本发明属于泥石流防治工程设计应用技术领域，特别涉及一种泥石流临界体积浓度的计算方法。
背景技术：
泥石流主要由水体和固体颗粒等固、液两相组成，即泥石流的体积浓度主要由泥石流体中固体颗粒的含量百分比及其固体颗粒级配等共同决定，且泥砂起动的最大固体颗粒计算公式和体积浓度与泥石流的容重关系，当泥石流的体积浓度c大于极限体积浓度cc时，则泥石流侵蚀沟道堆积物。因此，强震区泥石流的体积浓度特征是泥石流防治的研究重点。
泥石流的体积浓度变化特征与沟道纵比降，泥石流流速以及沟道的糙率等因素相关。泥石流体积浓度不仅反映了泥石流起动过程中的固体物质侵蚀特征，而且反映了冲蚀起动泥石流沟道堆积物的地表径流的流体性质。泥石流体积浓度也是泥石流容重的表针参数，泥石流动力学性质的主要参数之一。泥石流任意流深的体积浓度是不相同的，泥石流的体积浓度与其流深、流速呈连续函数关系。例如，2013年“7.10”特大暴雨期间，羊店1组后山坡面泥石流3条沟道均发生泥石流，通过现场配方法和查表法分别得到暴发过程中的泥石流体积浓度为58％和43.6％，通过黏粒百分含量和粗颗粒百分含量得到泥石流暴发过程中的体积浓度约为41.2％。2008年“9·26”洪灾和2010年“8·14”洪灾期间牛圈沟发生大规模泥石流，其中侵蚀的物源量分别为17.15×104m3和14.87×104m3，牛圈沟泥石流松散固体物源中以碎块石为主，通过现场配方法得到暴发过程中的泥石流体积浓度为47.3％，通过黏粒百分含量和粗颗粒百分含量得到的泥石流暴发过程中的体积浓度约为38.8％。
泥石流的体积浓度反映了泥石流流体的物理特征，泥石流固体颗粒含量反映了泥石流在起动、暴发过程中的流体浓度；现行的泥石流体积浓度主要通过室内实验和现场取样获取，其着重点在于研究泥石流固体颗粒在泥石流体中的百分含量特征。基于泥石流沟道断面参数和泥石流沟道堆积物物理性质的临界体积浓度模型能快速获取体积浓度参数，在震区泥石流防治的使用能高效、便捷的推广到设计单位和生产单位。
技术实现要素：
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种泥石流临界体积浓度的计算方法，解决强震区泥石流沟道堆积物起动过程中沟道纵比降和泥石流流深与泥石流临界体积浓度的关系，构建基于泥石流流深和沟道堆积物物理性质的泥石流临界体积浓度预测模型，并进行实例运用，为震区泥石流防治提供新方法，适用于泥石流防治实际工程的需要。
本发明技术的技术方案实现方式：一种泥石流临界体积浓度的计算方法，其特征在于：将震区泥石流的沟道特征和泥石流沟道堆积物的物理性质应用于震区泥石流起动过程的临界体积浓度预测，其具体计算方法如下：
a.通过获取震区泥石流沟道的参数，确定泥石流沟的沟道坡度α，泥石流沟道纵比降j，泥石流沟道堆积物容重γs，泥石流体中水的容重γw，泥石流沟道堆积物的内摩擦角θ，泥石流流深h，泥石流沟道的糙率系数n，泥石流的粘滞系数η；
b.通过以下公式确定震区泥石流起动时的临界体积浓度，单位％，
式中,α为泥石流沟的沟道坡度(°)，j为泥石流沟道纵比降(‰)，γs为泥石流沟道堆积物容重(kn/m3)，γw为泥石流体中水的容重(kn/m3)，θ为泥石流沟道堆积物的内摩擦角(°)，h为泥石流流深(m)，n为泥石流沟道的糙率系数，η为泥石流的粘滞系数(pa·s)；均由步骤a所确定。
本发明所述的泥石流临界体积浓度的计算方法，其所述步骤b中确定震区泥石流起动时的临界体积浓度的公式适用于震区泥石流起动过程中的临界体积浓度预测，将得到的泥石流体积浓度作为震区泥石流防治的最小泥石流体积浓度参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明突破传统经验的限制，从泥石流沟道纵比降、泥石流沟道宽度等多方面入手，构建了基于泥石流沟道参数的泥石流体积浓度计算模型。首先，在泥石流沟道纵比降方面，充分考虑震区泥石流沟道纵比降变化，利用泥石流沟道纵比降变化特征定量反映了震区泥石流地形坡度特征；其次，基于汶川震区泥石流沟道堆积物的物理性质，根据泥石流流体的受力平衡方程反映了震区泥石流沟道堆积物起动时的临界体积浓度与沟道横断面间的相互关系，计算理论完善，计算结果符合泥石流现场调查，能够为震区泥石流防治提供技术支持。
附图说明
图1是泥石流沟道堆积物受力分析示意图。
图中标号如下：△h为沟道堆积物任意侵蚀厚度，△l为堆积物任意侵蚀长度，h为泥石流堆积厚度，h为泥石流流深，α为泥石流沟道坡度，dn为堆积物所受支撑应力，dgy为泥石流固体颗粒的自重应力，dτ为堆积物所受剪应力。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
一种泥石流临界体积浓度的计算方法，其主要思路是：将震区泥石流的沟道特征和泥石流沟道堆积物的物理性质应用于震区泥石流起动过程的临界体积浓度预测。首选根据泥石流沟道堆积物的受力特征推导泥石流运动时的泥石流流深；再通过震区已暴发的泥石流沟的调查以及泥石流沟道特征参数的测量等手段确定泥石流流深、沟道坡度、沟道纵比降、泥石流沟道糙率系数、泥石流沟道堆积物内摩擦角；将所得参数带入震区泥石流临界体积浓度计算模型中，得到泥石流沟道堆积物起动时的体积浓度预测值。
其具体计算方法及步骤如下：
首先，根据泥石流沟道堆积物在地表径流中的受力平衡，分析泥石流沟道堆积物起动过程中的驱动力条件和阻力条件。假设震区泥石流沟道纵比降为j，沟道坡度为α，泥石流流深为h，泥石流沟道堆积物的内摩擦角θ，泥石流的粘滞系数η，泥石流沟道堆积物起动时的容重γs，泥石流体中水的容重γw。泥石流固体颗粒受到的自重应力、浮应力、黏滞力公式表示为基于震区泥石流的流深起动的临界条件可知，泥石流不同侵蚀厚度与泥石流的流深密切相关。震区泥石流沟道堆积物起动时的受力平衡公式表示为：
式中，α为泥石流沟的沟道坡度(°)，γ为泥石流沟道堆积物容重(kn/m3)，γw为泥石流体中水的容重(kn/m3)，泥石流饱和容重为γsat(kn/m3)，θ为泥石流沟道堆积物的内摩擦角(°)，h为泥石流流深(m),n为泥石流沟道的糙率系数，η为泥石流的粘滞系数(pa·s)，j为泥石流沟道纵比降(‰)。
然后，因为泥石流的沟道坡度和泥石流物源的内摩擦角均为定值，震区泥石流起动时的体积浓度的公式表示为：
式中，符号同上所示。
其中，所述步骤b中确定震区泥石流起动时的临界体积浓度的公式适用于震区泥石流起动过程中的临界体积浓度预测，将得到的泥石流体积浓度作为震区泥石流防治的最小泥石流体积浓度参数。
以下为本发明的具体实施例：
小岗剑流域汇水面积为0.61km2，形成流通区的沟道纵比降为506‰。根据小岗剑泥石流沟的流域遥感分析，流域整体坡度在平均坡度在30°以上，局部在50°以上。泥石流沟道坡度在平均坡度在30°以上，且泥石流流通区下游陡坎位置的坡度在50°以上。
为了有效的防治和治理泥石流，防止绵远河被堵塞威胁下游安全，根据泥石流沟道以及拦砂坝设计宽度等特征进行有效预测，具体计算方法及步骤如下：
a.根据小岗剑泥石流沟的野外调查和泥石流沟道参数测试，确定了小岗剑沟1#拦砂坝的平均泥深0.73m，泥石流沟道堆积物固体容重为26.6(kn/m3)，粘滞系数为1.005(pa·s)，泥石流纵比降483‰，糙率系数12，泥石流沟道堆积物的内摩擦角33°。
b.将a步骤确定的各参数代入下公式，
c.通过公式计算获取泥石流沟道堆积物起动过程中临界体积浓度为3.9％，则小岗剑泥石流1#拦砂坝防治工程位置泥石流沟道堆积物起动时的体积浓度为3.9％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。