降雨条件下泥石流物源动储量计算方法
【专利摘要】本发明涉及的是泥石流物源的动储量规模的计算方法，具体降雨条件下泥石流物源动储量计算方法，根据大量的野外调查和泥石流物源类型，建立物源破坏和转化的地质模型，采用现场原位人工降雨试验，揭示不同降雨条件下泥石流源区斜坡破坏转化为泥石流物源规模的相关性，从而建立降雨激发条件下泥石流物源的计算模型。该方法，提出了计算确定泥石流物源动储量总量，并在此基础上计算不同降雨激发条件下的泥石流物源动储量的计算方法，从而为解决泥石流沟拦挡坝库容和排导槽断面等地质勘查和工程设计的关键技术问题提供解决方案。
【专利说明】
降雨条件下泥石流物源动储量计算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是泥石流物源的动储量规模的计算方法，具体降雨条件下泥石流物 源动储量计算方法，属于山地灾害领域。
【背景技术】
[0002] 泥石流是山区一种由分选性很差的土石、水以及少量气体所构成的流体沿着斜坡 和沟谷向下流动的地质灾害，在泥石流灾害工程防治中，将地震灾区泥石流物源量的估算 分为泥石流的松散物质总量(静储量)和一次降雨过程中能够参与泥石流活动的松散物质 量(动储量）。泥石流物源动储量是泥石流工程防治中拦沙坝的库容设计、排导槽断面设计 和综合防治方案的基本参数和直接依据。泥石流沟流域内的降雨量大小是泥石流激发的决 定性因素。降雨条件下泥石流物源区坡面物源产生变化破坏进入泥石流沟道，从而为泥石 流提供动态物源。
[0003] 但是对于泥石流物源的计算和预测，学界对其破坏补给过程和动储量的预测无经 验和规范可借鉴，缺乏足够的科学依据，并且《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220- 2006)和《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)两个规范中均未对震后泥石流 的静储量和动储量进行解释，对动储量没有计算标准和方法，亦未明确泥石流的物源量是 受降雨条件的影响而变化的，导致在实际应用中泥石流动储量估算无方法可循，因此对泥 石流动储量估计不足，也无可靠方法可借鉴，特别是汶川地震后对降雨激发条件下泥石流 物源动储量的估算一直没有可以定量计算的适用方法。导致传统的泥石流物源计算方法不 能满足工程设计和预警预报的需要，泥石流防治工程失效的例子不胜枚举。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有泥石流物源计算方法上存在的空白和不足，针对地震后大量泥石 流物源类型的调查研究，建立破坏地质模型，基于现场原位人工降雨试验，解析累计降雨量 与泥石流物源的相关性，提供一种根据一定降雨频率或一次降雨过程的累计降雨量的资料 和数据，计算确定泥石流物源的动储量的计算方法，本发明能够实现通过泥石流的累计降 雨量来计算泥石流的动储量，从而为泥石流的勘察设计和工程防治提供关键参数，满足防 灾工程需要。
[0005] 为实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现的，一种降雨条件下泥石 流物源动储量计算方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤一:确定泥石流物源的动储量总量。
[0007] 计算泥石流物源的动储量可以通过两种不同的方法：
[0008] (1)经验公式法:根据对泥石流沟的地质勘察成果，根据泥石流物源的地貌形态、 破坏堆积范围、崩滑过程、岩土体物理力学参数等，确定泥石流沟道内总的崩塌滑坡松散堆 积物的总保有量和泥石流的动储量总量。
[0009] 也可以通过基于统计或类比法的经验公式计算泥石流物源的动储量总量。
[0010] 根据对研究区多条泥石流沟道的统计，确定泥石流物源动储量的总量与松散物源 总保有量的关系：
[0011] Vo = aV-b (公式 1)
[0012] 式中：V〇为泥石流物源动储量总量（l〇V) ;V-松散堆积物的总保有量（l〇V) ;a，b 为统计数据拟合的模型系数。
[0013] (2)调查图解法:根据现场调查和测量泥石流沟道典型断面内物源的形态，堆积厚 度和堆积长度等指标，结合泥石流等启动模式，也可采用几何图形解析方法，建立近似的泥 石流动储量统计模型对总动储量进行计算。在实际应用中，可以将泥石流形成区物源勘查 结果，按图解法分别对泥石流流域内不同侵蚀沟道物源体先进行逐一统计，然后迭加获得 全流域泥石流动储量总量。
[0014] 步骤二：确定一次降雨过程中累计降雨量和泥石流物源动储量的关系，建立基于 累计雨量的动储量计算模型。
[0015] (1)现场物理模型试验:针对野外现场调查和监测数据无法监测泥石流物源体在 一定降雨条件下的变形破坏规模的不足，因此必要利用物理模型试验的方法，对不同降雨 强度、累计降雨量条件下的典型泥石流物源的变形破坏机制进行模拟试验研究，试验采用 人工降雨机模拟实际降雨量，利用高清摄象机录制的试验全过程，每次降雨和泥石流物源 的变形破坏后对破坏的岸坡剖面进行测量，从而确定降雨强度，累计降雨量和降雨激发条 件下泥石流物源破坏的动储量之间的关系。
[0016] 现场试验的优点是可以限度的避免模型试验的相似性问题和粒径效应等问题，现 场试验能够最大限度的接近灾害实体和实际情况。
[0017] (2)试验资料分析及补充实验:将上述试验中的资料数据进行整理分析，分析累计 降雨激发条件下泥石流物源体变形破坏过程、规模，对比分析每次破坏破坏时的累计雨量 和岸坡物源破坏规模等数据，为后续的理论分析和模型的建立奠定基础。资料整理分析后 如发现不足，需进行补充实验。
[0018] (3)建立动储量计算模型：综合运用工程地质学、土力学、统计学等理论方法对降 雨激发条件下泥石流物源体变形破坏过程及机理进行综合分析。结合模型试验中多次物源 破坏启动过程中实测降雨数据和现场测量数据，建立不同降雨条件下和泥石流物源动储量 的关系t吴型。
[0019] 对实测的特征断面降雨条件下发生渐进式破坏的累计破坏面积和相应的累计降 雨量数据进行统计分析，得到降雨激发条件和泥石流物源破坏的动储量之间的关系模型：
[0020] KR = 0.089*ln(P)-0.319，R2 = 0.953 (公式 2)
[0021] 式中：KR-降雨条件下泥石流动储量累计破坏比例（％ );P_累计降雨量;并根据上 述方程推导出不同降雨条件下泥石流物源破坏规模的关系模型：
[0022] Vr = Kr*Vo (公式3)
[0023] 式中:KR-降雨条件下泥石流物源动储量累计破坏比例（％ ) ;VR_降雨条件下泥石流 动储量累计破坏体积;Vo-泥石流物源动储量总量。
[0024] 步骤三:结合降雨激发条件和泥石流物源破坏的动储量之间的关系模型、不同降 雨条件下泥石流物源破坏规模的关系模型、泥石流物源动储量总量和不同的累计降雨工况 P，开展不同降雨条件下泥石流物源动储量计算和预测。
[0025] 结合泥石流可能起动的动储量总量Vo,以及激发泥石流的一次降雨过程的降雨量 斜体，根据降雨激发条件和泥石流物源破坏的动储量之间的关系模型、不同降雨条件下泥 石流物源破坏规模的关系模型，可计算不同降雨激发条件下一次爆发泥石流的动储量规模 Vr。计算结果与泥石流历史爆发记录进行比较，必要时可对模型进行修正。
[0026] 本发明提供的降雨条件下泥石流物源动储量计算方法，在确定泥石流物源动储量 总量的基础上，根据在汶川地震灾区典型泥石流物源现场开展人工降雨试验，确定一次降 雨过程中泥石流物源的补给规模和转化过程，根据现场试验的实测结果建立不同降雨条件 下泥石流物源的计算模型;具体实施过程中可根据本发明提出的计算模型来直接对不同降 雨量条件下可起动的泥石流物源动储量进行计算；也可根据本发明的思路和试验步骤方 法，在拟研究的泥石流物源区开展试验，根据本发明提出的试验方法重新建立计算模型。
[0027] 本发明提供的降雨条件下泥石流物源动储量计算方法，提出了计算确定泥石流物 源动储量总量，并在此基础上计算不同降雨激发条件下的泥石流物源动储量的计算方法， 从而为解决泥石流沟拦挡坝库容和排导槽断面等地质勘查和工程设计的关键技术问题提 供解决方案，本发明为通过预测泥石流物源有效动储量提供了可行的技术手段，可为泥石 流灾害工程防治提供科学依据。
【附图说明】
[0028] 下面结合附图和【具体实施方式】来详细说明本发明；
[0029] 图1为本发明的方法流程图；
[0030] 图2为实施例中下蚀型泥石流物源图解计算模型；
[0031 ]图3为实施例中侧蚀型泥石流物源图解计算模型；
[0032]图4为实施例的现场原位人工降雨试验模型结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。具体流程见图1。
[0034]都江堰红色村干沟泥石流位于汶川地震极震区都江堰市白沙河流域，为典型地震 后的泥石流，红色村干沟泥石流沟流域面积约1.12km2(至下游白沙河），主沟全长1.972km， 标高1773-920m。所在沟谷平面形态呈V-U字型；沟底标高1640-1150m，相对高差490m，沟谷 两侧山坡坡度一般30-40°，沟谷呈整体上陡下缓特征，沟谷总体坡降398.07%。左右。其中， 上游形成区沟谷长约1121m，平均纵坡降530.78%。；流通区沟长约219m，平均纵坡降 2 7 3.9 7 %。；堆积区沟长约6 3 2 m，坡降约2 0 5.7 0 %。。该泥石流沟沟口以上汇水面积约 0.859km2，沟口以下堆积区面积0.261km2。根据调查，2009年7月17日红色村一带普降大暴 雨，暴雨历时近两个小时，累计降雨量约219mm，凌晨5点左右发生泥石流，历时约150分钟， 流速约为3.5m/s。
[0035]步骤一:确定泥石流物源的动储量总量。
[0036] 1)统计法计算动储量
[0037] 通过采集了地震灾区44处泥石流物源样本，采用松散堆积物的总保有量与动储量 进行相关性统计。计算动储量总量与松散物质总保有量的比例关系：
[0038] V〇 = 0.428V-ll. 014,R2 = 0.8479 (公式 4)
[0039] 式中:Vo为泥石流物源动储量总量(104m3) ;V-松散堆积物的总保有量(l〇V)根据 "都江堰市虹口乡红色村干沟泥石流应急勘查报告"的调查成果，都江堰红色村松散物总保 有量为35.24 X 104m3，。下面根据本研究提出的统计法模型，通过总的松散物质总保有量，来 计算泥石流可启动的动储量规模。
[0040] 根据前面统计法提出的公式4,可计算在通过调查得知总的松散物质储量为35.24 X 104m3时，干沟泥石流可启动物源的动储量占总储量的17.74%，因此可的干沟泥石流可启 动的物源动储量为6.25 X 104m3。
[0041 ] 2)图解法计算动储量
[0042]根据发明人在汶川地震灾区的大量调查，通过耦合泥石流物源动储量在下蚀和侧 蚀过程中的破坏规模，建立如图2和图3的图解计算模型：
[0043]①下蚀型泥石流动储量
[0044]沟谷坡面堆积体在洪水下蚀作用下产生破坏并转化为泥石流物源，将泥石流沟道 岸坡概化成三角形A cod的形态，该区的面积为：
[0046] 式中：Θ为斜坡自然休止角、c〇 = h为原沟床深度。
[0047] 根据上式，可得总动储量体积为：
[0048] Voi= Δ cod X Li (公式6)
[0049] 式中:V(n为下切侵蚀型动储量为沟床堆积体长度。
[0050] ②侧蚀型泥石流动储量
[0051] 沟谷坡面堆积体在洪水侧蚀作用下产生破坏并转化为泥石流物源，将泥石流沟道 岸坡概化成三角形A C2〇d的形态，该区的面积为：
[0053] 式中：Θ-斜坡自然休止角、α-实测堆积坡角、φ-崩积体与自然休止角夹角、C20 =1为实测坡面长度。
[0054] 根据上式，可得总动储量体积为：
[0055] V〇2= A c2〇dXL2 (公式8)
[0056] 式中：VQ2-侧缘侵蚀型动储量、L2-沟道堆积体长度。
[0057] 按图解法分别对泥石流流域内不同侵蚀沟道物源体先进行逐一统计，然后迭加获 得全流域泥石流动储量总量：
[0059] 式中：Vo-全流域泥石流动储量总量，V〇i-流域内不同侵蚀沟泥石流动储量。
[0060] 基于统计法和图解法的震后泥石流物源动储量总量的估算方法，经过现场调查对 比检验，两种方法基本能够满足防治工程设计需要。
[0061] 本研究根据对地震灾区44处泥石流沟的现场调查和测量，可采用几何图形解析方 法，根据对都江堰红色村干沟泥石流现场调查和测量断面所得到的参数，根据图解法计算 干沟泥石流的动储量总量(表1)。
[0062]表1干沟泥石流沟道松散堆积物物源动储量计算表
[0064] 综合统计法和图解法两种方法的计算结果:统计法计算得到的干沟泥石流动储量 总量为6.25 X 104m3;图解法计算得到的干沟泥石流动储量总量为6.02 X 104m3，图解法和统 计法计算得到的结果比较一致。
[0065] 步骤二：确定一次降雨过程中累计降雨量和泥石流物源动储量的关系，建立基于 累计雨量的动储量计算模型。
[0066] 本发明实验装置主要包括:人工降雨系统、摄像记录系统、现场测量系统几个部分 组成，见图4。
[0067] 1)模型试验场地
[0068]模型实验为现场原位试验，本实验选址为都江堰干沟泥石流右侧塔子坪滑坡体的 一部分，选择典型泥石流物源沟道的断面，开展人工降雨诱发物源失稳破坏模型试验，试验 过程中前缘破坏后改变坡面临空面，后续试验可以在试验场地前缘根据典型沟道的长度和 坡度，进行开挖和整理来模拟干沟沟道内沟道断面的地形和坡度。
[0069] 2)人工降雨设备
[0070] 采用Norton Veejet 80-100型人工模拟降雨机，人工模拟降雨机为四喷头无碎流 板型槽式人工模拟降雨机，该机器是美国普渡大学国家土壤侵蚀实验室的产品，已经在国 外广泛应用，并且工艺成熟，性能较好且运行稳定，能够满足试验中长时间，变雨强的模拟， 降雨机器架设高度仅为2.6m，可以有效的避免风的干扰。降雨面积为矩形，降雨范围尺寸为 4000mmX 1500mm(长X宽）。国内对于人工降雨试验在土壤侵蚀、气象研究等领域进行过比 较多，但是对于用于滑坡和地质灾害模型试验的专门人工降雨设备却非常少见。
[0071 ] 3)数据采集及测量系统
[0072]本发明采用现场原位降雨模型试验，目的是揭示一次降雨量和降雨过程同泥石流 物源破坏转化的关系，因此本【具体实施方式】的参数量测及分析包括：
[0073]①降雨量数据采集
[0074] 采用全自动雨量计，对试验过程中的降雨量进行实时监测，且可通过无线实现近 距离显示、人工置数设备配置及实时数据采集存储，数据还可以直接通过GPRS传输通道传 输至山地所监测系统平台。
[0075]②物源动储量测量
[0076] 降雨条件下物源开始沿着岸坡发生失稳滑塌破坏，其破坏规模等同于一次降雨过 程泥石流物源的动储量，本发明可以用三种方法对试验中的物源动储量开展测量：
[0077] 方法一：可直接测量地表布设的标记测点记录破坏过程中坡体表面位移的变化 量；
[0078] 方法二:用划分网格的方法对坡体变化过程中位移变化量和破坏规模进行量测；
[0079] 方法三:结合摄像机记录的坡体破会过程测定观察面内任意点在任意时刻的位移 和破坏规模。
[0080] ③资料分析整理
[0081] 对实验数据进行整理，对现场人工降雨条件下泥石流物源破坏时的降雨量和物源 破坏规模进行统计分析，结合野外典型泥石流沟的调查资料和降雨统计数据，揭示一次降 雨过程和降雨量同泥石流物源断面的物源破坏规模之间的关系，初步建立基于累计雨量的 动储量计算模型。
[0082] 本【具体实施方式】的试验方法:现场试验在泥石流现场典型沟道断面开展，进行降 雨条件下物源变形破坏的现场原位试验，揭示典型泥石流物源断面变形破坏与降雨量之间 的动态变化规律，建立基于累计雨量的动储量计算模型。
[0083] 步骤三:降雨条件下泥石流物源动储量计算
[0084]以2010年8月13日降雨过程为例，"8.13"洪灾降累计降雨229mm，干沟发生小规模 泥石流，灾后调查统计，泥石流固体物质冲出量约500m3。根据物理模型试验得到的降雨量 与破坏体积的关系，即公式2和公式3:
[0085] KR = 0.089*ln(229)-0.319 = 0.1646
[0086] Vr = Kr*Vo = 0.1646*3248 = 534.6m3
[0087] 此结果与地质调查部门在8.13后调查泥石流沟灾情现场调查泥石流固体物质冲 出量数据500m 3基本一致。
【主权项】
1. 降雨条件下泥石流物源动储量计算方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一:确定泥石流物源的动储量总量； 步骤二：确定一次降雨过程中累计降雨量和泥石流物源动储量的关系，建立基于累计 雨量的动储量计算模型： (1) 现场物理模型试验:试验采用人工降雨机模拟实际降雨量，利用高清摄象机录制的 试验全过程，每次降雨和泥石流物源的变形破坏后对破坏的岸坡剖面进行测量，确定降雨 激发条件和泥石流物源破坏的动储量之间的关系模型： KR = 0.089*ln(P)-0.319，R2 = 0.953 公式 2 式中:KR-降雨条件下泥石流动储量累计破坏比例，％ ;P_累计降雨量； (2) 试验资料分析及补充实验:将上述试验中的资料数据进行整理分析，揭示一次降雨 过程和降雨量同泥石流物源断面的物源破坏规模之间的关系； (3) 建立动储量计算模型：对降雨激发条件下泥石流物源体变形破坏过程及机理进行 综合分析，建立不同降雨条件下泥石流物源破坏规模的关系模型： Vr = Kr*Vo 公式 3 式中：KR-降雨条件下泥石流物源动储量累计破坏比例，％ ;VR_降雨条件下泥石流动储 量累计破坏体积;Vo-泥石流物源动储量总量； 步骤三:结合降雨激发条件和泥石流物源破坏的动储量之间的关系模型、不同降雨条 件下泥石流物源破坏规模的关系模型、泥石流物源动储量总量和不同的累计降雨工况，开 展不同降雨条件下泥石流物源动储量计算和预测。2. 根据权利要求1所述的降雨条件下泥石流物源动储量计算方法，其特征在于，步骤一 中，所述的计算泥石流物源的动储量总量通过经验公式法得到： 根据对泥石流沟的地质勘察崩塌滑坡松散堆积物的总保有量和泥石流的动储量总量 成果数据； 或者，通过基于统计或类比法的经验公式计算泥石流物源的动储量总量:通过对研究 区典型泥石流沟道的调查，根据获取的典型泥石流沟道的统计数据，分析拟合出基于松散 物质总保有量同泥石流物源动储量的关系模型，来对泥石流物源动储量总量Vo进行计算。3. 根据权利要求1所述的降雨条件下泥石流物源动储量计算方法，其特征在于，步骤一 中，所述的计算泥石流物源的动储量总量通过调查图解法得到： 分别根据下蚀型物源VQ1和侧蚀型V〇2泥石流物源典型破坏模式，建立地质模型，通过地 质模型图解法，提出典型泥石流物源断面的动储量规模计算方法;然后再综合泥石流全流 域沟道的动储量规模，来计算泥石流物源动储量总量Vo。4. 根据权利要求1所述的降雨条件下泥石流物源动储量计算方法，其特征在于，步骤二 中（1)所述的现场物理模型试验，具体试验方法为:采用沟道内泥石流物源的现场试验，选 择典型泥石流物源沟道的断面，开展人工降雨诱发物源失稳破坏模型试验，人工降雨设备 采用Norton Veejet 80100型人工模拟降雨机;采用全自动雨量计，对试验过程中的降雨量 进行实时监测，利用高清摄象机录制的试验全过程获得丰富的物源变形直至破坏的完整过 程，从而深入研究降雨条件下物源开始沿着岸坡发生失稳滑塌破坏，其破坏规模等同于一 次降雨过程泥石流物源的动储量。5. 根据权利要求1所述的降雨条件下泥石流物源动储量计算方法，其特征在于，步骤二 中（2)所述的试验资料分析及补充实验，具体方法为:通过对现场试验数据的统计分析，理 论分析并结合实地调查，揭示一次降雨过程和降雨量同泥石流物源断面的物源破坏规模之 间的关系，建立降雨激发条件和泥石流物源破坏的动储量之间的关系模型；资料整理分析 后如发现不足，需进行补充实验。6.根据权利要求1所述的降雨条件下泥石流物源动储量计算方法，其特征在于，步骤二 中（3)中所述的建立动储量计算模型具体方法为:对不同降雨激发条件下泥石流物源体变 形破坏过程及机理进行综合分析;通过不同累计降雨条件下泥石流物源启动的规模，建立 不同降雨条件下泥石流物源破坏规模的计算公式。
【文档编号】G06F17/50GK105868442SQ201610170217
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】杨宗佶, 丁朋朋, 乔建平, 黄栋, 田宏岭, 王萌
【申请人】中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所