本發(fā)明涉及一種測量方法，特別是涉及一種粘性泥石流平均流速、沖擊力空間分布測量方法，屬于泥石流工程防治領(lǐng)域、測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

攔砂壩等防治工程是治理泥石流災(zāi)害最快、最常見且有效的措施。在此類工程設(shè)計(jì)中需要測量泥石流沖擊荷載空間分布作為壩體設(shè)計(jì)參數(shù)的最重要依據(jù)之一。

國內(nèi)現(xiàn)行的規(guī)范暫時(shí)建議在泥石流攔砂壩等防治工程設(shè)計(jì)時(shí)，荷載按均布考慮，這與實(shí)際荷載分布有很大差異。一方面均布荷載取值偏小，容易導(dǎo)致防治工程穩(wěn)定性偏小，極易導(dǎo)致防治工程失效；另一方面，均布荷載取值偏大，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)過于保守，造成人力、物力的浪費(fèi)。

公開號為CN 104794362A的中國發(fā)明專利申請公開了一種泥石流斷面平均流速的測算方法及應(yīng)用。該方法通過現(xiàn)場調(diào)查測量、實(shí)際取樣實(shí)測容重和室內(nèi)流變實(shí)驗(yàn)等手段，分別確定泥石流流體容重、泥石流固體物質(zhì)容重、泥石流溝道或排導(dǎo)槽坡度、泥石流過流斷面水力半徑、泥石流溝道或排導(dǎo)槽外部糙率、和泥石流粘滯系數(shù)等參數(shù)，將獲取的參數(shù)代入泥石流斷面平均流速計(jì)算公式，從而獲得較為泥石流斷面平均流速。但該方法僅能測量泥石流斷面的平均流速，無法對任意斷面上任意點(diǎn)的流速進(jìn)行測量，因此無法解決流速空間分布的具體技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種粘性泥石流平均流速空間分布測量方法，以及基于該方法實(shí)現(xiàn)的粘性泥石流沖擊力空間分布測量方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明首先提供一種粘性泥石流內(nèi)部流速測量方法，其技術(shù)方案如下：

一種粘性泥石流內(nèi)部流速空間分布測量方法，用于測量泥石流任一斷面上任一點(diǎn)的泥石流平均流速，其特征在于：依如下步驟實(shí)施：

步驟S1、前期準(zhǔn)備

在泥石流溝道上設(shè)定任意斷面Ⅰ-Ⅰ，根據(jù)地形圖測量計(jì)算和/或現(xiàn)場調(diào)查測量斷面Ⅰ-Ⅰ位置處的泥石流溝道平均縱比降J、斷面Ⅰ-Ⅰ與泥石流運(yùn)動方向夾角θ，

現(xiàn)場取樣測量確定泥石流容重γ_c

實(shí)驗(yàn)確定泥石流粘滯系數(shù)η、泥石流屈服應(yīng)力τ_B

步驟S2、確定斷面Ⅰ-Ⅰ最大流深h₀

選取斷面Ⅰ-Ⅰ內(nèi)高程最低點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)O，建立平面直角坐標(biāo)系，采用試算法計(jì)算最大流深h₀，并在斷面Ⅰ-Ⅰ內(nèi)擬合分段函數(shù)多項(xiàng)式h(x)，確定泥石流邊界橫坐標(biāo)x_a、x_d，確定泥石流流核邊界橫坐標(biāo)x_b、x_c；

步驟S3、確定斷面Ⅰ-Ⅰ上任意點(diǎn)S處流深h

在斷面Ⅰ-Ⅰ上取任意點(diǎn)S(x,y)，根據(jù)式1計(jì)算確定S點(diǎn)處流深h

h＝h₀-h(x)y≥h(x) 式1

式中，h—點(diǎn)S(x,y)處流深，單位m

h₀—斷面Ⅰ-Ⅰ最大流深，單位m，步驟S2確定

h(x)—斷面Ⅰ-Ⅰ內(nèi)擬合分段函數(shù)多項(xiàng)式，步驟S2確定

步驟S4、確定任意點(diǎn)S處泥石流瞬時(shí)流速v

依式2計(jì)算計(jì)算斷面Ⅰ-Ⅰ上點(diǎn)S(x,y)處泥石流瞬時(shí)流速v

式中，v—斷面Ⅰ-Ⅰ上點(diǎn)S(x,y)處泥石流瞬時(shí)流速，單位m/s，

γ_c—泥石流容重，單位kN/m³，步驟S1確定，

J—泥石流溝道平均縱比降，步驟S1確定，

τ_B—泥石流屈服應(yīng)力，單位Pa，步驟S1確定，

η—泥石流粘滯系數(shù)，步驟S1確定。

上述測量方法是基于粘性泥石流體賓漢模型與沖淤平衡原理，其關(guān)鍵是在步驟S2中采用試算法計(jì)算最大流深h₀。試算法是在斷面Ⅰ-Ⅰ上高程最低點(diǎn)O(即泥石流流斷面計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn))的兩側(cè)取n個(gè)點(diǎn)。這樣在斷面Ⅰ-Ⅰ內(nèi)由n+1個(gè)已知點(diǎn)將斷面沿x方向按條分法分割成n部分。擬合得到的分段函數(shù)多項(xiàng)式h(x)即為泥石流溝床底高度擬合線。根據(jù)擬合分段函數(shù)多項(xiàng)式可以確定h(x)的自變量取值范圍為x_a≤x≤x_d，則x_a、x_d即為泥石流邊界橫坐標(biāo)。再令其中h(x)為泥石流溝床底高度擬合線，它是關(guān)于x的一元函數(shù)，從實(shí)際意義考慮，泥石流泥核深度應(yīng)小于泥石流最大泥深h₀，為一定值，泥石流溝床底高度擬合線h(x)為中間低兩邊高的曲線，如附圖2，令泥石流溝床底高度擬合線h(x)同相等，幾何意義即為一條直線同中間低兩側(cè)高的曲線相交，同時(shí)該直線移動的范圍在曲線的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)之間，所以該方程一定存在兩個(gè)解析解——橫坐標(biāo)上的兩個(gè)點(diǎn)，即泥石流流核邊界橫坐標(biāo)，記為x_b、x_c。通過試算法最終確定最大流深h₀、h(x)、x_a、x_d、x_b、x_c等各值。最大流深h₀確定以后，斷面Ⅰ-Ⅰ上任意一點(diǎn)S(x,y)處的泥石流計(jì)算微元面流深h即可依式1計(jì)算確定(式1中須滿足y≥h(x)，否則計(jì)算點(diǎn)位于泥石流溝道地面以下，無意義)。最后將h帶入賓漢體粘性泥石流流速分布公式可得到式2，依式2即可求得斷面Ⅰ-Ⅰ上任意位置處的泥石流流速v。由此，本發(fā)明方法通過泥石流溝地形數(shù)據(jù)、泥石流性質(zhì)特征數(shù)據(jù)資料可測算出粘性泥石流內(nèi)部任意點(diǎn)的平均流速，進(jìn)而確定流速的空間分布。

進(jìn)一步地，試算法首先采用雨洪修正法計(jì)算確定斷面Ⅰ-Ⅰ的設(shè)計(jì)峰值流量Q。其次對斷面上最大流深h₀試算各h′₀值。具體在斷面Ⅰ-Ⅰ上取高程最低點(diǎn)記為O，以O(shè)點(diǎn)處水平線為基準(zhǔn)線，O點(diǎn)高程為0。分別在O點(diǎn)左右取適當(dāng)數(shù)量的點(diǎn)P₁、P₂……P_n，各點(diǎn)其橫坐標(biāo)分別為x₁、x₂……x_n，各點(diǎn)高程值分別為h₁、h₂……h(huán)_n。這樣在斷面Ⅰ-Ⅰ內(nèi)由n+1個(gè)已知點(diǎn)(0，0)、(x₁，h₁)、(x₂，h₂)……(x_n，h_n)擬合分段函數(shù)多項(xiàng)式h(x)，其中h(x)的自變量取值范圍為x_a≤x≤x_d，即泥石流邊界橫坐標(biāo)x_a、x_d。令可以得到兩點(diǎn)x_b、x_c，即泥石流流核邊界橫坐標(biāo)x_b、x_c。將斷面Ⅰ-Ⅰ沿x方向按條分法分割成n部分，當(dāng)n趨近于無窮時(shí)，每一個(gè)小條近似為矩形斷面，斷面底邊高程為h(x)，斷面底邊長為dx，流深為h₀-h(x)，每個(gè)微元斷面內(nèi)的流速分布可認(rèn)為只存在縱向不同，對于粘性泥石流，根據(jù)賓漢體模型的縱向流速分布式(式5)與野外實(shí)際泥石流沖淤現(xiàn)象可知，在x_a≤x≤x_b和x_c≤x≤x_d范圍有泥石流流速v＝0，即泥石流靠近溝岸邊壁部分的流速為零。

在x_b≤x≤x_c的每個(gè)小微元斷面內(nèi)可用式6計(jì)算求得泥石流流量ΔQ。

將n個(gè)微元面求和則可依式7計(jì)算整個(gè)斷面Ⅰ-Ⅰ的泥石流計(jì)算流量Q′。

整理式7，進(jìn)而得到式4用于計(jì)算斷面Ⅰ-Ⅰ的計(jì)算流量Q′：

當(dāng)計(jì)算得到的斷面計(jì)算流量Q′＝峰值流量Q時(shí)，則可確定試算的h′₀即為最大流深h₀。

上述方法中，點(diǎn)P₁、P₂……P_n的設(shè)置方法是：若泥石流溝岸寬度≥20m，以O(shè)點(diǎn)為起始點(diǎn)分別向兩側(cè)按水平距離，每隔8m選取下一個(gè)點(diǎn)直至最后一個(gè)點(diǎn)布置在泥石流溝岸外；若泥石流溝岸寬度是5m～20m，以O(shè)點(diǎn)為起始點(diǎn)分別向兩側(cè)按水平距離，每隔4m選取下一個(gè)點(diǎn)直至最后一個(gè)點(diǎn)布置在泥石流溝岸外；若泥石流溝岸寬度≤5m，以O(shè)點(diǎn)為起始點(diǎn)分別向兩側(cè)按水平距離，每隔1m選取下一個(gè)點(diǎn)直至最后一個(gè)點(diǎn)布置在泥石流溝岸外。

上述粘性泥石流內(nèi)部平均流速空間分布測量方法在粘性泥石流防治工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

本發(fā)明還提供一種利用上述粘性泥石流內(nèi)部平均流速空間分布測量方法實(shí)現(xiàn)的粘性泥石流沖擊力空間分布測量方法，其技術(shù)方案如下：

一種利用粘性泥石流內(nèi)部平均流速空間分布測量方法實(shí)現(xiàn)的粘性泥石流沖擊力空間分布測量方法，其特征在于：在步驟S4后繼續(xù)實(shí)施步驟S5：

步驟S5、確定斷面Ⅰ-Ⅰ上點(diǎn)S(x,y)處泥石流沖擊力F_δ

依式5計(jì)算斷面Ⅰ-Ⅰ上點(diǎn)S(x,y)處泥石流沖擊力

式中，F(xiàn)_δ—斷面Ⅰ-Ⅰ上點(diǎn)S(x,y)處泥石流沖擊力，單位kPa，

λ—斷面Ⅰ-Ⅰ形狀系數(shù)，圓形取1.0、矩形取1.33、方形取1.47，

γ_c—泥石流容重，單位kN/m³，步驟S1確定，

g—重力加速度，常數(shù)，單位m/s²，

v—斷面Ⅰ‐Ⅰ上點(diǎn)S(x,y)處泥石流瞬時(shí)流速，單位m/s，步驟S4確定，

θ—斷面Ⅰ‐Ⅰ與泥石流運(yùn)動方向夾角，單位°，步驟S1確定。

本發(fā)明還提供上述粘性泥石流內(nèi)部平均沖擊力空間分布測量方法在粘性泥石流防治工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明方法基于泥石流沖淤平衡原理，結(jié)合溝床斷面特性，能合理測量確定任意斷面上任意位置處的泥石流平均流速與沖擊力；(2)計(jì)算結(jié)果精度高，能夠應(yīng)用于粘性泥石流防治工程設(shè)計(jì)實(shí)際；(3)測量方法思路清晰，計(jì)算簡便，適應(yīng)工程需要，能夠改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)以“均布”思想指導(dǎo)的防治工程設(shè)計(jì)工作。

附圖說明

圖1是計(jì)算斷面位置俯視圖(箭頭示泥石流運(yùn)動方向)。

圖2是計(jì)算斷面簡圖。

圖3是算例斷面示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的描述。

實(shí)施例一

如圖1～圖3所示，采用本發(fā)明方法測量泥石流流速空間分布。

某泥石流溝是一條中型泥石流溝，流域海拔高度為1820m～3500m，流域面積12.2km²。該溝曾多次爆發(fā)粘性泥石流，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全。為了減輕泥石流災(zāi)害，擬在該泥石流流通區(qū)修建透過型攔砂壩工程，需計(jì)算測量泥石流平均流速空間分布。

步驟S1、前期準(zhǔn)備

圖1是計(jì)算斷面位置俯視圖(箭頭示泥石流運(yùn)動方向)。在泥石流溝道上設(shè)定任意斷面Ⅰ-Ⅰ，根據(jù)地形圖測量計(jì)算和/或現(xiàn)場調(diào)查測量斷面Ⅰ-Ⅰ位置處的泥石流溝道平均縱比降J＝0.09、斷面Ⅰ-Ⅰ與泥石流運(yùn)動方向夾角θ＝90°，

現(xiàn)場取樣測量確定泥石流容重γ_c＝21kN/m³，

流變實(shí)驗(yàn)確定泥石流粘滯系數(shù)η＝32.29Pa.s、泥石流屈服應(yīng)力τ_B＝245Pa；

步驟S2、確定斷面Ⅰ-Ⅰ最大流深h₀

采用試算法計(jì)算泥石流斷面最大流深h₀，主要計(jì)算過程如下：

采用雨洪修正法計(jì)算確定斷面Ⅰ-Ⅰ的設(shè)計(jì)峰值流量Q＝105m³/s；

圖2是計(jì)算斷面簡圖，圖3是算例斷面示意圖。選取h′₀＝1m，在斷面Ⅰ-Ⅰ內(nèi)取高程最低點(diǎn)記為O，以O(shè)點(diǎn)處水平線為基準(zhǔn)線，分別在O點(diǎn)左右側(cè)取適當(dāng)數(shù)量的點(diǎn)P₁、P₂、P₃、P₄，各點(diǎn)橫坐標(biāo)分別為x₁＝-8m、x₂＝-16m、x₃＝8m、x₄＝16m，各點(diǎn)高程值分別為h₁＝0.96m、h₂＝0.48m、h₃＝0.40m、h₄＝0.80m；

在計(jì)算斷面Ⅰ-Ⅰ內(nèi)擬合分段函數(shù)多項(xiàng)式h(x)，得到：

令h_(x)＝h₀＝1帶入上述擬合分段函數(shù)，確定斷面橫坐標(biāo)取值范圍：-16.67≤x≤20，即泥石流邊界橫坐標(biāo)x_a＝-16.7、x_d＝20.0。令，帶入具體數(shù)值計(jì)算，即有：

解上述方程得到兩個(gè)解x＝-14.5或x＝17.4，記為泥石流流核邊界橫坐標(biāo)x_b＝-14.5、x_c＝17.4，

將各參數(shù)代入式4，得到計(jì)算流量Q′：

比較計(jì)算流量Q′與采用雨洪修正法計(jì)算所得的設(shè)計(jì)流量Q＝105m³/s，可確定最大流深h₀＝h′₀＝1m。

步驟S3、確定斷面Ⅰ-Ⅰ上任意點(diǎn)S處流深h

在斷面Ⅰ-Ⅰ上取任意點(diǎn)S(x,y)，將h₀＝1m及分段函數(shù)多項(xiàng)式h(x)代入式1，有：

計(jì)算確定S點(diǎn)處流深h，單位m；

步驟S4、確定任意點(diǎn)S處泥石流瞬時(shí)流速v

將步驟S3所得S處流深h及各參數(shù)代入式2，有：

計(jì)算得到斷面Ⅰ-Ⅰ上S(x,y)處泥石流瞬時(shí)流速v，單位m/s。

實(shí)施例二

在實(shí)施例一基礎(chǔ)上進(jìn)一步測量粘性泥石流沖擊力空間分布。

步驟S5、確定任意點(diǎn)S處泥石流沖擊力F_δ：

將各參數(shù)代入式5，計(jì)算斷面Ⅰ-Ⅰ內(nèi)泥石流任意點(diǎn)S(x,y)沖擊壓力F_δ，有：

本實(shí)施方式中，斷面Ⅰ-Ⅰ取矩形斷面分析，λ取值1.33。