一种基于流深的泥石流沟道物源侵蚀深度的计算方法与流程

本发明涉及地质灾害防治工程技术领域，特别是一种基于流深的泥石流沟道物源侵蚀深度的计算方法。

背景技术：

泥石流作为一种介于水流与碎屑流之间的两相流体，以其流速快、冲击强及暴发突然等运动特征，快速且强烈地作用于山岳地区，是目前一种在全世界范围内引起广泛关注的自然灾害现象。泥石流可由暴雨、冰雪的急剧消融，以及火山爆发、地震和溃堤引起，通过山坡和沟谷之间快速的物资迁移形式给当地人民造成严重的灾害，已是我国山地灾害防治和环境保护的一个突出问题。

泥石流的侵蚀作用，从流域源头至沟外的冲积扇均有表现，但它主要集中在流域上游，尤以泥石流形成源地的侵蚀作用最甚。调查研究表明，泥石流的侵蚀方式主要有坡面径流侵蚀、斜坡重力侵蚀和沟床冲刷侵蚀。其中，泥石流沟道冲刷侵蚀作为一种主要的侵蚀机制，是由于沟道松散物质在一定深度的流体作用下，一旦流体对固体颗粒的驱动力大于其抵抗力时，便会失稳被裹挟进泥石流活动中，前人将这种起动机制称为“消防水管效应”，并认为流体强烈冲刷沟床堆积物是泥石流起动的关键因素。泥石流沟道侵蚀往往造成桥梁、堤防等基础的暴露等，其危害不亚于泥石流淤积。

目前有关泥石流沟道侵蚀的研究多是基于实验进行的定性描述或半定量分析，未能明晰泥石流侵蚀沟床的内在力学机理。如陈光曦等用实验定性研究了泥石流容重、流量、流速以及侵蚀基准面、沟道坡度、物质等因素对侵蚀的影响，则分类定性对比分析了泥石流侵蚀机理，认为稀性泥石流侵蚀与挟沙水流比较接近，而黏性泥石流的冲淤则接近滑坡。近来，虽然何思明等以上限定理为工具，对黏性泥石流对沟道土体的侵蚀能量条件进行了理论研究，但却缺乏力学机理解析，因而都难以定量描述侵蚀速率变化等侵蚀过程的发展，也不能对侵蚀深度等物理过程特征进行预测，因此，要以此为依据去指导泥石流沟道的治理还远远不够。

公开号为公开日为日的中国专利文献公开了一种粘性泥石流沟沟床最大冲刷深度的测算方法，以该专利文献为代表的现有技术，普遍缺乏基于本构方程的力学推导过程，且其计算所需的泥石流体粘性系数c随着泥石流体容重的增加而增加，无法直接测取；同时该专利也没有考虑原始沟道的斜坡坡度，而这也将直接影响其计算结果，因此其计算结果与实际情况存在一定的误差，不足以指导相应的防治措施。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于流深的泥石流沟道物源侵蚀深度的计算方法，解决了以往方法推导过程不严谨，考虑因素不全面，不能够计算得到合理的泥石流沟道最大侵蚀深度，从而不能为防治工程的设计提供依据的问题。

本发明采用的技术方案是，一种基于流深的泥石流沟道物源侵蚀深度的计算方法，包括以下步骤：

s1：通过现场取样实测，确定泥石流体容重γc，进而确定泥石流流体的重度γ；

s2：通过实际取样测取容重，确定原始沟床堆积物的重度γsat；

s3：获取沟道堆积物土样，确定直剪或三轴试验沟道堆积物内摩擦角

s4：通过现场调查，根据泥石流过流痕迹确定泥石流的流深h；

s5：通过现场测量获取沟道边坡坡度α，通过大比例尺地形图测量计算，确定沟道纵比降j；

s6：将泥石流体视为塑性流动体，利用宾汉模型表达其本构方程；

s7：计算泥石流剪应力τ1；

s8：在泥石流沟道物源堆积体在地表径流剪应力作用下，计算侵蚀达到深度△h时的应力状态；

s9：根据力学平衡条件，当泥石流驱动力等于运动阻力时，计算泥石流沟道堆积体在被侵蚀△h深度时的静力平衡方程；

s10：由于泥石流浆体的粘滞系数η反映了流体的流变特征，流体的流变特征随泥石流体浓度的增加而增加，计算泥石流浆体的粘滞系数；

s11：根据计算出的泥石流沟道堆积体在被侵蚀△h深度时的静力平衡方程、以及泥石流浆体的粘滞系数η，计算在流深为h的情况下，泥石流沟道堆积物的侵蚀深度△h。

优选地，s6的宾汉模型表达其本构方程，其表达式为

τb＝(γ-γw)hsinα

式中，τ1为泥石流剪应力，τb为泥石流浆体的屈服剪应力，η为泥石流的黏滞系数，v为泥石流的流速，h为泥石流流深，j为沟道纵比降，γ为泥石流体的重度，γw为水的重度＝10kn/m³。

优选地，s7的泥石流剪应力τ1的计算公式为：

式中，γ为泥石流体的重度，γw为水的重度，h为泥石流流深，△h为泥石流沟道堆积物的侵蚀深度，j为沟道纵比降，α为沟道边坡坡度，η为泥石流浆体的粘滞系数。

优选地，s8的侵蚀达到深度△h时的应力状态；

δ＝(γh+γsatδh)cosα

τ2＝(γh-10δh)sinα

式中，γ为泥石流体的重度，α为沟道边坡坡度，△h为泥石流沟道堆积物的侵蚀深度，h为泥石流流深,τ2为泥石流沟道物源堆积体在地表径流剪应力作用下的剪应力，δ为该状态下剪切破坏面上的正应力。

优选地，s9的泥石流沟道堆积体在被侵蚀△h深度时的静力平衡方程为：

式中，τf为沟道堆积体抗剪强度，沟道堆积物的粘聚力c忽略不计。

优选地，s10的泥石流浆体的粘滞系数计算公式为：

其中，γc为泥石流流体的容重，η为泥石流浆体的粘滞系数。

优选地，s11的在流深为h的情况下，泥石流沟道堆积物的侵蚀深度△h计算公式为：

式中，为直剪或三轴试验沟道堆积物内摩擦角，α为沟道边坡坡度。

优选地，基于流深的泥石流沟道物源侵蚀深度计算方法适用范围为，野外泥石流沟道中泥石流体对原始沟道堆积物所造成的最大侵蚀量的计算，进而用于确定泥石流防治工程最小基础埋深的设计，能够适应泥石流实际工程设计需要。

本发明基于流深的泥石流沟道物源侵蚀深度的计算方法的有益效果如下：

1.本发明将泥石流流深作为切入点，基于宾汉模型和抗剪强度理论，综合考虑沟床堆积物在流动剪应力和自重静压的双重作用力、以及边坡坡度α、泥石流体重度和粘滞系数等多重因素，详细分析了泥石流运动过程中的受力状态，能够更加准确的反应某段的侵蚀深度，为防治工程基础埋深的设计提供依据，适应实际工程需求。

2.本发明引入了常用的泥石流黏滞系数计算方法，避免了难以获取粘滞系数的问题，同时区别计算不同容重泥石流体的侵蚀深度，适用性更为广泛，而非仅限于粘性泥石流。

附图说明

图1为本发明基于流深的泥石流沟道物源侵蚀深度的计算方法的流程图。

图2为本发明基于流深的泥石流沟道物源侵蚀深度的计算方法的泥石流侵蚀变化示意图。

附图标记：1-基岩；2-泥石流体；3-沟道物源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于流深的泥石流沟道物源侵蚀深度的计算方法，包括以下步骤：

s1：通过现场取样实测，确定泥石流体容重γc，进而确定泥石流流体的重度γ；

s2：通过实际取样测取容重，确定原始沟床堆积物的重度γsat；

s3：获取沟道堆积物土样，确定直剪或三轴试验沟道堆积物内摩擦角

s4：通过现场调查，根据泥石流过流痕迹确定泥石流的流深h；

s5：通过现场测量获取沟道边坡坡度α，通过大比例尺地形图测量计算，确定沟道纵比降j；

s6：将泥石流体视为塑性流动体，利用宾汉模型表达其本构方程；

s7：计算泥石流剪应力τ1；

s8：在泥石流沟道物源堆积体在地表径流剪应力作用下，计算侵蚀达到深度△h时的应力状态；

s9：根据力学平衡条件，当泥石流驱动力等于运动阻力时，计算泥石流沟道堆积体在被侵蚀△h深度时的静力平衡方程；

s10：由于泥石流浆体的粘滞系数η反映了流体的流变特征，流体的流变特征随泥石流体浓度的增加而增加，计算泥石流浆体的粘滞系数；

s11：根据计算出的泥石流沟道堆积体在被侵蚀△h深度时的静力平衡方程、以及泥石流浆体的粘滞系数η，计算在流深为h的情况下，泥石流沟道堆积物的侵蚀深度△h。

本实施方案的s6的宾汉模型表达其本构方程，其表达式为

τb＝(γ-γw)hsinα

式中，τ1为泥石流剪应力，τb为泥石流浆体的屈服剪应力，η为泥石流的黏滞系数，v为泥石流的流速，h为泥石流流深，j为沟道纵比降，γ为泥石流体的重度，γw为水的重度＝10kn/m³。

本实施方案的s7的泥石流剪应力τ1的计算公式为：

式中，γ为泥石流体的重度，γw为水的重度，h为泥石流流深，△h为泥石流沟道堆积物的侵蚀深度，j为沟道纵比降，α为沟道边坡坡度，η为泥石流浆体的粘滞系数。

本实施方案的s8的侵蚀达到深度△h时的应力状态；

δ＝(γh+γsatδh)cosα

τ2＝(γh-10δh)sinα

式中，γ为泥石流体的重度，α为沟道边坡坡度，△h为泥石流沟道堆积物的侵蚀深度，h为泥石流流深,τ2为泥石流沟道物源堆积体在地表径流剪应力作用下的剪应力，δ为该状态下剪切破坏面上的正应力。

本实施方案的s9的泥石流沟道堆积体在被侵蚀△h深度时的静力平衡方程为：

式中，τf为沟道堆积体抗剪强度，沟道堆积物的粘聚力c忽略不计。

本实施方案的s10的泥石流浆体的粘滞系数计算公式为：

其中，γc为泥石流流体的容重，η为泥石流浆体的粘滞系数。

本实施方案的s11的在流深为h的情况下，泥石流沟道堆积物的侵蚀深度△h计算公式为：

式中，为直剪或三轴试验沟道堆积物内摩擦角，α为沟道边坡坡度。

本实施方案的基于流深的泥石流沟道物源侵蚀深度计算方法适用范围为，野外泥石流沟道中泥石流体对原始沟道堆积物所造成的最大侵蚀量的计算，进而用于确定泥石流防治工程最小基础埋深的设计，能够适应泥石流实际工程设计需要。

本实施方案在实施时，例一牛圈沟位于汶川县映秀镇南约2km处的岷江右岸。沟口坐标：北纬n31°02′44.1″，东经e103°28′27.5″，流域形态为扇形，流域纵向长度5.4km，平均宽度2.0km，流域面积10.7km²。受构造控制，流域分布不对称，左岸一侧较宽，右岸一侧较窄。流域最高点位于勘查区西侧，高程约2700m，最低点位于牛圈沟汇入岷江河口，高程858.3m，相对高差约1842m。主沟纵长6124m，平均宽度5.2m左右，相对高差1629m，主沟平均纵坡降266‰。沟道总体上下游较宽缓，向上游逐渐变窄变陡，局部宽窄相间、陡缓相间。汶川地震导致该沟产生了大量的崩滑体，为泥石流的活动提供了大量的松散物，导致震后爆发多次泥石流。其中，2010年“8.13”暴雨期间，牛圈沟爆发泥石流，物源启动量约13.03万方，冲出量约8.066万方，造成了沟内安置点道路和饮水工程的破坏，并堵塞了仅1/3的岷江河道。

选取1#跌水至2#跌水之间沟段为计算对象，获取该段相关参数，根据上述模型计算侵蚀深度，根据野外调查数据，对计算结果进行验证。计算方法步骤如下：

a1：通过现场取样实测，确定泥石流体容重γc＝1.759t/m³，进而确定泥石流流体的重度γ＝17.59kn/m³；通过实际取样测取容重，确定原始沟床堆积物的重度γsat＝18.87kn/m³；获取沟道堆积物土样，通过直剪或三轴试验沟道堆积物内摩擦角通过现场调查，根据泥石流过流痕迹确定泥石流的流深h＝0.8m；通过现场测量获取沟道边坡坡度α＝35°，通过大比例尺地形图测量计算，确定该段沟道纵比降j＝471(‰)。最后，将所得参数值代入公式，

计算得到泥石流沟道物源最大侵蚀深度△h＝2.02m，实测侵蚀深度为2.1m，误差仅为3.9％，可为防护工程设计提供参考。

例二，七盘沟泥石流沟位于汶川县城西南约5km处威州镇七盘沟村，岷江左岸，沟口地理坐标为东经103°32'40.49"，北纬31°26'39.19"。七盘沟泥石流沟流域面积达54.2km²，主沟长15.1km，海拔高度1300～4200m，相对高差约2900余米，主沟纵坡降192‰。支沟呈树枝状，沟道弯曲较多。2013年7月9日至7月11日8时，汶川县境内连降暴雨，导致汶川县七盘沟于2013年7月11日3时30分左右爆发，泥石流持续时间前后约1个半小时，本次泥石流一次性冲出固体物质达78.2万方，淤埋损坏都汶高速260m，损毁213国道445m，损坏乡村道路约15公里。

以本次泥石流为背景，选取七盘沟上游3#坝前沟段为计算对象，获取该段相关参数，根据上述模型计算侵蚀深度。计算方法步骤如下：

a2：通过现场取样实测，确定泥石流体容重γc＝1.796t/m³，进而确定泥石流流体的重度γ＝17.96kn/m³；通过实际取样测取容重，确定原始沟床堆积物的重度γsat＝19.12kn/m³；获取沟道堆积物土样，通过直剪或三轴试验沟道堆积物内摩擦角通过现场调查，根据泥石流过流痕迹确定泥石流的流深h＝2.2m；通过现场测量获取沟道边坡坡度α＝30°，通过大比例尺地形图测量计算，确定该段沟道纵比降j＝242(‰)。最后，将所得参数值代入公式，

计算得到泥石流沟道物源最大侵蚀深度△h＝1.12m，实测侵蚀深度为1.2m，误差仅为7.14％，可为防护工程设计提供参考。