本發(fā)明涉及一種泥石流流速測算方法，特別是涉及一種泥石流斷面平均流速測算方法，屬于測量技術(shù)、山地災(zāi)害防治領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

泥石流流速是泥石流運(yùn)動力學(xué)的核心研究內(nèi)容之一，是研究泥石流流變性質(zhì)和運(yùn)動機(jī)理的關(guān)鍵。在實(shí)際工程中泥石流流速，尤其是泥石流體斷面的平均流速測算是防治工程設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)性參數(shù)。

公開號為cn104794362a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。但該測算方法在考慮泥石流本身組成對其流速影響時涉及泥石流體的內(nèi)部糙率以及排導(dǎo)槽所引起的外部糙率。內(nèi)部糙率包含泥沙特性與泥石流粘性作用兩方面因素。其技術(shù)缺陷主要包括：兩方面：其一，泥石流是一種典型包含大量泥沙、塊石、巨粒等顆粒的固液兩相流，泥石流顆粒在流體運(yùn)動中的關(guān)鍵作用。該方法沒有體現(xiàn)出其它重要相關(guān)因子(如泥石流的顆粒組成、泥石流體積比含沙量等)對糙率系數(shù)、流速系數(shù)的影響，進(jìn)而沒有考慮這些泥石流特征物理參數(shù)對泥石流流速的影響；其二，泥石流(尤其是粘性泥石流)多呈陣性運(yùn)動，沿途鋪床前進(jìn)，泥石流顆粒的交換、碰撞、沉積等過程使得泥石流的綜合糙率系數(shù)難以通過查表或調(diào)查準(zhǔn)確確定，從而影響測算的精度。

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，提供一種泥石流斷面平均流速測量方法，該方法能充分考慮泥石流顆粒組成對其流速的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

粘性泥石流斷面平均流速測算方法，用于測算粘性泥石流斷面平均流速，其特征在于：

在野外現(xiàn)場選取溝道內(nèi)較為順直段設(shè)置泥石流測量斷面，通過野外現(xiàn)場調(diào)查實(shí)驗(yàn)確定泥石流體積比含沙量sv、泥石流平均流深h、泥石流溝道縱坡j、泥石流顆分參數(shù)(μ,dc)；

依式1計(jì)算粘性泥石流斷面平均流速：

v＝30.68exp(μ)(h/dc)^1/6[sv(1-sv)]^1/2h^2/3j^1/2式1

式中，v——粘性泥石流流速，單位m·s^-1，

(μ,dc)——泥石流顆分參數(shù)，根據(jù)室內(nèi)篩分、粒度分析實(shí)驗(yàn)確定，

sv——泥石流體積比含沙量，通過野外現(xiàn)場調(diào)查實(shí)驗(yàn)確定，

h——泥石流平均流深，單位m，根據(jù)野外現(xiàn)場調(diào)查確定，

j——泥石流溝道縱坡，％，根據(jù)野外調(diào)查確定。

上述泥石流斷面平均流速測量方法是基于我國典型泥石流觀測實(shí)驗(yàn)研究站多年觀測數(shù)據(jù)，在粘性泥石流平均流速經(jīng)典公式曼寧公式基礎(chǔ)上，考慮泥石流顆粒組成、泥石流體積比含沙量、泥深等對糙率的影響，綜合各因子擬合得到。

上述流速測量方法的核心是在曼寧公式的基礎(chǔ)上，充分考慮泥石流顆粒組成對其流速的影響。方法的主要技術(shù)原理在于：

第一，顆分參數(shù)(μ,dc)中，μ代表細(xì)顆粒的含量，dc代表泥石流樣品的粒徑組成范圍。由于細(xì)顆粒在泥石流運(yùn)動過程中主要起到潤滑作用，因而當(dāng)細(xì)顆粒含量越多時，泥石流體內(nèi)部阻力減小，對應(yīng)的流速也應(yīng)越快。故而顆分參數(shù)(μ,dc)的兩個參數(shù)都能夠影響泥石流流速。進(jìn)一步采用h/dc表示泥石流體內(nèi)部的相對粗糙度，即當(dāng)h一定時，dc越大，表明流體中粗顆粒的粒徑越大，對應(yīng)糙率越大，流速降低。故而流速v與μ、h/dc存在函數(shù)關(guān)系。在測量數(shù)據(jù)中，μ值量級太小，無法與其它參量配合完成計(jì)算。由此采用數(shù)學(xué)變換得到exp(μ)參與計(jì)算。結(jié)合前述分析結(jié)果有v＝f(exp(μ)，h/dc)。

第二，泥石流體積比含沙量sv對泥石流流速的影響是雙重的。一方面，泥石流體積比含沙量sv的增高會使得泥石流內(nèi)部阻力的增大；另一方面，sv的繼續(xù)增加會使得泥石流顆粒下沉速度降低，減小流體內(nèi)部的顆粒交換，降低能量耗散，降低內(nèi)部阻力，使得流體速度提高。經(jīng)前期數(shù)據(jù)分析，選用sv(1-sv)綜合表示泥石流體積比含沙量對泥石流流速的影響。

第三，以曼寧公式為原型，可以得到黏性泥石流流速公式模型：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明測算方法充分考慮泥石流顆粒組成對其流速的影響，將泥石流顆分參數(shù)(μ,dc)作為變量引入泥石流流速計(jì)算中，再進(jìn)一步同時綜合其他因子分析，得出新的泥石流斷面平均流速測算方法。相比于現(xiàn)有技術(shù)采用綜合糙率系數(shù)的泥石流流速測算方法，本發(fā)明方法細(xì)化了綜合糙率系數(shù)的物理意義，同時可以摒棄經(jīng)驗(yàn)參數(shù)選取所造成的人為主觀影響，具有更科學(xué)的測算原理與較高的精度。本發(fā)明方法計(jì)算簡便，工程實(shí)用價值高。

附圖說明

圖1是實(shí)施例一測量斷面示意圖(縱軸為海拔高程，橫軸為水平距離，l為左岸，r為右岸，1:500)。

圖2是實(shí)施例二測量斷面示意圖(縱軸為海拔高程，橫軸為水平距離，l為左岸，r為右岸，1:500)。

圖3是更多流速野外觀測值與本公式計(jì)算值的對比關(guān)系。

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所示，用本發(fā)明方法測算金沙江上游支流小江一條泥石流支溝的一次泥石流流速。

某泥石流溝是金沙江上游支流小江一條泥石流支溝，流域面積48km²，主溝長14km，流域最高點(diǎn)海拔3230m，最低點(diǎn)海拔1040m。溝岸兩側(cè)以千枚巖和板巖為主，強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，使得該地區(qū)存在大量的淺層滑坡、崩塌等松散堆積物，為泥石流的形成提供了大量物源。為了防治該條泥石流溝，需要在上游修建攔擋工程，需要計(jì)算該溝道泥石流的平均流速。

在溝內(nèi)任一較為順直位置設(shè)置測量斷面，測量斷面圖如圖1。通過大比例尺地形圖測量計(jì)算以及實(shí)地調(diào)查測得斷面上泥石流溝道縱坡j＝6.67％。

該溝于2007年7月25日發(fā)生泥石流。泥石流結(jié)束后，通過野外現(xiàn)場調(diào)查實(shí)驗(yàn)確定該次泥石流體積比含沙量sv＝0.727，密度為2.2g/cm³，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)泥石流堆積體中黏粒含量較多，初步斷定為黏性泥石流，其平均流深h＝1.2m。

在泥石流堆積體上，取方量為2m×2m×h的泥石流樣品，通過室內(nèi)篩分、粒度分析，得到顆粒級配(表1)，將顆粒級配導(dǎo)入matlab中，把泥石流標(biāo)度分布公式(式中，p(>d)是大于粒徑d的顆粒百分比、c是系數(shù)、d是粒徑、dc是特征粒徑、μ是冪指數(shù))輸入curvefittingtool中的自定義公式中，通過curvefittingtool確定標(biāo)度分布公式中的參數(shù)(μ,dc)為(0.0349,21.5610)。

表1實(shí)施例一大于某粒徑(mm)泥石流顆粒質(zhì)量百分比(％)

將(μ,dc)＝(0.0349,21.5610)、sv＝0.727、h＝1.2、j＝6.67％代入式1，計(jì)算得到測量斷面上泥石流平均流速v＝8.07m/s。

本次泥石流中，在該測量斷面上的實(shí)測得泥石流斷面平均流速為7.97m/s。本發(fā)明測算方法結(jié)果誤差為1.25％，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)施例二

如圖2所示，用本發(fā)明方法測算大渡河上游一條泥石流支溝的一次泥石流流速。

該泥石流支溝流域面積8.6km²，主溝長6.3km，流域最高點(diǎn)海拔3655m，最低點(diǎn)海拔2705m。坡度大，地形陡峭，且風(fēng)化嚴(yán)重，這為泥石流的形成提供了有力條件。該溝經(jīng)常爆發(fā)泥石流，且規(guī)模較大，威脅下游人民安全。為了防治該條泥石流溝，需要在上游修建攔擋工程，需要計(jì)算該溝道泥石流的平均流速。

在溝內(nèi)任一較為順直位置設(shè)置測量斷面，測量斷面圖如圖2。通過大比例尺地形圖測量計(jì)算以及實(shí)地調(diào)查測得斷面上泥石流溝道縱坡j＝15.07％。

該溝于2010年8月12日發(fā)生泥石流。泥石流結(jié)束后，通過野外現(xiàn)場調(diào)查實(shí)驗(yàn)確定該次泥石流體積比含沙量sv＝0.5330，密度為1.9g/cm³，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)堆積體中黏粒成分較多，初步斷定為黏性泥石流，其平均流深h＝0.7m。

在泥石流堆積體上，取方量為2m×2m×h的泥石流樣品，采用同實(shí)施例一相同方法計(jì)算泥石流顆分參數(shù)(μ,dc)為(0.0377,46.4484)。泥石流顆粒質(zhì)量百分比數(shù)據(jù)見表2。

表2實(shí)施例二大于某粒徑(mm)泥石流顆粒質(zhì)量百分比(％)

將(μ,dc)＝(0.0377,46.4484)、sv＝0.5330、h＝0.7、j＝15.07％代入式1，計(jì)算得到測量斷面上泥石流平均流速v＝7.65m/s。

本次泥石流中，在該測量斷面上的實(shí)測得泥石流斷面平均流速為7.92m/s。本發(fā)明測算方法結(jié)果誤差為3.41％，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

申請人將本發(fā)明方法應(yīng)用于更多地點(diǎn)泥石流溝中發(fā)生的粘性泥石流的實(shí)際流速測算。圖3是更多流速野外觀測值與本公式計(jì)算值的對比關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：李泳等.泥石流顆粒的標(biāo)度分布.四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版),2013年1月。