泥石流暴發(fā)時(shí)的流速衰減值。首先，根據(jù)質(zhì)量連續(xù)方程推導(dǎo)泥石流在攔砂壩位置運(yùn)動(dòng)時(shí)的流速衰減值模型；再通過獲取震區(qū)攔砂壩庫區(qū)已淤滿的泥石流溝道特征參數(shù)，確定其溝道坡度、溝道縱比降、溝道糙率系數(shù)、溝道寬度；最后將所得參數(shù)帶入震區(qū)泥石流流速衰減模型，得到泥石流在攔砂壩位置的流速衰減預(yù)測(cè)值。

具體計(jì)算過程如下：

首先，根據(jù)泥石流攔砂壩上下游的流速關(guān)系，分析因?yàn)閿r砂壩導(dǎo)致的泥石流流速衰減特征。假設(shè)攔砂壩上游的流速為v2，攔砂壩下游的流速為v1，泥石流攔砂壩上、下游的流速衰減公式表示為：

式中，αv為泥石流沿其流向的速度衰系數(shù),v2為攔砂壩上游的流速(m/s),v1為攔砂壩下游的流速(m/s)。

然后，根據(jù)泥石流流體的質(zhì)量連續(xù)方程，假設(shè)攔砂壩上游的溝道橫切面積為a2，攔砂壩下游的溝道橫切面積為a1。泥石流質(zhì)量連續(xù)條件下攔砂壩上游流量(v2a2)和攔砂壩下游流量(v1a1)相等的公式表示為：

v1a1＝a2v2…………………………………(2)

式中，a2為攔砂壩上游的溝道橫切面積(m²)，a1為攔砂壩下游的溝道橫切面積(m²)。

然后，根據(jù)泥石流流速計(jì)算公式，泥石流在堆積區(qū)任意位置的流深h公式表示為：

式中，n為泥石流溝道任意位置的溝道糙率系數(shù)，通過泥石流防治規(guī)范獲取泥石流造率系數(shù)，h為泥石流堆積區(qū)任意位置的泥石流流深(m/s)，j為泥石流堆積區(qū)任意位置的溝道縱比降‰；

然后，根據(jù)泥石流在淤滿的攔砂壩位置的質(zhì)量守恒，攔砂壩上、下游的流速公式表示為：

式中，a2為攔砂壩上游的溝道橫切面積(m²)，a1為攔砂壩下游的溝道橫切面積(m²)，v2為攔砂壩上游的流速(m/s),v1為攔砂壩下游的流速(m/s)，b2為攔砂壩上游的溝道寬度(m)，b1為攔砂壩下游的溝道寬度(m)。

根據(jù)泥石流流速與泥石流流深的關(guān)系，以及泥石流攔砂壩位置的糙率系數(shù)相同，得到泥石流在攔砂壩淤滿條件下的流速的衰減值公式表示為：

式中：v2為攔砂壩上游的流速(m/s)，v1為攔砂壩下游的流速(m/s)，j2為攔砂壩上游的溝道縱比降(‰)，j1為攔砂壩下游的溝道縱比降(‰)，b2為攔砂壩上游的溝道寬度(m)，b1為攔砂壩下游的溝道寬度(m)。

其中，通過公式(5)確定的震區(qū)泥石流流速αv的衰減值適用于震區(qū)攔砂壩淤滿條件下的泥石流流速衰減值預(yù)測(cè)，將得到的衰減后的泥石流流速作為震區(qū)泥石流攔砂壩淤滿后的最小設(shè)計(jì)泥石流流速，從而有效避免了因?yàn)槟嗍髁魉僭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的問題。

以下為本發(fā)明的具體實(shí)施例：

實(shí)施例一：

小崗劍流域匯水面積為0.61km²；形成-流通區(qū)的溝道坡降為506‰。小崗劍泥石流溝流域整體坡度在平均坡度在30°以上，泥石流溝道坡度在平均坡度在30°以上，且泥石流流通區(qū)下游陡坎位置的坡度在50°以上。

為了有效的防治和治理泥石流，防止綿遠(yuǎn)河被堵塞威脅下游安全，根據(jù)泥石流溝道以及攔砂壩設(shè)計(jì)寬度等特征進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，具體計(jì)算方法及步驟如下：

a.根據(jù)小崗劍泥石流溝的野外調(diào)查和泥石流溝道參數(shù)測(cè)試，確定了小崗劍溝1#攔砂壩的平均泥深0.73m、泥石流縱坡0.483、糙率系數(shù)12、溝道寬度15m；1#攔砂壩上游(2#攔砂壩)位置的平均泥深0.64m、泥石流縱坡0.2096、糙率系數(shù)12、溝道寬度10m。

b.將a步驟確定的各參數(shù)代入下公式，

c.通過公式計(jì)算獲取泥石流暴發(fā)過程中泥石流流速衰減值為7.8％，則小崗劍泥石流1#攔砂壩淤滿后的流速是其上游(2#攔砂壩位置)流速的92.2％。

實(shí)施例二：

福堂溝的流域形態(tài)近似矩形，流域面積約為1.12km²，主溝道長(zhǎng)度約為0.78km，主溝縱比降約為625‰，受構(gòu)造控制，整個(gè)泥石流域分布不對(duì)稱。溝域的最高點(diǎn)位于溝谷山脊地帶。福堂泥石流溝道坡度在30°以上，泥石流形成區(qū)溝道坡度在30°以上，流通區(qū)兩岸坡度也在50°以上。

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，根據(jù)泥石流溝道以及攔砂壩設(shè)計(jì)寬度等特征進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，具體計(jì)算方法及步驟如下：

a.根據(jù)福堂溝野外調(diào)查和泥石流溝道參數(shù)測(cè)試，確定了福堂溝1#攔砂壩的平均泥深0.7m、泥石流溝道縱比降0.384‰、糙率系數(shù)12、溝道寬度27m；1#攔砂壩上游(2#攔砂壩)位置的平均泥深1.5m、泥石流溝道縱比降394‰、糙率系數(shù)12、溝道寬度19m。

b.將a步驟確定的各參數(shù)代入下公式，

c.通過公式計(jì)算獲取泥石流暴發(fā)過程中泥石流流速衰減值為13.8％，則福堂溝泥石流1#攔砂壩淤滿后的流速是其上游(2#攔砂壩位置)流速的86.2％。

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)。