本發(fā)明屬于泥石流防治工程設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于泥石流固體顆粒粒徑的震區(qū)泥石流容重計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
“5.12”汶川地震以后，強(qiáng)震區(qū)內(nèi)誘發(fā)了大量的地震次生災(zāi)害，強(qiáng)震區(qū)內(nèi)每年都有不同規(guī)模的泥石流事件暴發(fā)，其中在2008年的“9.26”、2010年的“8.13”、2011年的“7.03”、2013年的“7.10”以及2016年的“7.05”強(qiáng)降雨過(guò)程中，強(qiáng)震區(qū)暴發(fā)了多期大規(guī)模的群發(fā)性泥石流災(zāi)害，給強(qiáng)震區(qū)帶來(lái)了嚴(yán)重的人員傷害和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也給震后重建項(xiàng)目帶來(lái)了巨大的破壞，而在震后的10年至15年內(nèi)也將是泥石流災(zāi)害的高發(fā)期。為了保證汶川震區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，泥石流防治工程的有效防治就顯得十分必要。
泥石流容重特征是泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的主要參數(shù)之一，也是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一。例如，2013年“7.10”特大暴雨期間，羊店1組后山坡面泥石流3條溝道均發(fā)生泥石流，泥石流物源以碎石、塊石和砂粒堆積為主，粒徑范圍為10～30cm，砂及粉粘土充填，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)配方法和查表法分別得到泥石流的容重為19.6kn/m3和17.2kn/m3，通過(guò)黏粒百分含量和粗顆粒百分含量得到的容重約為16.8kn/m3。2008年“9·26”洪災(zāi)和2010年“8·14”洪災(zāi)期間牛圈溝發(fā)生大規(guī)模泥石流，其中侵蝕的物源量分別為17.15×104m3和14.87×104m3，牛圈溝泥石流松散固體物源中以碎塊石為主，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)配方法得到泥石流的容重為17.8kn/m3，通過(guò)黏粒百分含量和粗顆粒百分含量得到的容重約為16.4kn/m3。
泥石流的容重反映了泥石流的流體的固體顆粒含量和水分含量之間的相互關(guān)系，不同的泥石流容重反映了泥石流的內(nèi)部受力條件、搬運(yùn)條件和泥石流暴發(fā)的降雨條件等，現(xiàn)行的泥石流容重主要根據(jù)泥石流固體顆粒(＞2mm)的累積百分含量和黏粒(＜0.05mm)的累積百分含量。汶川震區(qū)泥石流溝物源主要為松散的巖土體顆粒，黏粒含量極低，基于泥石流粗顆粒和黏粒累積百分含量的泥石流容重計(jì)算方法導(dǎo)致泥石流的容重相對(duì)于其實(shí)際容重值偏小，使得泥石流的防治工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)過(guò)低，不能滿足震區(qū)泥石流防治工程設(shè)計(jì)的需要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種基于泥石流固體顆粒粒徑的震區(qū)泥石流容重計(jì)算方法，解決強(qiáng)震區(qū)泥石流暴發(fā)過(guò)程中固體顆粒與泥石流容重的關(guān)系，構(gòu)建基于泥石流固體顆粒粒徑的泥石流容重預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行實(shí)例運(yùn)用，為泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)和防治提供新方法，適用于泥石流防治實(shí)際工程的需要。
本發(fā)明技術(shù)的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)方式：一種基于泥石流固體顆粒粒徑的震區(qū)泥石流容重計(jì)算方法，所述震區(qū)的泥石流溝包括溝道和在溝道上運(yùn)動(dòng)的泥石流體，其特征在于：將震區(qū)泥石流的固體顆粒粒徑應(yīng)用于泥石流容重計(jì)算，所述震區(qū)泥石流容重預(yù)測(cè)計(jì)算方法如下：
a.獲取震區(qū)泥石流溝的泥石流體流深h(m)，通過(guò)泥石流溝大比例尺測(cè)繪得到溝道的溝道坡度α(°)，溝道縱比降j(‰)，通過(guò)泥石流采樣和篩分得到泥石流體固體顆粒粒徑di(mm)，通過(guò)泥石流溝床狀況確定泥石流體糙率系數(shù)n，通過(guò)為泥石流暴發(fā)時(shí)的野外溫度調(diào)查確定泥石流體的粘滯系數(shù)η(pa·s)；
b.通過(guò)以下公式確定震區(qū)泥石流漿體密度ρ(kg/m3)公式表示為：
式中：di為累積百分含量為i的泥石流固體顆粒粒徑(mm)，η為泥石流的粘滯系數(shù)(pa·s)，ρ為泥石流漿體的密度(kg/m3)，g為重力加速度(m/s2)，γs為泥石流固體顆粒容重(kn/m3)，h為泥石流溝道堆積物的堆積厚度(m)，n為泥石流溝道的糙率系數(shù)；
c.通過(guò)以下公式確定震區(qū)泥石流容重γl(kn/m3)公式表示為：
γl＝c(γs-γ)+γ,式中：c＝(ρ-ρw)/(ρs-ρw)
式中：c為泥石流體積濃度(％)，ρw為水體的密度(kg/m3)，ρ為泥石流漿體的密度(kg/m3)，γ為泥石流漿體容重(kn/m3)，γ＝ρg；γs為泥石流固體顆粒容重(kn/m3)，γs＝ρsg；γl為泥石流容重(kn/m3)。
本發(fā)明所述的基于泥石流固體顆粒粒徑的震區(qū)泥石流容重計(jì)算方法，其所述步驟c中確定震區(qū)泥石流容重的公式適用于震區(qū)泥石流溝的防治工程設(shè)計(jì)，將得到的泥石流容重作為泥石流防治工程設(shè)計(jì)的最小泥石流容重參數(shù)。
本發(fā)明所述的基于泥石流固體顆粒粒徑的震區(qū)泥石流容重計(jì)算方法，其所述步驟c中確定震區(qū)泥石流容重的公式適用于汶川震區(qū)黏粒小于0.05mm含量，泥石流固體顆粒大于2mm級(jí)配寬的泥石流溝的泥石流容重預(yù)測(cè)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明突破傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型的限制，從泥石流顆粒在泥石流體中的受力特征入手，通過(guò)泥石流固體顆粒在泥石流體的運(yùn)移時(shí)的靜力極限平衡條件構(gòu)建了沿流向方向和垂直流向方向的受力特征，充分考慮了因?yàn)槟嗍鞑煌葜厮纬傻牟煌硿詶l件對(duì)泥石流顆粒運(yùn)移影響，因地制宜的反映了汶川震區(qū)的低粘粒含量泥石流中的固體顆粒粒徑與泥石流容重間的相互關(guān)系，計(jì)算理論完善，計(jì)算結(jié)果符合泥石流現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，能夠?yàn)殂氪ㄕ饏^(qū)泥石流防治工程設(shè)計(jì)參數(shù)提供技術(shù)支持，避免因?yàn)槿葜卦O(shè)計(jì)值低所導(dǎo)致的泥石流防治工程未能滿足實(shí)際需要，進(jìn)而造成泥石流防治工程失效。
附圖說(shuō)明
圖1是泥石流溝道堆積物受力分析示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)如下：①為溝道，②為泥石流體，h為堆積層厚度，h為泥石流流深，vz為沿流向方向的泥石流流速，dn為固體顆粒所受的支持力，dgdh為泥石流流體顆粒的自重應(yīng)力，dgi為泥石流固體顆粒的自重應(yīng)力，dτh為沿流向方向的泥石流單位剪應(yīng)力。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。
一種基于泥石流固體顆粒粒徑的震區(qū)泥石流容重計(jì)算方法，所述震區(qū)的泥石流溝包括溝道①和在溝道上運(yùn)動(dòng)的泥石流體②，將震區(qū)泥石流的固體顆粒粒徑應(yīng)用于泥石流容重計(jì)算，其主要思路是：首先根據(jù)震區(qū)泥石流固體顆粒在泥石流體中的受力平衡繪制泥石流固體顆粒受力示意圖，分析泥石流固體顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力條件和阻力條件；然后根據(jù)理論力學(xué)推導(dǎo)泥石流固體顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)的泥石流容重；再通過(guò)震區(qū)已發(fā)生泥石流事件的泥石流溝的調(diào)查、采樣、篩分以及泥石流特征參數(shù)的測(cè)量等手段確定泥石流流深、溝道坡度、溝道縱比降、泥石流固體顆粒粒徑泥石流糙率系數(shù)泥石流粘滯系數(shù)；將所得參數(shù)帶入震區(qū)泥石流容重計(jì)算模型中，得到泥石流容重預(yù)測(cè)值。
所述震區(qū)泥石流容重預(yù)測(cè)計(jì)算方法及步驟如下：
首先，根據(jù)震區(qū)泥石流固體顆粒在泥石流體中的受力平衡繪制泥石流固體顆粒受力示意圖，分析泥石流固體顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力條件和阻力條件。假設(shè)震區(qū)泥石流溝道縱比降為j，溝道坡度為α，泥石流固體顆粒粒徑為di，如圖1所示，泥石流固體顆粒受到的支持力dfb、固體顆粒自重應(yīng)力dgs、泥石流體自重應(yīng)力dga、泥石流體剪切應(yīng)力τ公式表示為：
式中：dfb為固體顆粒所受的支持力(pa)，dgs為泥石流流體顆粒的自重應(yīng)力(pa)，dga為泥石流固體顆粒的自重應(yīng)力(pa)，τ為流體剪切應(yīng)力(pa)，γ為泥石流漿體容重(kn/m3)，γs為泥石流固體顆粒的容重(kn/m3)，vg為泥石流因固體顆粒擠排的體積(mm3)，vg＝vs，vs為泥石流固體顆粒體積(mm3)，h為泥石流流深(m)，j為溝道縱比降(‰)。
然后，根據(jù)力學(xué)平衡條件，分別分析沿流向(x軸)和沿垂直流向(z軸)的驅(qū)動(dòng)力條件與阻力條件關(guān)系，沿x軸的受力(dfx)和沿z軸的受力(dfz)公式表示為：
式中：dfx表示為沿流向方向的合力(pa)，dfz表示為沿垂直流向方向的合力(pa)，dn為固體顆粒所受的支持力(pa)，dgdh為泥石流流體顆粒的自重應(yīng)力(pa)，dgdi為泥石流固體顆粒的自重應(yīng)力(pa)，dτh為流體剪切應(yīng)力(pa)，h為泥石流流深(m)，α為溝道坡度(°)，j為溝道縱比降(‰)，di為泥石流固體顆粒粒徑(mm)，n為泥石流糙率系數(shù)，v為泥石流沿流向的流速(m/s)，cl為上升力系數(shù)，ρ為泥石流漿體密度(kg/m3)，ρs為泥石流固體顆粒的密度(kg/m3)，g為重力加速度(m/s2)。對(duì)位于床面上的單個(gè)顆粒，即暴露度最大時(shí)而言cl＝0.1，δs為泥石流單位橫截面積(m2)，dv/dx為沿泥石流流向的加速度(m/s2)；其他符號(hào)同前面一致。
泥石流沿流向x軸的加速度dv/dx公式表示為：
式中：h為泥石流流深(m)，n為泥石流溝道的糙率系數(shù)；其他符號(hào)同前面一致。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)力條件等于阻力條件，泥石流固體顆粒處于極限平衡狀態(tài)，根據(jù)靜力極限平衡條件，得到泥石流漿體密度公式表示為：
式中：di為累積百分含量為i的泥石流固體顆粒粒徑(mm)，γs為泥石流固體顆粒容重(kn/m3)，h為泥石流溝道堆積物的堆積厚度(m)，η為泥石流暴發(fā)時(shí)的野外溫度的粘滯系數(shù)(pa·s)，當(dāng)室外溫度為20℃時(shí)，η＝1.0042pa·s，ρ為泥石流漿體的密度(kg/m3)；其他符號(hào)同前面一致。
通過(guò)以下公式確定震區(qū)泥石流容重γl(kn/m3)，
γl＝c(γs-γ)+γ,式中：c＝(ρ-ρw)/(ρs-ρw)
式中：c為泥石流體積濃度(％)，ρw為水體的密度(kg/m3)，ρ為泥石流漿體的密度(kg/m3)，ρs為泥石流固體顆粒的密度(kg/m3)，γ為泥石流漿體容重(kn/m3)，γ＝ρg；γs為泥石流固體顆粒容重(kn/m3)，γs＝ρsg；γl為泥石流容重(kn/m3)；其他符號(hào)同前面一致。
其中，所述步驟c中確定震區(qū)泥石流容重的公式適用于震區(qū)泥石流溝的防治工程設(shè)計(jì)，將得到的泥石流容重作為泥石流防治工程設(shè)計(jì)的最小泥石流容重參數(shù)。
其中，所述步驟c中確定震區(qū)泥石流容重的公式適用于汶川震區(qū)黏粒小于0.05mm含量，泥石流固體顆粒大于2mm級(jí)配寬的泥石流溝的泥石流容重預(yù)測(cè)。
以下為本發(fā)明的具體實(shí)施例：
實(shí)施例一：
牛圈溝位于映秀鎮(zhèn)南側(cè)，岷江右岸，往上游至映秀新鎮(zhèn)約1km。牛圈溝流域形態(tài)為扇形，流域縱向長(zhǎng)度5.4km，平均寬度2.0km，流域面積10.7km2。流域最高點(diǎn)位于勘查區(qū)西側(cè)，高程約2700m，最低點(diǎn)位于牛圈溝匯入岷江河口，高程858.3m，相對(duì)高差約1842m。溝道總體上以深切割“v”型谷為主，主溝縱長(zhǎng)6124m，相對(duì)高差1629m，主溝平均縱坡降266‰。
為了有效的防治和治理泥石流，防止岷江被堵塞威脅下游安全，提前獲得泥石流暴發(fā)時(shí)容重，根據(jù)泥石流物源級(jí)配特征進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，具體計(jì)算方法及步驟如下：
a.根據(jù)牛圈溝溝口位置的野外調(diào)查、采樣和泥石流參數(shù)測(cè)試，確定了牛圈溝溝口的平均泥深0.7(m)，泥石流縱比降130‰，糙率系數(shù)11，固體物質(zhì)重度26.5(kn/m3)，泥石流固體顆粒粒徑d90為0.72m。
b.將a步驟確定的各參數(shù)代入下公式，
c.將b步驟確定的各參數(shù)代入下公式，
γl＝c(γs-γ)+γ,式中：c＝(ρ-ρw)/(ρs-ρw)
d.通過(guò)公式計(jì)算獲取泥石流暴發(fā)時(shí)的容重為17.91kn/m3，則牛圈溝泥石流防治工程設(shè)計(jì)的泥石流最小容重參數(shù)為17.91kn/m3。
實(shí)施例二：
高家溝位于銀杏鄉(xiāng)北側(cè)，岷江右岸，主溝縱向長(zhǎng)3.26km，橫向?qū)?.3km，溝域面積3.79km2，平面形態(tài)呈近似扇形，流域相對(duì)高差約1807m。高家溝縱坡總體較陡，全溝域平均縱比降523‰。溝域內(nèi)共發(fā)育4條支溝，支溝長(zhǎng)度較短，一般長(zhǎng)度在0.5～1.6km之間，溝道縱比降較大，多在500‰以上。
為了有效的防治和治理泥石流，防止岷江被堵塞威脅下游安全，提前獲得泥石流暴發(fā)時(shí)容重，根據(jù)泥石流物源級(jí)配特征進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，具體計(jì)算方法及步驟如下：
a.根據(jù)高家溝口支溝(南天門(mén)溝口)位置的野外調(diào)查、采樣和泥石流參數(shù)測(cè)試，確定了牛圈溝溝口的平均泥深1m，泥石流縱坡0.62，糙率系數(shù)20，固體物質(zhì)重度26.5(kn/m3)，泥石流固體顆粒粒徑d90為1.6m。
b.將a步驟確定的各參數(shù)代入下公式，
c.將b步驟確定的各參數(shù)代入下公式，
γl＝c(γs-γ)+γ,式中：c＝(ρ-ρw)/(ρs-ρw)
d.通過(guò)公式計(jì)算獲取泥石流暴發(fā)時(shí)的容重為20.1kn/m3，則高家溝口支溝(南天門(mén)溝口)泥石流防治工程設(shè)計(jì)的泥石流最小容重參數(shù)為20.1kn/m3。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。