泥石流临界土体体积含水率测量方法与泥石流预警方法

摘要

本发明公开了一种泥石流发生时的临界土体体积含水率测量方法以及一种泥石流发生预警方法。针对现有技术中采用的有效前期雨量-实时降雨泥石流模式中，存在由于有效前期雨量是间接指标，无法准确表征预警区的实时土体条件变化的缺陷，本发明首先提供一种泥石流发生临界土体体积含水率测量方法，并进一步提供一种以泥石流流域中形成区内泥石流发生时候的临界土体体积含水率测算方法为核心，通过对形成区当前实时土体含水率与实时降雨数据耦合结果的实时监控结果实现形成区泥石流发生的预报预警的方法。本发明方法原理可靠，直接利用含水率传感器获取真实的土体含水率，并结合实时降雨变化进行泥石流预警，只需要首先确定临界土体体积含水率，指标简单，适用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种泥石流发生时的临界土体体积含水率测量方法以及 一种泥石流发生预警方法。

背景技术

暴雨引发泥石流多为流域内源区松散物源在降雨入渗作用下坡面失 稳，产生径流并大量汇入沟道而形成。目前，暴雨泥石流预警方法多以 “有效前期雨量—雨强/历时”为基本理论模型，也有雨量组合与临界阈 值的形式。但前期有效雨量仅能间接体现泥石流发生时期的土体特征， 对土体体积含水率在泥石流形成过程中的重要作用存在考量不充分的缺 陷。细分析之下，这类方法总体上存在下以几方面不足：一、前期雨量 难以精确计算，且计算多种计算方法所得结果差异较大。计算有效前期 雨量方法主要以泥石流暴发前某一天的雨量乘以衰减系数并线性相加的 形式，但不同泥石流流域下垫面和物源性状不同，衰减系数可能也不一 样，且不同的学者也有不同的计算方法；二、预警模型形式多，物理含 义不明确。当前的泥石流预警模型多采用“前期降雨-实时降雨”为基本 模式，更多的预警模型采用1h、12h、24h、10min雨强等组合形式。预 警模型多以这些雨强指标或年均降雨量、月降雨量等作为本底值，将雨 量指标无量纲化后的线性相加、幂函数形式。尽管现有技术均说明这些 模型能够在一定程度上起到预警作用，但其中涉及的诸多指标的物理涵 义不甚明确；三、当前已有的泥石流预警模型系统可靠性不高，精度低。 现有技术中公开的泥石流预警系统多集成降雨指标与动力学参数为一体 的预警系统，这些预警系统受泥石流运动特征（如：大冲大淤，洪水与 泥石流运动因振动以及机械振动产生的地声频谱值差别）和传感器精度 多出现错报、漏报等特点，使当前的泥石流预警系统可靠性不高，精度 较低；四、预警模型中的指标范围较窄，不能反映源区物源某一时刻的 力学性能和泥石流规模。当前预警模型大多采用了界定最小值或者“安 全阈值”的方法，使用的降雨阈值与降雨密切相关。但事实上，在泥石 流形成初期，孔隙水压力，水势，地温都有明显的变化，而泥石流形成 的时间和规模与短历时雨强密切相关，因此在未考虑土体体积含水率、 基质吸力、孔隙水压力或者地面变形等指标的情况下，所得到的预警模 型并不能较全面反映泥石流启动时刻的物理特征。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种泥石流预警方法， 该方法以泥石流流域中形成区内泥石流发生时候的临界土体体积含水率 测算方法为核心，通过对形成区当前实时土体含水率与实时降雨数据耦 合结果的实时监控结果实现形成区泥石流发生的预报预警。

为实现上述目的，本发明首先提供一种泥石流发生临界土体体积含 水率测量方法，其技术方案如下：

一种泥石流发生临界土体体积含水率测量方法，其特征在于：依照 如下步骤实施：

步骤S1、根据实地勘查泥石流流域确定研究区范围；实验测试获取 研究区土体基础数据，包括土体孔隙率n、土体渗透系数K、颗粒级配分 布特征参数d₁₀、d₃₀、d₆₀；

步骤S2、依式1计算确定临界土体体积含水率W_a：

$W_a=-1.2\times K+0.47\times n+0.12\times \frac{d_{30}^2}{d_{10}\times d_{60}}-0.169$    式1

式中，W_a——临界土体体积含水率，%

K——土体渗透系数，mm/s

d₁₀、d₃₀、d₆₀——颗粒级配分布，m

n——土体孔隙率，%。

临界土体体积含水率是指在既定的泥石流研究区内，泥石流发生时 刻的土体体积含水率。本方法中，通常选择泥石流流域实地勘查后确定 的泥石流形成区作为研究区。在既定泥石流流域内，由于形成区土体内 摩擦角、粘聚力等物理特征相对稳定，坡面的坡降变化不大，因而，形 成区内存在一个相对稳定的土体体积含水率阈值。当土体的实际含水率 大于该阈值时，土体驱动力大于抗剪力，坡面土体启动并形成泥石流。 由于在既定泥石流流域内，土体实际含水率越接近该阈值，流域内发生 泥石流的危险性越高，当土体体积含水率进一步增加达到该阈值时，则 流域内发生泥石流。因此在实际泥石流流域勘查工作中，经由勘查测量 计算确定泥石流发生临界土体体积含水率的方法，可以迅速判断流域形 成区土体是否处于泥石流发生的临界状态，或者接近临界状态，从而解 决迅速判断泥石流流域内是否存在泥石流发生危险的技术问题。

国内外大量关于降雨激发浅表层滑坡、泥石流，以及人工降雨激发 土体失稳形成泥石流的研究发现，土体孔隙率n、土体渗透系数K，土体 颗粒级配分布值均与泥石流流域中浅表层滑坡启动或泥石流启动时的含 水量之间有非常密切的关系，但这些指标与泥石流发生时刻土体临界状 态的具体关系一直未被公开，土体颗粒级配分布指标未被细化，如何综 合利用这些指标表征土体临界状态的具体方法也未被提示。本发明通过 分析国内外已有的泥石流形成时土体体积含水率、土体各种物理指标数 据，并开展了相应的泥石流启动模拟实验，确定上述指标参数间的关系， 并用式1表达。

以上述泥石流发生临界土体体积含水率测量方法为基础，本发明进 一步提供一种泥石流发生预警方法，其技术方案如下：

一种泥石流发生预警方法，其特征在于：依照如下步骤实施：

步骤S1、根据实地勘查确定泥石流预警区范围；

步骤S2、实验测试获取泥石流预警区土体基础数据，包括土体 孔隙率n、渗透系数K、颗粒级配分布特征参数d₁₀、d₃₀、d₆₀，土体 基础数据输入控制中心；在预警区内布置土体含水率传感器、降雨量 传感器，传感器获取的土体含水数据与降雨量数据传输至控制中心；

步骤S3、控制中心依式1计算确定临界土体体积含水率W_a并存 储：

$W_a=-1.2\times K+0.47\times n+0.12\times \frac{d_{30}^2}{d_{10}\times d_{60}}-0.169$    式1

式中，W_a——临界土体体积含水率，%

K——渗透系数，mm/s

d₁₀、d₃₀、d₆₀——颗粒级配分布，mm

n——土体孔隙率，%；

步骤S4、控制中心根据获取的实时土体含水数据、实时降雨数 据，依常规方法循环计算预警区当前土体体积含水率W_t，并实时循 环计算确定预期灾害时间T；所述预期灾害时间T是预警区内实时降 雨条件下当前土体体积含水率W_t达到或接近临界土体体积含水率W_a所需要的时间；

步骤S5、控制中心根据预期灾害时间T的循环计算结果确定发 出或不发出泥石流预警信息。

上述泥石流发生预警方法的技术思想在于：以土力类泥石流形成过 程作为理论基础，将形成区松散土体失稳过程所需要的含水率与实时雨 量联系起来，并用临界土体体积含水率判定形成区松散物源稳定状态。 在确定此三者关系的基础上，通过实时雨量反馈泥石流形成所需要的雨 量与大致时间。依照该技术思想，本泥石流预警方法的基本技术原理在 于：在步骤S1、S2中确定预警区范围与预警区土体基础数据，在利用前 述泥石流发生临界土体体积含水率测量方法解决泥石流发生时刻临界条 件值判断的技术问题的基础上，进一步地，在既定预警区内只要对预警 区内传感器采集的实时降雨数据与实时土体体积含水率数据进行监测， 利用此二者数据循环计算检验当前土体体积含水率W_t变化情况，判断 W_t与W_a的关系，预测预期灾害时间T（即W_t达到W_a所需的的时间，或 者达到距离W_a某指定区间范围所需的时间），便能对预警区内泥石流发 生可能性与发生时刻做出判断与评估，由此实现泥石流发生预报预警。 采用此方法对泥石流流域内的泥石流发生进行预报预警，用土体体积含 水率这一直接指标替代现有技术中采用的有效前期雨量等间接指标表征 预警区的实时土体条件变化，通过土体体积含水率判定形成区土体（特 别是泥石流形成区的坡面土体）是否达到/临近失稳、是否存在泥石流发 生的危险，因而具备更高的指标可靠性与结果可靠性。

在本泥石流预警方法中，通常选择对泥石流流域实地勘查后确定的 泥石流形成区作为预警区。

上述方法，步骤S1中，土体含水率传感器优选布置在泥石流形成区 的坡面，原因在于土力类泥石流的启动主要开始于形成区坡面浅层土体 水分增加而导致的滑移。土体含水率传感器传感元件埋置深度一般为 5cm～20cm，其原因在于，泥石流发生多由流域内深度20cm以上层的土 体流失所致，5cm～20cm处土体含水率数据对无论是土体临界含水率指 标还是当前含水率指标都有更为重要的意义。

上述方法，步骤S4中，控制中心依常规方法循环计算预警区当前土 体体积含水率W_t的方法是在每一个循环计算的时间周期内，首先通过传 感器获取计算该周期的土体初始含水率W_t0，并计算临界土体体积含水率 W_a与土体初始含水率W_t0间的差值含水率ΔW，再计算当前降雨强度下， 土体体积含水率增量达到或接近ΔW的时间，该时间即为预期灾害时间 T。为提高准确性，本技术方案对此步骤技术内容做进一步优化。具体方 法可以是：控制中心依据获取的实时降雨数据首先计算出实时雨强R， 再将实时雨强R与土体渗透系数K进行大小断别。若R≤K，说明降雨 可以全部入渗进入土体当中，直至土体的当前含水率到达土体临界含水 率，则预期灾害时间T＝ΔW/R；反之，若R＞K，则表明土体体积含水率 单位时间内的增量为K，预期灾害时间T＝ΔW/K。该关系以式2表示为： 为提高测算精度，雨强R应当选取尽量短历时 的实时雨强指标，以历时周期Δt≤10min的雨强指标为优。

本发明提供的上述泥石流发生预警方法主要适用于土力类泥石流的 预报预警。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了既定流域内 泥石流发生时刻土体临界含水率的测量方法，并利用此方法进一步结合 实时土体含水率数据与实时降雨数据二直接指标实现泥石流发生的预报 预警。与目前大多数采用的预警模式（即采用衰减系数乘以前某一天的 降雨量的线性叠加方式得到的有效前期雨量结合实时降雨进行预警）相 比，本预报预警方法最大的特点在于直接利用土体体积含水率传感器直 接得到真实的土体含水率并结合实时降雨进行泥石流预警，并且考虑了 不同泥石流形成区的岩土体特征参数。本预警方法不需要进行复杂的计 算有效前期雨量过程，而只需要首先确定临界土体体积含水率，指标简 单，适用性比“有效前期雨量-实时降雨”的预警模式更强。

附图说明

图1-1是实施例一测量方法技术路线示意图。

图1-2是实施例一土体颗粒级配曲线。

图2-1是实施例二预警方法技术路线示意图。

图2-2是实施例二降雨过程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1-1所示技术路线，用本发明方法测量云南省昆明市东川区蒋 家沟泥石流发生时临界土体体积含水率W_a。

实地勘查蒋家沟泥石流流域，确定形成区为上游松散物质堆积的陡 坡，以该区为研究区。

采集研究区角砾土土样，实验测试获取土体基础数据，包括土体孔 隙率n、渗透系数K、颗粒级配分布特征参数d₁₀、d₃₀、d₆₀。测试结果： 土体容重1.954g/cm³，孔隙率n0.3818，渗透系数K0.00807mm/s；由颗 粒级配曲线（如图1-2所示）可得该角砾土的d₁₀＝0.01mm、d₃₀＝0.25mm、 d₅₀＝1mm、d₆₀＝3mm，则

依式1计算确定临界土体体积含水率W_a：

$W_a=-1.2\times K+0.47\times n+0.12\times \frac{d_{30}^2}{d_{10}\times d_{60}}-0.169=40.1\%$

故，蒋家沟内泥石流发生时刻临界土体体积含水率为40.1%。

实施例二

以实施例一技术方案为基础，采用本发明方法进一步对蒋家沟泥石 流发生进行预报预警，实施例一所确定研究区范围即为本实施例中泥石 流预警区范围。本实施例中，以蒋家沟流域在1999年7月16日发生的 泥石流的有关土体含水率与降雨量历史记录数据为样本，对该场泥石流 进行模拟预警预报。图2-1是技术路线示意图。

除进行预警区角砾土土样的实验测试获取泥石流预警区土体基础数 据外，在预警区内还需布置土体含水率传感器与降雨量传感器。土体含 水率传感器布置在预警区坡面上，传感元件埋置深度5cm～15cm。传感 器获取的土体含水数据与降雨量数据通过无线通讯传输至控制中心。

从土体含水率传感器获取当前时刻预警区内土体含水率现值；进一 步的灾害记录数据显示，蒋家沟流域在某场泥石流爆发前在处于地表层 以下10cm～20cm深土体的含水率基本维持在10%～12%之间，因此在本 具体实施方式中将预警区降雨前的初始土体体积含水率W_t0设定为10%。 W_t0未达到临界土体体积含水率W_a（40.1%），此时无泥石流发生，且降 雨发生前土体差值含水率ΔW＝40.1%－10%＝30.1%。

降雨发生后，控制中心根据获取的实时土体含水数据与实时降雨量 数据，实时循环计算确定预警区当前土体体积含水率W_t与预期灾害时间 T，具体是：

a、实时测量预警区的降雨过程

以10min雨强R₁₀特征值分析降雨过程。1999年7月16日泥石流实 际暴发前的降雨过程如图2-1所示；

b、比较雨强R与渗透系数K大小

将10min雨强R₁₀换算为与渗透系数K同样单位，比较结果显示当 前雨强R₁₀＜渗透系数K，表明当前降雨全部入渗进入土体当中，直至土 体体积含水率到达40.1%时，泥石流暴发；

c、循环计算当前土体体积含水率W_t与W_t达到临界值W_a所需时间T_e：

以雨强R₁₀历时周期10min作为循环计算预警区当前土体体积含水 率W_t与土体体积含水率达到临界值W_a所需时间T_e的时间周期，即Δt＝ 10min；

以单位面积、深度H（H为土体含水率传感器埋置深度）的土体作 为分析对象，根据当前土体体积含水率W_t预测一个计算周期（10min） 末的土体体积含水率预测值（即下一个计算周期土体体积含水率初始 值），计算关系式如式3：

    式3

式中：W_t+Δt——本计算周期末土体体积含水率预测值，%

W_t——当前土体体积含水率，%

t——当前降雨记录时刻，

Δt——实时雨强R历时周期，min（本例中为10min），

R——实时雨强，mm/s

K——土体渗透系数，mm/s

H——土体含水率传感器传感元件埋置深度，mm

依式2所示方法，本实施方式中应将实时雨强R代入式3。在每一 个计算时间周期内落到预警区的雨水体积为Δt×R×A（A为预警区面 积）。

根据式3计算结果，若W_t+Δt＞W_a，控制中心须发出泥石流来临警报。 否则，可以由式4，进一步计算W_t达到临界值 W_a所需时间T_e。

当前土体体积含水率W_t与W_t达到临界值W_a所需时间T_e循环计算结 果如表2.1所示。

表2.1计算结果表

表2.1计算结果显示，采用本发明方法须在00:00-00:10时间段内发 出泥石流预警信号，在1小时后的01:12:34，蒋家沟内发生泥石流。