本發(fā)明屬于泥石流防治工程設計應用技術領域，特別涉及一種泥石流臨界體積濃度的計算方法。
背景技術：
泥石流主要由水體和固體顆粒等固、液兩相組成，即泥石流的體積濃度主要由泥石流體中固體顆粒的含量百分比及其固體顆粒級配等共同決定，且泥砂起動的最大固體顆粒計算公式和體積濃度與泥石流的容重關系，當泥石流的體積濃度c大于極限體積濃度cc時，則泥石流侵蝕溝道堆積物。因此，強震區(qū)泥石流的體積濃度特征是泥石流防治的研究重點。
泥石流的體積濃度變化特征與溝道縱比降，泥石流流速以及溝道的糙率等因素相關。泥石流體積濃度不僅反映了泥石流起動過程中的固體物質侵蝕特征，而且反映了沖蝕起動泥石流溝道堆積物的地表徑流的流體性質。泥石流體積濃度也是泥石流容重的表針參數，泥石流動力學性質的主要參數之一。泥石流任意流深的體積濃度是不相同的，泥石流的體積濃度與其流深、流速呈連續(xù)函數關系。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，通過現場配方法和查表法分別得到暴發(fā)過程中的泥石流體積濃度為58％和43.6％，通過黏粒百分含量和粗顆粒百分含量得到泥石流暴發(fā)過程中的體積濃度約為41.2％。2008年“9·26”洪災和2010年“8·14”洪災期間牛圈溝發(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，通過現場配方法得到暴發(fā)過程中的泥石流體積濃度為47.3％，通過黏粒百分含量和粗顆粒百分含量得到的泥石流暴發(fā)過程中的體積濃度約為38.8％。
泥石流的體積濃度反映了泥石流流體的物理特征，泥石流固體顆粒含量反映了泥石流在起動、暴發(fā)過程中的流體濃度；現行的泥石流體積濃度主要通過室內實驗和現場取樣獲取，其著重點在于研究泥石流固體顆粒在泥石流體中的百分含量特征?；谀嗍鳒系罃嗝鎱岛湍嗍鳒系蓝逊e物物理性質的臨界體積濃度模型能快速獲取體積濃度參數，在震區(qū)泥石流防治的使用能高效、便捷的推廣到設計單位和生產單位。
技術實現要素：
本發(fā)明的目的在于：針對上述存在的問題，提供一種泥石流臨界體積濃度的計算方法，解決強震區(qū)泥石流溝道堆積物起動過程中溝道縱比降和泥石流流深與泥石流臨界體積濃度的關系，構建基于泥石流流深和溝道堆積物物理性質的泥石流臨界體積濃度預測模型，并進行實例運用，為震區(qū)泥石流防治提供新方法，適用于泥石流防治實際工程的需要。
本發(fā)明技術的技術方案實現方式：一種泥石流臨界體積濃度的計算方法，其特征在于：將震區(qū)泥石流的溝道特征和泥石流溝道堆積物的物理性質應用于震區(qū)泥石流起動過程的臨界體積濃度預測，其具體計算方法如下：
a.通過獲取震區(qū)泥石流溝道的參數，確定泥石流溝的溝道坡度α，泥石流溝道縱比降j，泥石流溝道堆積物容重γs，泥石流體中水的容重γw，泥石流溝道堆積物的內摩擦角θ，泥石流流深h，泥石流溝道的糙率系數n，泥石流的粘滯系數η；
b.通過以下公式確定震區(qū)泥石流起動時的臨界體積濃度，單位％，
式中,α為泥石流溝的溝道坡度(°)，j為泥石流溝道縱比降(‰)，γs為泥石流溝道堆積物容重(kn/m3)，γw為泥石流體中水的容重(kn/m3)，θ為泥石流溝道堆積物的內摩擦角(°)，h為泥石流流深(m)，n為泥石流溝道的糙率系數，η為泥石流的粘滯系數(pa·s)；均由步驟a所確定。
本發(fā)明所述的泥石流臨界體積濃度的計算方法，其所述步驟b中確定震區(qū)泥石流起動時的臨界體積濃度的公式適用于震區(qū)泥石流起動過程中的臨界體積濃度預測，將得到的泥石流體積濃度作為震區(qū)泥石流防治的最小泥石流體積濃度參數。
與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明突破傳統經驗的限制，從泥石流溝道縱比降、泥石流溝道寬度等多方面入手，構建了基于泥石流溝道參數的泥石流體積濃度計算模型。首先，在泥石流溝道縱比降方面，充分考慮震區(qū)泥石流溝道縱比降變化，利用泥石流溝道縱比降變化特征定量反映了震區(qū)泥石流地形坡度特征；其次，基于汶川震區(qū)泥石流溝道堆積物的物理性質，根據泥石流流體的受力平衡方程反映了震區(qū)泥石流溝道堆積物起動時的臨界體積濃度與溝道橫斷面間的相互關系，計算理論完善，計算結果符合泥石流現場調查，能夠為震區(qū)泥石流防治提供技術支持。
附圖說明
圖1是泥石流溝道堆積物受力分析示意圖。
圖中標號如下：△h為溝道堆積物任意侵蝕厚度，△l為堆積物任意侵蝕長度，h為泥石流堆積厚度，h為泥石流流深，α為泥石流溝道坡度，dn為堆積物所受支撐應力，dgy為泥石流固體顆粒的自重應力，dτ為堆積物所受剪應力。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發(fā)明作詳細的說明。
為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。
一種泥石流臨界體積濃度的計算方法，其主要思路是：將震區(qū)泥石流的溝道特征和泥石流溝道堆積物的物理性質應用于震區(qū)泥石流起動過程的臨界體積濃度預測。首選根據泥石流溝道堆積物的受力特征推導泥石流運動時的泥石流流深；再通過震區(qū)已暴發(fā)的泥石流溝的調查以及泥石流溝道特征參數的測量等手段確定泥石流流深、溝道坡度、溝道縱比降、泥石流溝道糙率系數、泥石流溝道堆積物內摩擦角；將所得參數帶入震區(qū)泥石流臨界體積濃度計算模型中，得到泥石流溝道堆積物起動時的體積濃度預測值。
其具體計算方法及步驟如下：
首先，根據泥石流溝道堆積物在地表徑流中的受力平衡，分析泥石流溝道堆積物起動過程中的驅動力條件和阻力條件。假設震區(qū)泥石流溝道縱比降為j，溝道坡度為α，泥石流流深為h，泥石流溝道堆積物的內摩擦角θ，泥石流的粘滯系數η，泥石流溝道堆積物起動時的容重γs，泥石流體中水的容重γw。泥石流固體顆粒受到的自重應力、浮應力、黏滯力公式表示為基于震區(qū)泥石流的流深起動的臨界條件可知，泥石流不同侵蝕厚度與泥石流的流深密切相關。震區(qū)泥石流溝道堆積物起動時的受力平衡公式表示為：
式中，α為泥石流溝的溝道坡度(°)，γ為泥石流溝道堆積物容重(kn/m3)，γw為泥石流體中水的容重(kn/m3)，泥石流飽和容重為γsat(kn/m3)，θ為泥石流溝道堆積物的內摩擦角(°)，h為泥石流流深(m),n為泥石流溝道的糙率系數，η為泥石流的粘滯系數(pa·s)，j為泥石流溝道縱比降(‰)。
然后，因為泥石流的溝道坡度和泥石流物源的內摩擦角均為定值，震區(qū)泥石流起動時的體積濃度的公式表示為：
式中，符號同上所示。
其中，所述步驟b中確定震區(qū)泥石流起動時的臨界體積濃度的公式適用于震區(qū)泥石流起動過程中的臨界體積濃度預測，將得到的泥石流體積濃度作為震區(qū)泥石流防治的最小泥石流體積濃度參數。
以下為本發(fā)明的具體實施例：
小崗劍流域匯水面積為0.61km2，形成流通區(qū)的溝道縱比降為506‰。根據小崗劍泥石流溝的流域遙感分析，流域整體坡度在平均坡度在30°以上，局部在50°以上。泥石流溝道坡度在平均坡度在30°以上，且泥石流流通區(qū)下游陡坎位置的坡度在50°以上。
為了有效的防治和治理泥石流，防止綿遠河被堵塞威脅下游安全，根據泥石流溝道以及攔砂壩設計寬度等特征進行有效預測，具體計算方法及步驟如下：
a.根據小崗劍泥石流溝的野外調查和泥石流溝道參數測試，確定了小崗劍溝1#攔砂壩的平均泥深0.73m，泥石流溝道堆積物固體容重為26.6(kn/m3)，粘滯系數為1.005(pa·s)，泥石流縱比降483‰，糙率系數12，泥石流溝道堆積物的內摩擦角33°。
b.將a步驟確定的各參數代入下公式，
c.通過公式計算獲取泥石流溝道堆積物起動過程中臨界體積濃度為3.9％，則小崗劍泥石流1#攔砂壩防治工程位置泥石流溝道堆積物起動時的體積濃度為3.9％。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。