本發(fā)明涉及到泥石流防治工程技術領域，尤其涉及一種泥石流攔砂壩后回淤坡度的計算方法及應用。
背景技術：
泥石流是指在山區(qū)或者其他溝谷深壑，地形險峻的地區(qū)，因為暴雨、暴雪或其他自然災害引發(fā)的山體滑坡并攜帶有大量泥沙以及石塊的洪流。它的面積、體積和流量都較大，而滑坡是經(jīng)稀釋土質(zhì)山體小面積的區(qū)域，典型的泥石流由懸浮著粗大固體碎屑物并富含粉砂及粘土的粘稠泥漿組成。在適當?shù)牡匦螚l件下，大量的水體浸透流水山坡或溝床中的固體堆積物質(zhì)，使其穩(wěn)定性降低，飽含水分的固體堆積物質(zhì)在自身重力作用下發(fā)生運動，就形成了泥石流。泥石流是一種災害性的地質(zhì)現(xiàn)象。通常泥石流爆發(fā)突然、來勢兇猛，可攜帶巨大的石塊。因其高速前進，具有強大的能量，因而破壞性極大。
我國是一個山區(qū)面積占總國土面積達70%的多山國家，泥石流溝分布廣泛，并且災害嚴重。泥石流防治工程作為泥石流防災減災的主要措施之一，特別是對城鎮(zhèn)、交通干線等重要地點的保護尤為重要。攔砂壩是建在泥石流形成區(qū)-流通區(qū)內(nèi)的一種橫斷溝床的人工建筑物，是防治泥石流最具重要性和有效性的工程建筑物之一。因其可攔蓄山洪或泥石流中的泥沙(包括塊石)，抬高壩址處的侵蝕基準，減緩壩上游溝床坡降和減少崩塌滑坡等特點，被廣泛應用于泥石流防治工程。
攔砂壩的一個重要參數(shù)就是庫容，泥石流回淤坡度是攔砂壩設計的一項很重要的參數(shù)，直接影響攔截庫容和工程效益。
目前，國內(nèi)外學者對泥石流在攔砂壩后的研究主要集中于室內(nèi)模型實驗研究，沒有深入研究其內(nèi)在機理（人民長江，2013，09:63-66；）粗略地研究了粘性泥石流的回淤坡度與底坡和壩高的關系，忽略了屈服應力對于回淤坡度影響最重要的因素，存在重大缺陷，并且未給出具體的計算式。（巖石力學與工程學報，2011，11: 2338-2345；防災減災工程學報，2005，9；258-264)研究成果很難用于其他區(qū)域，但大多集中于定性研究和描述單一因素的影響，很少有定量的計算方法，基本沒有考慮無量綱，因此均不能應用于野外實際工程。
公開號為CN 103276687A，公開日為2013年09月04日的中國專利文獻公開了一種攔砂壩后泥石流回淤形態(tài)測算方法，其特征在于：所述攔砂壩后泥石流回淤形態(tài)測算方法的步驟如下：A、通過現(xiàn)場調(diào)查測量，確定土體體積比CV；通過室內(nèi)土工實驗，確定泥石流體中土粒密度ρs，單位g/cm3；通過室內(nèi)土工實驗，確定密度參數(shù)ρy，單位g/cm3；通過土工三軸實驗，確定泥石流體中松散土的內(nèi)摩擦角φs，單位度；通過室內(nèi)顆分實驗，確定泥石流體中粒徑≤0.05mm的粘土和粉土顆粒所占的重量百分比Pc；確定泥石流體內(nèi)摩擦角單位度；B、通過大比例尺地形圖測量計算，確定泥石流溝的溝道坡度θ，單位度；C、確定攔砂壩后泥石流回淤形態(tài)。
該專利文獻公開的攔砂壩后泥石流回淤形態(tài)測算方法，沒有考慮到泥石流的屈服應力和容重對回淤坡度的影響，致使整個回淤形態(tài)測算準確度低，不適用于野外大尺度的實際計算，不能給攔砂壩提供重要數(shù)據(jù)參考，進而導致泥石流防治效果較差。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種泥石流攔砂壩后回淤坡度的計算方法及應用，本發(fā)明通過室內(nèi)試驗獲得相關數(shù)據(jù)并進行量綱分析處理，確定影響回淤坡度的重要影響因素，得出精確的回淤坡度計算模型，適用于野外大尺度的實際計算，能夠給攔砂壩提供重要的數(shù)據(jù)參考，極大的提高了泥石流防治效果。
本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn)：
一種泥石流攔砂壩后回淤坡度的計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
a、通過現(xiàn)場調(diào)查確定泥石流的屈服應力τ，單位pa，泥石流容重p，單位kg/m3，泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90，單位m；
b、將泥石流的屈服應力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90代入式1，確定無量綱化的屈服應力*；
（式1）
式1中，g為重力加速度，g=9.8m/s2；
c、建立回淤坡度計算模型，將步驟b得到的無量綱化的屈服應力*代入回淤坡度計算模型式2中，確定坡度因子S，單位度；
（式2）
d、將坡度因子S代入式3確定泥石流在攔砂壩后的回淤坡度α，單位度；
（式3）。
本發(fā)明，適用于計算稀性泥石流和粘性泥石流在攔砂壩后的回淤坡度。
本發(fā)明，適用于計算攔砂壩庫容。
本發(fā)明的原理：
泥石流在攔砂壩后的淤積坡度決定了攔砂壩的攔砂效果。當泥石流回淤坡度較小時，泥石流在攔砂壩后的淤積表面平緩，表面到達原來的溝床底部位于很近的位置，回淤的距離短，攔截泥沙量小，攔截效益低。
相反地，當泥石流回淤坡度較大時，泥石流在攔砂壩后的淤積表面較陡，表面到達原來的溝床底部位于較遠的位置，回淤的距離長，攔截泥沙量大，攔截效益高。
無量綱化的屈服應力是攔砂壩后回淤坡度的一個重大影響因素。
泥石流的屈服應力越大，代表泥石流的粘性越強，泥石流的淤積厚度越大，在攔砂壩后的淤積厚度越大，相對于攔砂壩的高度不變，在壩后的泥石流淤積厚度越大，泥石流表面到壩頂位置的坡度越大，泥石流在壩后的回淤坡度越大。
泥石流中的粗顆粒越大，在攔擋壩中的沉降越快，攔擋壩中的泥石流表面的粗顆粒越少，泥石流容重越來越小，泥石流的屈服應力越來越小，回淤坡度越小。
重力加速度是一個常數(shù)；泥石流的容重的變化幅度范圍較小，一般地，容重越大，泥石流的屈服應力也越大，泥石流回淤坡度越大。但屈服應力增長的幅度遠大于容重的增長幅度。
無量綱化的屈服應力，反映了泥石流的特征與泥石流在攔砂壩后的回淤坡度關系：無量綱化的屈服應力越大，泥石流在攔砂壩后的回淤坡度也越大。式2反映了泥石流的特征與攔砂壩后的回淤坡度關系。
最后，通過式3，可以計算出泥石流在攔砂壩后的回淤坡度。
本發(fā)明公式使用的參數(shù)均經(jīng)過無量綱處理，可以較好的避免因為單位數(shù)量級差距帶來的誤差，可以較好的適用于野外情況。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在以下方面：
一、本發(fā)明，a、通過調(diào)查確定泥石流的屈服應力τ，泥石流容重p，泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90，b、通過泥石流的屈服應力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90確定無量綱化的屈服應力*；c、建立回淤坡度計算模型，將步驟b得到的無量綱化的屈服應力*代入回淤坡度計算模型式2中，確定坡度因子S，單位度；d、將坡度因子S代入式3確定泥石流在攔砂壩后的回淤坡度α，單位度；a-d步驟構成一個完整的技術方案，針對泥石流在攔砂壩后的回淤坡度，通過室內(nèi)試驗獲得相關數(shù)據(jù)進行研究，并且進行量綱分析處理，排除影響回淤坡度極小的因素：壩高與底坡坡度；確定重要影響因素：泥石流的屈服應力τ，泥石流容重p和D90，擬合出精確的計算式，開創(chuàng)性的建立了泥石流在攔砂壩后的回淤坡度計算模型，對于稀性泥石流和粘性泥石流均有較強的適用性；對于泥石流在攔砂壩后的回淤坡度的計算考慮了量綱和諧這一基本原理，因此計算方法適用于野外大尺度的實際計算，能夠給攔砂壩提供重要的數(shù)據(jù)參考，極大的提高了泥石流防治效果。
二、本發(fā)明，適用于計算稀性泥石流和粘性泥石流在攔砂壩后的回淤坡度，通過回淤坡度計算模型計算得到的回淤坡度，準確度高，能夠給攔砂壩提供重要的數(shù)據(jù)參考，從而能夠有效提高泥石流防治效果。
三、本發(fā)明，可以根據(jù)泥石流在攔砂壩后的回淤坡度，計算出泥石流的回淤長度，進而計算出攔砂壩庫容，本發(fā)明可以為攔砂壩的效益計算提供依據(jù)，為攔砂壩設計提供依據(jù)：準確地計算泥石流回淤坡度及長度，可以準確地計算出攔砂壩的庫容量，避免浪費庫容或庫容不足引起的泥石流防治工程失效，極大的提高了泥石流防治效果。
具體實施方式
實施例1
一種泥石流攔砂壩后回淤坡度的計算方法，包括以下步驟：
a、通過現(xiàn)場調(diào)查確定泥石流的屈服應力τ，單位pa，泥石流容重p，單位kg/m3，泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90，單位m；
b、將泥石流的屈服應力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90代入式1，確定無量綱化的屈服應力*；
（式1）
式1中，g為重力加速度，g=9.8m/s2；
c、建立回淤坡度計算模型，將步驟b得到的無量綱化的屈服應力*代入回淤坡度計算模型式2中，確定坡度因子S，單位度；
（式2）
d、將坡度因子S代入式3確定泥石流在攔砂壩后的回淤坡度α，單位度；
（式3）。
針對泥石流在攔砂壩后的回淤坡度，通過室內(nèi)試驗獲得相關數(shù)據(jù)進行研究，并且進行量綱分析處理，排除影響回淤坡度極小的因素：壩高與底坡坡度；確定重要影響因素：泥石流的屈服應力τ，泥石流容重ρ和D90，擬合出精確的計算式，開創(chuàng)性的建立了泥石流在攔砂壩后的回淤坡度計算模型，對于稀性泥石流和粘性泥石流均有較強的適用性；對于泥石流在攔砂壩后的回淤坡度的計算考慮了量綱和諧這一基本原理，因此計算方法適用于野外大尺度的實際計算，能夠給攔砂壩提供重要的數(shù)據(jù)參考，極大的提高了泥石流防治效果。
實施例2
一種泥石流攔砂壩后回淤坡度的計算方法，包括以下步驟：
a、通過現(xiàn)場調(diào)查確定泥石流的屈服應力τ，單位pa，泥石流容重p，單位kg/m3，泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90，單位m；
b、將泥石流的屈服應力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90代入式1，確定無量綱化的屈服應力*；
（式1）
式1中，g為重力加速度，g=9.8m/s2；
c、建立回淤坡度計算模型，將步驟b得到的無量綱化的屈服應力*代入回淤坡度計算模型式2中，確定坡度因子S，單位度；
（式2）
d、將坡度因子S代入式3確定泥石流在攔砂壩后的回淤坡度α，單位度；
（式3）。
本發(fā)明，適用于計算稀性泥石流和粘性泥石流在攔砂壩后的回淤坡度。
通過回淤坡度計算模型計算得到的回淤坡度，準確度高，能夠給攔砂壩提供重要的數(shù)據(jù)參考，從而能夠有效提高泥石流防治效果。
實施例3
一種泥石流攔砂壩后回淤坡度的計算方法，包括以下步驟：
a、通過現(xiàn)場調(diào)查確定泥石流的屈服應力τ，單位pa，泥石流容重p，單位kg/m3，泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90，單位m；
b、將泥石流的屈服應力τ、泥石流容重ρ和泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90代入式1，確定無量綱化的屈服應力*；
（式1）
式1中，g為重力加速度，g=9.8m/s2；
c、建立回淤坡度計算模型，將步驟b得到的無量綱化的屈服應力*代入回淤坡度計算模型式2中，確定坡度因子S，單位度；
（式2）
d、將坡度因子S代入式3確定泥石流在攔砂壩后的回淤坡度α，單位度；
（式3）。
本發(fā)明，適用于計算攔砂壩庫容。
可以根據(jù)泥石流在攔砂壩后的回淤坡度，計算出泥石流的回淤長度，進而計算出攔砂壩庫容，本發(fā)明可以為攔砂壩的效益計算提供依據(jù)，為攔砂壩設計提供依據(jù)：準確地計算泥石流回淤坡度及長度，可以準確地計算出攔砂壩的庫容量，避免浪費庫容或庫容不足引起的泥石流防治工程失效，極大的提高了泥石流防治效果。
采用本發(fā)明回淤坡度計算方法對雅安市石棉縣草科鄉(xiāng)陰山溝進行分析：
雅安市石棉縣草科鄉(xiāng)陰山溝，溝口坐標為102°04′19.02″E，29°22′38.47″N，流域面積0.64 km2，溝長為1.6 km，溝床縱比降為670‰。該地區(qū)年平均降雨量為1200.9 mm，在有較大降雨時可能發(fā)生泥石流災害。陰山溝于2008年7月爆發(fā)泥石流，之后進行災害治理，修建了攔砂壩；2012年7月14日，在連續(xù)強降雨作用下，陰山溝再次爆發(fā)泥石流，故選用此次進行舉例說明。通過現(xiàn)場調(diào)查，測出此次泥石流容重ρ為2.1 kg/m3，泥石流的屈服應力τ為5000 pa，泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90為0.2 m；通過式1可計算出無量綱化的屈服應力*=1.21，再通過式2可計算出坡度因子S=0.080。
而野外實際調(diào)查陰山溝攔砂壩S=0.087，計算準確度為92%，證明采用本方法計算精確度極高。
采用本發(fā)明回淤坡度計算方法對云南東川大橋河渾2好攔砂壩進行分析：
云南東川大橋河泥石流治理工程在1975年完成，在最上游的攔砂壩渾2號壩的回淤坡度在5.8%-6.9%之間（泥石流防治指南，科學出版社，1991）。1977年8月1日在大橋河支溝渾水溝發(fā)生泥石流，泥石流容重ρ為2.17 kg/m3，泥石流的屈服應力τ為7000 pa，泥石流中小于粒徑的累計百分含量為90%所對應的粒徑D90為0.5 m（云南小江泥石流綜合考察與防治規(guī)劃研究，科學技術出版社重慶分社，1987）；通過式1計算無量綱化的屈服應力*=0.66，再通過式2可計算出坡度因子S=0.066。
大橋河渾2號攔砂壩后回淤坡度在5.8%-6.9%之間，計算的回淤坡度為6.6%，證明采用本方法計算泥石流攔砂壩后回淤坡度，精確度很高。
本發(fā)明對于泥石流在攔砂壩后的回淤坡度的計算考慮了量綱和諧這一基本原理，因此計算方法適用于野外大尺度的實際計算，能夠給攔砂壩提供重要的數(shù)據(jù)參考，極大的提高了泥石流防治效果。