一种粘性泥石流堵江计算方法及其应用与流程

本发明涉及到泥石流防治工程技术领域，尤其涉及一种粘性泥石流堵江计算方法及其应用。

背景技术：

泥石流是指在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，因为暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带有大量泥沙以及石块的洪流。它的面积、体积和流量都较大，而滑坡是经稀释土质山体小面积的区域，典型的泥石流由悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘土的粘稠泥浆组成。在适当的地形条件下，大量的水体浸透流水山坡或沟床中的固体堆积物质，使其稳定性降低，饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动，就形成了泥石流。泥石流是一种灾害性的地质现象。通常泥石流爆发突然、来势凶猛，可携带巨大的石块。因其高速前进，具有强大的能量，因而破坏性极大，发生泥石流常常会冲毁公路铁路等交通设施甚至村镇等，因此，泥石流的防治显得尤为重要。

目前国内外对泥石流堵江的计算研究，主要有三种方法：

其一，以室内水槽试验模拟为主，主要是模拟在不同交汇角的条件下，主支沟的交汇及河床响应过程，选择不同的评价指标，例如：流量比、容重、规模等，分析得出泥石流的堵河判别式。此类方法得到的式往往由于野外数据尺度远大于室内试验数据，在量纲不和谐的情况下实际计算存在较大的误差。

其二，基于统计学的相关性分析，该方法主要以文献查阅、实地调查得到各泥石流沟的基本数据和堵河特征资料，对堵河型泥石流基本特征进行分析总结，得出计算泥石流堵断主河的定性或动量的经验式。此类方法得到的式往往只适用于部分区域，缺乏普适性。

其三，该方法主要为建立起泥石流沉积及泥石流与主河水流相互作用动力学方程组，以动量与动能平衡为主要切入点，分析得到其各自的理论解，理论分析了泥石流堵断主河的条件。这类方法虽然切入点较前沿，但尚不成熟，不能广泛应用于实际生产。

且以上三种方法得到的式往往针对山洪泥石流同时发生的情况，但是在主河流域面积较大，洪水历时较长，洪水未至爆发泥石流的这种特殊情况下并不适用。

公开号为CN 105527405A，公开日为2016年04月27日的中国专利文献公开了一种泥石流汇江物理模拟试验装置,其特征在于，包括第一泥石流支沟沟槽、第二泥石流支沟沟槽、泥石流主沟形成区沟槽、泥石流主沟流通区沟槽、泥石流主沟堆积区沟槽、宽度可变河流主河道槽、三角堰、蓄水池、模拟降雨装置、数据采集装置和移动支撑装置，所述第一泥石流支沟沟槽、所述第二泥石流支沟沟槽、所述泥石流主沟形成区沟槽和所述泥石流主沟流通区沟槽均倾斜设置，所述第一泥石流支沟沟槽的水平低端、第二泥石流支沟沟槽的水平低端、所述泥石流主沟形成区沟槽的水平低端和所述泥石流主沟流通区沟槽的水平高端通过可活动橡胶带固定连接，所述第一泥石流支沟沟槽和所述第二泥石流支沟沟槽分别设置在所述泥石流主沟形成区沟槽的两侧，所述第一泥石流支沟沟槽、所述第二泥石流支沟沟槽、所述泥石流主沟形成区沟槽和所述泥石流主沟流通区沟槽的上方均设有所述模拟降雨装置，所述宽度可变河流主河道槽和所述蓄水池均设在所述移动支撑装置上，所述蓄水池的出水口通过可活动橡胶带与所述宽度可变河流主河道槽的一端连接，所述蓄水池的出水口上设有阀门，所述宽度可变河流主河道槽的另一端与所述三角堰的一端连接，所述泥石流主沟流通区沟槽的水平低端通过所述泥石流主沟堆积区沟槽与所述宽度可变河流主河道槽的侧面连通，所述数据采集装置设在所述移动支撑装置的周围。

该专利文献公开的泥石流汇江物理模拟试验装置,虽然能模拟泥石流暴发及汇江过程，研究不同固体物源、坡面角度、江水流速、泥石流堆积区与江河河道交汇角等因素对泥石流汇江的影响，但是，由于野外数据尺度远大于室内试验数据，在量纲不和谐的情况下实际计算存在较大的误差，影响泥石流堵江判断的准确性，不利于提高泥石流防治效果。

技术实现要素：

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种泥石流堵江计算方法，本发明充分考虑了泥石流屈服应力和单宽流量比，建立的泥石流堵江计算模型，具有量纲和谐、计算结果准确度高和普适性高的特点，能够对泥石流堵江进行准确判断，极大的提高了泥石流防治效果。

本发明通过下述技术方案实现：

一种粘性泥石流堵江计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、实地测得或地形图上测得支沟与主河的交汇角，85°95°；

b、实地测量主河与支沟交汇处主河的平均宽度B₁，单位m，主河流量Qm，单位m³/s，根据式1确定主河单宽流量Q₁，单位m²/s；

（式1）；

c、实地测量主河与支沟交汇处支沟的平均宽度B₂，单位m，泥石流流量，单位m³/s，根据式2确定支沟单宽流量₂，单位m²/s；

（式2）；

d、将主河单宽流量Q₁和支沟单宽流量₂代入式3，确定支沟与主河的单宽流量比；

（式3）；

e、实地测量主河与支沟交汇处主河的水深h，单位m，根据式4确定体积因子y_t；

（式4）；

f、实地测量泥石流屈服应力，单位pa，泥石流密度，单位kg/m³，根据式5确定泥石流屈服应力因子x；

（式5）；

式5中，g为重力加速度，9.8m/s²；

g、根据式6计算判断因子y，根据判断因子y值判断泥石流是否会造成堵江；

（式6）。

所述步骤g中，判断因子y的判断条件是y2.0时，不会发生堵江； 2.0<y<3.07时，发生局部堵江；y3.07时，发生全堵。

本发明，适用于判断支流与主河呈90°正交情况下泥石流是否造成堵江。

本发明计算泥石流堵江的原理如下：

局部堵江：流体入河后出露部分的长度与交汇处河宽的比值为70%-99%时，可认为是局部堵江。局部堵江可能引起水位抬高，发生溃决时可能引发洪水，危及下游居民财产生命安全。

全堵：流体入河后出露部分的长度与交汇处河宽的比值为100%以上时，并且造成断流两分钟以上可认为是全堵。全堵可能形成堰塞湖，抬高上游水位，一旦溃决，可能引起重大洪灾，对下游造成巨大破坏。

单宽流量比是泥石流堵江的一个重大影响因素。

主河流量越大，越不易发生堵塞；泥石流流量越大，越容易发生堵塞。单宽流量比很好的将流量、河道宽度、水深等影响因素联系到了一起，合理简化了复杂的实际情况。式3得到的单宽流量比，反映了泥石流流量与主河流量之间的潜在关系。

泥石流的入河体积量和沟道交汇处的宽度、水深也较大的影响了泥石流堵江的结果。在泥石流屈服应力、单宽流量比变化不大的情况下，泥石流入河体积越大，沟道越窄，水越浅，就越容易发生全堵。式4很好的联系了了泥石流入河体积量与沟道、水深。

泥石流的性质也是堵江是否会发生的一大影响因素，屈服应力较好的反映了泥石流的性质。泥石流越粘，屈服应力越大，那么同样条件下发生堵江的可能性就越高。式5反映了泥石流的性质。

最后，通过室内实验获得的式6，较准确的反映了在90°正交情况下粘性泥石流的堵江规律。

本发明公式使用的参数均经过无量纲处理，可以较好的避免因为单位数量级差距带来的误差，可以较好的适用于野外情况。

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

一、本发明，测得支沟与主河的交汇角；测量主河与支沟交汇处主河的平均宽度B₁，主河流量Qm，确定主河单宽流量Q₁；测量主河与支沟交汇处支沟的平均宽度B₂，泥石流流量，确定支沟单宽流量₂，确定支沟与主河的单宽流量比，测量主河与支沟交汇处主河的水深h，确定体积因子y_t，测量泥石流屈服应力₁，泥石流密度，确定泥石流屈服应力因子x；根据判断因子y值判断粘性泥石流是否会造成堵江，作为一个完整的技术方案，充分考虑了泥石流屈服应力和单宽流量比，建立的泥石流堵江计算模型，具有量纲和谐、计算结果准确度高和普适性高的特点，能够对泥石流堵江进行准确判断，极大的提高了泥石流防治效果。

二、本发明，适用于判断支流与主河呈90°正交情况下泥石流是否造成堵江，这类交汇角是泥石流沟与主河的主要交汇方式，本发明包括了主要的堵江形式，概括了堵江的主要条件，简化了判断堵江的因素，判断结果简明扼要，简单易行。

三、本发明，充分考虑了泥石流的不同特征：泥石流的屈服应力代表泥石流抵抗水流的冲刷，不同的无量纲化屈服应力代表泥石流性质与水流的相互关系，使判断模型更准确，适用于不同黏度的粘性泥石流。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明，其中：

图1为主河与支沟交汇处的测量示意图；

图2为主河与支沟交汇处主河的水深示意图；

图3为局部堵江沿支沟方向剖面示意图；

图4为全堵江沿支沟方向剖面示意图；

其中，B₁为主河与支沟交汇处主河的平均宽度，B₂为主河与支沟交汇处支沟的平均宽度，为支沟与主河的交汇角，h为主河与支沟交汇处主河的水深。

具体实施方式

实施例1

一种粘性泥石流堵江计算方法，包括以下步骤：

a、实地测得或地形图上测得支沟与主河的交汇角，85°95°；

b、实地测量主河与支沟交汇处主河的平均宽度B₁，单位m，主河流量Qm，单位m³/s，根据式1确定主河单宽流量Q₁，单位m²/s；

（式1）；

c、实地测量主河与支沟交汇处支沟的平均宽度B₂，单位m，泥石流流量，单位m³/s，根据式2确定支沟单宽流量₂，单位m²/s；

（式2）；

d、将主河单宽流量Q₁和支沟单宽流量₂代入式3，确定支沟与主河的单宽流量比；

（式3）；

e、实地测量主河与支沟交汇处主河的水深h，单位m，根据式4确定体积因子y_t；

（式4）；

f、实地测量泥石流屈服应力，单位pa，泥石流密度，单位kg/m³，根据式5确定泥石流屈服应力因子x；

（式5）；

式5中，g为重力加速度，9.8m/s²；

g、根据式6计算判断因子y，根据判断因子y值判断泥石流是否会造成堵江；

（式6）。

本实施例为最基本的实施方式，测得支沟与主河的交汇角；测量主河与支沟交汇处主河的平均宽度B₁，主河流量Qm，确定主河单宽流量Q₁；测量主河与支沟交汇处支沟的平均宽度B₂，泥石流流量，确定支沟单宽流量₂，确定支沟与主河的单宽流量比，测量主河与支沟交汇处主河的水深h，确定体积因子y_t，测量泥石流屈服应力₁，泥石流密度，确定泥石流屈服应力因子x；根据判断因子y值判断粘性泥石流是否会造成堵江，作为一个完整的技术方案，充分考虑了泥石流屈服应力和单宽流量比，建立的泥石流堵江计算模型，具有量纲和谐、计算结果准确度高和普适性高的特点，能够对泥石流堵江进行准确判断，极大的提高了泥石流防治效果。

实施例2

一种粘性泥石流堵江计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、实地测得或地形图上测得支沟与主河的交汇角，85°95°；

b、实地测量主河与支沟交汇处主河的平均宽度B₁，单位m，主河流量Qm，单位m³/s，根据式1确定主河单宽流量Q₁，单位m²/s；

（式1）；

c、实地测量主河与支沟交汇处支沟的平均宽度B₂，单位m，泥石流流量，单位m³/s，根据式2确定支沟单宽流量₂，单位m²/s；

（式2）；

d、将主河单宽流量Q₁和支沟单宽流量₂代入式3，确定支沟与主河的单宽流量比；

（式3）；

e、实地测量主河与支沟交汇处主河的水深h，单位m，根据式4确定体积因子y_t；

（式4）；

f、实地测量泥石流屈服应力，单位pa，泥石流密度，单位kg/m³，根据式5确定泥石流屈服应力因子x；

（式5）；

式5中，g为重力加速度，9.8m/s²；

g、根据式6计算判断因子y，根据判断因子y值判断泥石流是否会造成堵江；

（式6）。

所述步骤g中，判断因子y的判断条件是y2.0时，不会发生堵江； 2.0<y<3.07时，发生局部堵江；y3.07时，发生全堵。

本实施例为较佳的实施方式。

实施例3

一种粘性泥石流堵江计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、实地测得或地形图上测得支沟与主河的交汇角，85°95°；

b、实地测量主河与支沟交汇处主河的平均宽度B₁，单位m，主河流量Qm，单位m³/s，根据式1确定主河单宽流量Q₁，单位m²/s；

（式1）；

c、实地测量主河与支沟交汇处支沟的平均宽度B₂，单位m，泥石流流量，单位m³/s，根据式2确定支沟单宽流量₂，单位m²/s；

（式2）；

d、将主河单宽流量Q₁和支沟单宽流量₂代入式3，确定支沟与主河的单宽流量比；

（式3）；

e、实地测量主河与支沟交汇处主河的水深h，单位m，根据式4确定体积因子y_t；

（式4）；

f、实地测量泥石流屈服应力，单位pa，泥石流密度，单位kg/m³，根据式5确定泥石流屈服应力因子x；

（式5）；

式5中，g为重力加速度，9.8m/s²；

g、根据式6计算判断因子y，根据判断因子y值判断泥石流是否会造成堵江；

（式6）。

所述步骤g中，判断因子y的判断条件是y2.0时，不会发生堵江； 2.0<y<3.07时，发生局部堵江；y3.07时，发生全堵。

本发明，适用于判断支流与主河呈90°正交情况下泥石流是否造成堵江。

本实施例为最佳实施方式，适用于判断支流与主河呈90°正交情况下泥石流是否造成堵江，这类交汇角是泥石流沟与主河的主要交汇方式，本发明包括了主要的堵江形式，概括了堵江的主要条件，简化了判断堵江的因素，判断结果简明扼要，简单易行。

下面对大渡河支流田湾河地处青藏高原边缘的大雪山南麓，四川省雅安市石棉县草科藏族乡进行泥石流堵江分析：

大渡河支流田湾河地处青藏高原边缘的大雪山南麓，四川省雅安市石棉县草科藏族乡，位于田湾河中游。

2012年7月14日凌晨，四川省雅安市石棉县草科藏族乡和平村的田湾河支流唐家沟及小热水山坡等发生泥石流，其间涌出的泥石流堵塞了田湾河，导致形成堰塞湖，造成巨大损失。

根据现场调查，计算得到四川省雅安市石棉县草科藏族乡和平村的田湾河支流唐家沟及小热水山坡等发生泥石流支沟单宽流量₂为1027m³/s，主河与支沟交汇处支沟的平均宽度B₂为25m，主河单宽流量Q₁为390 m³/s，主河与支沟交汇处主河的平均宽度B₁为53.9m，支沟与主河的单宽流量比为5.68。使用式4计算得到体积因子y_t为68.8，使用式5计算泥石流屈服应力因子x=0.0045；使用式6计算出的判断因子y为4.28。

根据实验得到的临界条件，当判断因子y大于等于3.07的时候就有较高可能性发生全堵，与实际情况相符。

说明采用本方法判断粘性泥石流堵江准确度高。