基于黏性泥石流作用于坝体时冲击力的测算方法与流程

本发明涉及泥石流冲击力的计算方法，特别涉及一种泥石流在重力式拦砂坝设计过程中时需考虑的黏性泥石流冲击力的计算方法，属于泥石流防治技术领域。

背景技术：

泥石流是中国山区常见的地质灾害，发生时具有强大的冲击特性，破坏力极强。重力式拦砂坝是泥石流防治工程中最常见的防治措施，此类工程设计中，需要考虑泥石流冲压力的纵向分布情况，以便选择合理的荷载组合来对拦砂坝进行应力验算。

国内现行的规范暂时建议在泥石流拦砂坝等防治工程设计时，冲击荷载按均布荷载考虑，并没有考虑泥石流与拦砂坝作用后，冲起时产生的动荷载，这与实际情况有很大出入。实际上，现行的规范计算结果是偏小的，在荷载组合时，使得拦砂坝的稳定性验算结果偏小，并不利于拦砂坝的安全运行。

技术实现要素：

本发明针对现有拦砂坝工程设计时，并未考虑泥石流冲击动载荷而导致拦砂坝稳定性验算结果偏小的技术问题，在原有冲击力计算公式的基础上，构建了冲击力纵向分布系数λ，提供了一种充分考虑泥石流冲起时产生的动载荷冲击力计算方法。

本计算方法包括如下步骤：

⑴在野外现场选取建坝条件的断面，通过现场调查试验确定泥石流重γ，固体物质重度γs，泥石流泥深h，沟床坡度i以及沟床糙率系数n；

⑵根据泥石流灾害防治工程设计规范计算出泥石流流速vc：

⑶确定泥石流作用于坝体后的最大高度hmax，由下式反算求得：

dln(hmax/h)+b＝0

⑶构建泥石流冲击力纵向分布系数λ；

⑷修正泥石流冲击力计算公式；

f＝λkρvc²

以上式中：

f─泥石流冲击力，单位kpa；

γ─泥石流重度，单位kn/m³，通过野外现场调查试验确定；

γs─固体物质重度，单位kn/m³，通过野外现场调查试验确定；

h─泥石流泥深，单位m，通过野外现场调查试验确定；

i─沟床坡度，通过野外现场调查试验确定；

n─沟床糙率系数，通过野外现场调查试验确定；

─泥石流泥沙修正系数，由泥石流灾害防治工程设计规范中查表确定；

vc─泥石流流速，单位m/s；

hmax─泥石流冲起后作用于坝体的最大高度，单位m；

k─泥石流冲击力换算系数，取值范围为2.5～4.0，由野外现场调查试验确定；

ρ─为泥石流密度，单位为t/m³；

a─系数，取值范围为0.8～1.7，由野外现场调查试验修正确定；

b─系数，取值范围为0.5～1.5，由野外现场调查试验修正确定；

m─系数，由试验数据拟合确定，当r²＝0.8315时，m＝0.011ρ^4.78；

d─系数，由试验数据拟合确定，当r²＝0.804时，d＝-0.0072ρ^7.03；

r─拟合度。

所述的系数a及系数b主要通过现场调查试验确定，本式中优选的参数是取均值，即系数a的取值为1.13，系数b的取值为1.09。

本发明基于现有泥石流灾害防治工程设计规范中冲击力计算值偏小的问题，在现有设计规范的基础上及大量野外试验数据的基础上，通过数值模拟拟合，创建了符合泥石流实际工况冲击力的测算方法。该方法在测量及科学理论计算的基础上，创造性地引入了冲击力纵向分布系数λ，为今后泥石流冲击力的计算提供了强有力科学依据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明测算方法充分考虑泥石流与重力式拦砂坝的相互作用以及冲击力在拦砂坝上的纵向分布情况，摒弃规范中的均布荷的计算方法，创造性地加入了修正系数，使得泥石流冲击力计算结果的准确性远远超过现行规范的计算结果，实用性强。

附图说明

图1是本发明实施例示意图i；

图2是本发明实施例示意图ii。

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。

实施案例一

某泥石流沟位于甘肃白龙江左岸，流域面积约为3.58km²，主沟长度4.34km，沟道陡峭，相对高差可达1045m，沟道下切严重，呈典型的“v”型沟谷，而且当地降雨集中，物源丰富，有利于形成泥石流。据统计，该泥石流沟每年爆发2～3次黏性泥石流，严重威胁主要交通干道的畅通以及当地人民的财产安全，准备在该沟的泥石流流通区修建重力式拦砂坝，在计算荷载组合时，需要考虑泥石流冲击力对拦砂坝的影响。

步骤一：通过现场调查，测得该泥石流沟的平均纵比降为0.193；泥石流密度ρ为1.94t/m3，重度γ为19kn/m³,固体物质重度γs为27kn/m³；通过泥痕法测得泥石流泥深h为1.2m；泥石流沟床糙率系数n为0.036；

步骤二：根据规范建议计算泥石流流速vc。将野外调查的泥石流基本参数带入公式查表得泥沙修正系数取1.12，可得流速为：

步骤三：将密度ρ＝1.94t/m³带入下式,得：

m＝0.011×1.94^4.78＝0.26

d＝-0.0072×1.94^7.03＝-0.76

步骤四：系数a及系数b根据野外现场调查试验，取其平均值，即系数a的取值为1.13，系数b的取值为1.09；

步骤四：计算冲击力分布系数λ

步骤五：选取合适的泥石流冲击力换算系数k，考虑到安全性，本实施例中系数k取最大值4；

步骤六：计算泥石流与坝体作用时任意高度h的泥石流冲击力，参见图1。

实施案例二：

某泥石流沟位于大渡河左岸，流域面积约为3.27km²，主沟长度约为4.25km，相对高差达到1319m，沟内物源丰富，且该地区在雨季降雨非常丰富，且经常发生泥石流灾害。为防治泥石流堵河，拦截泥石流并稳固沟床，减轻泥石流灾害，保护区域基础设施建设和当地居民的生命财产安全，拟在泥石流流通区修建一座浆砌石实体重力坝。以降低泥石流动力，抬高侵蚀面，增加沟床稳定性，从而达到治理的效果，故需要计算泥石流冲击力的分布情况。具体计算步骤如下：

步骤一：通过现场调查，测得该泥石流沟的平均纵比降为0.264；泥石流密度ρ为2.08t/m³，重度γ为20.38kn/m³,固体物质重度γs为27kn/m³；通过泥痕法测得泥石流泥深h为1.6m；泥石流沟床糙率系数n为0.033；

步骤二：根据规范建议计算泥石流流速vc。将野外调查的泥石流基本参数带入公式，查表得泥沙修正系数取1.75，可得流速为：

步骤三：将泥石流密度ρ＝2.08t/m³带入下述公式，得：

m＝0.011×2.08^4.78＝0.36

d＝-0.0072×2.08^7.03＝-1.24

步骤四：系数a及系数b根据野外现场调查试验，取其平均值，即系数a的取值为1.13，系数b的取值为1.09；

步骤四：计算冲击力分布系数λ

步骤五：选取合适的泥石流冲击力换算系数k，考虑到安全性，本实施例中系数k取最大值4；

步骤六：计算泥石流与坝体作用时任意高度h的泥石流冲击力，参见图2。