一种滑坡泥石流坝溃口特征测算方法及其应用

摘要

本发明公开了一种滑坡泥石流坝溃口特征测算方法。针对现有技术中对滑坡泥石流坝溃口平均宽度无恰当测算方法，并且对溃口残留高无测算方法的缺陷，本发明提供了一种滑坡泥石流坝溃口平均宽度和残留高度的测算方法及其应用。本方法首先通过实地调查测量或取样分析获得测算所需的基本数据，然后依相应公式分别计算溃口平均宽度与残留高两项特征值。本发明方法基于滑坡泥石流坝溃决的机理与特点，针对性解决滑坡泥石流坝溃口特征的测算问题，并且首次实现了对溃口残留高特征值的测算。测算值与实测值对比显示，测算结果误差均不大，可以满足工程实践要求。本发明方法可以应用于滑坡泥石流坝形成前或形成后对可能发生的溃决的溃口特征的测算。

说明书

技术领域

本发明涉及一种滑坡泥石流坝溃口特征测算方法，特别是涉及一种滑坡泥石流坝溃口平均宽度和残留高度的测算方法及其应用，属于水利工程领域。

背景技术

滑坡泥石流坝系山区规模大或较大的滑坡、泥石流堵塞河流或沟道形成的滑坡堰塞坝或泥石流堰塞坝的统称，高度从几米到几百米不等，其上游积水形成堰塞湖，容积从几千立方米到几十亿立方米不等。坝体一旦溃决，大量湖水通过溃口迅速下泄，往往形成流量极大的非常洪水，对下游造成惨重的灾害。尤其大地震发生后，在震区会形成大量的滑坡坝，震后丰富的松散岩土物质在暴雨的激发下又会形成众多的泥石流坝及滑坡坝，对下游地区危险极大。

为了降低甚至避免这类危害，在坝体形成后，就需要尽快对首次自然溃坝的形式做出预测，对溃口的特征值进行准确测算。滑坡泥石流坝基本上都属于局部逐渐溃决，溃口的特征值主要是指溃口的宽度与深度，前者一般用溃口的平均宽度(b_c)表征，后者常用坝体的残留高(H_d)表征(因为坝高减去残留高便是溃口深度)。测算出这两个特征值后就可以利用相关公式计算出溃坝峰值流量和最高水位及其在坝下游的演进，进而预测溃坝对下游危害的范畴和程度，为制订有效的防灾减灾预案提供科学依据。因此准确测算滑坡泥石流坝溃口的平均宽度b_c和残留高H_d两项特征值，对有效减轻溃坝洪水灾害具有十分重要的意义。

对于溃口宽度测算方法，已存在一些溃口宽度计算公式，其中国内有：黄河水利委员会公式、铁道科学研究所公式、白世录公式、清华大学水利系公式和谢任之公式等；国外有：美国国家气象局、美国垦务局、Von.Gillette和Eroeehilich公式等。这些溃口宽度计算公式如果在泥石流滑坡坝中实际运用至少存在两点：第一，严格地讲，这些公式仅适用于人工土石坝的溃口宽度或平均宽度计算，对于滑坡泥石流坝现场的应用并不适宜，计算误差很大，可一般超过100％；第二，公式中有关坝体组成物质的抗冲能力的处理，都是根据坝体物质性状确定几种特定的系数K值，一般是根据土壤质地分为壤土类和粘土类两类。在已给出的K值系数中主要适用于人工土石坝的物料，均不能作为滑坡泥石流坝坝体自然堆积物的系数K值，公式难以应用；第三，即便是已有的系数K值，由于两种土质性状的K值可相差约0.5～1.0倍，因此计算结果的b_c值也可能相差约0.5～1.0倍，公式实用性较受限。对于溃口残留H_d值的测算方法，现有技术在公开发表的文献中未见到。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种滑坡泥石流坝溃口平均宽度b_c与残留高H_d两个重要值的测算方法。该方法基于滑坡泥石流坝溃决的机理与特点，针对性解决滑坡泥石流坝溃口特征的测算问题，并且首次实现了对坝体溃口残留高H_d特征值的测算。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种泥石流坝溃口特征测算方法，其特征在于：首先通过现场调查测量确定坝体及堰塞湖的坝高H、坝体有效宽度B、堰塞湖容积W、坝体顺河方向的单宽体积V₁、坝体物质的内摩擦角系数坝体物质的粒径d₉₀6个基本数据，然后依公式1、2确定溃口平均宽度b_c值与残留高H_d值：

公式1

$H_d=1.109{\left(\frac{V_1}{W}\right)}^{0.065}{d_{90}}^{0.088}{H}^{0.912}$公式2

式中，H--坝高(m)

B--坝体有效宽度(m)

W--堰塞湖容积(m)

V₁--坝体顺河方向的单宽体积(m³)

--坝体物质的内摩擦角系数

d₉₀--坝体物质的粒径(m)。

上述方法根据滑坡泥石流坝溃决的机理和特点，其原理在于：滑坡泥石流坝溃口的平均宽度b_c值与残留高H_d值的大小是是堰塞湖水冲刷能力与坝体抗冲能力之间抗衡的结果，因此影响湖水冲刷能力和坝体抗冲能力的因素也就是影响b_c值与H_d值大小的因素。

影响湖水冲刷能力的主要因素包括三项：第一、堰塞湖容积W。这是决定冲刷能力的物质基础；第二、堰塞湖坝前水深。由于超过95％的滑坡泥石流坝溃决原因是堰塞湖水的漫顶溢流，因此坝前水深取决于坝高，两者基本接近，故采用坝高H代替堰塞湖坝前水深；第三，坝前湖水面宽。这是由于当坝顶开始冲刷下切出现溃口雏形后，邻近的湖水以负波形式向上游和两侧扩展，并呈漏斗状向溃口补水，两侧宽度越大，补水程度越高，流速越快，溃口扩展也越大。由于滑坡泥石流坝实际上是滑坡或泥石流堆积物堵塞河(沟)道的部分，因此坝体与滑坡、泥石流整个堆积体很难截然分割，只有采用与堰塞湖水相连接的部分作为有效坝体，这样坝前水面宽与有效坝长完全一致，故采用坝体有效宽度B。影响坝体抗冲能力的主要因素包括三项：第一、坝体顺河方向的1m单宽体积V₁，这是抗冲能力的物质基础；第二、坝体物质的抗剪强度。滑坡泥石流坝的坝体物质是散粒体，相当疏松，往往沙粒、砾石和块石含量高，粘粒含量相对较少，故凝聚力小或较小，加之坝体含水量高，因为刚堆积的泥石流坝体物质处于饱和状态，滑坡坝在湖水渗透的影响下，在浸润面以下也基本上处于饱和状态，故凝聚力很小，因此决定坝体物质抗剪强度的主要是内摩擦角故采用内摩擦系数第三、坝体物质的粒径d₉₀。粒径越粗，尤其大块石含量越多，抗冲能力越强。

以上述滑坡泥石流坝溃决形成的机理分析与参数选定为基础，首先分别建立起b_c、H_d与诸因素之间的基础关系式与然后将实地调查测量获得的31处滑坡泥石流坝首次自然溃决案例的详细数据在双对数纸上分别点绘与与与以及与的关系图，通过对关系图的分析结果建立相关式，同时将与知与知均转变为对数形式；最后采用最小二乘法进行拟合，建立起以滑坡泥石流坝溃口的平均宽度b_c值与残留高H_d值计算公式为核心的滑坡泥石流坝溃口特征测算方法。

在优选条件下，上述方法可以做如下优化：第一、由于滑坡泥石流坝的坝顶面大多由滑体或泥石流发生一侧向对岸倾斜，在发生一侧坝高和横断面面积往往大或较大，而溃口都分布在鞍部一带，故真正起抗冲作用的是坝体鞍部的物质，所以V₁采用坝体鞍部顺河方向的单宽体积V_1鞍值测算结果更为准确；第二、基于上述同一原理，坝体物质的内摩擦角系数也以取坝体鞍部一带物质的内摩擦系数时测算结果更为准确。因此在优化条件下，溃口平均宽度b_c值的测算依公式3或公式5，残留高H_d值测算依公式4。

公式3

公式4

公式5

上述测算方法中，坝体有效宽度B值、坝高H值的确定都是先通过现场调查考察，确定或设定自然溃决时或前后的坝体和堰塞湖的实际位置和状况，包括淹没部分，然后用必要的仪器测量目标的距离、高差。坝体顺河方向的单宽体积V₁值的确定一般是测定坝体鞍部概化后的坝顶宽L、坝体迎水坡的坡角α₁、背水坡的坡角α₂，再结合坝高H，依公式6计算确定。堰塞湖容积W值的确定首先通过现场调查测量确定溃决前堰塞湖的湖面位置，然后根据堰塞湖大小选用相应的方法计算确定。值的确定首先确定角，角可直接用仪器测定，或者根据滑坡、泥石流坝区有代表性的局部堆积体的休止角，尤其是溃口两侧边壁的休止角，并结合经验类比确定。

$V_1=H[\frac{H}{2}(\frac{1}{{\mathrm{tg\alpha }}_1}+\frac{1}{{\mathrm{tg\alpha }}_2})+L]B_1$公式6

本技术方案提供的滑坡泥石流坝溃口特征测算方法在实际中通常有两种应用方法：--应用方法一：在滑坡泥石流坝形成后，立即通过调查测量获得测算所需的坝体与堰塞湖的6个基本数据，然后依公式分别测算可能形成的溃口平均宽度b_c值与残留高H_d值。这一应用方法，本质上是在坝体形成后实地测量获得测算所需的数据，准确性较高。但由于已形成的坝体有可能很快溃决(有时甚至预案尚未完全完成实施，坝体就已溃决)，预留给完成和实施溃坝洪水减灾预案的时间有限。应用方法二：根据某处坡体的不稳定性或泥石流沟的发展趋势，预测该地可能要形成滑坡坝或泥石流坝，并通过现场调查与测量对滑坡坝或泥石流坝的规模与物质组成做出预期估算，获得测算所需基本数据。然后依公式分别测算该地可能形成坝体溃决的溃口平均宽度b_c值与残留高H_d值。本技术方案的这一应用方法，本质上是在坝体尚未形成前作出溃口平均宽度和残留高的测算，目的是提前做好溃坝洪水减灾预案，一旦形成坝体就可快速启动预案有效减灾。相对于前一种应用方法，本应用方法对溃口特征测算结果的准确性可能相对较低，但提前预估灾害程度、为预案制定和实施留下充足时间，对有效降低溃决引起的损失在实际工作生产中却能发挥很重要的作用。该应用方法的前提是对滑坡泥石流坝的规模和物质组成有正确的预期估算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：第一、本技术方案提供的滑坡泥石流坝溃口特征测算结果包括了溃口平均宽度b_c和残留高H_d两个重要值，特别是溃口残留高H_d值的测算不仅在滑坡泥石流坝领域，甚至在人工土石坝领域的现有技术中都是首次出现的；第二、本技术方案提供的测算方法以滑坡泥石流坝溃决的机理和特点为依据，采用滑坡泥石流坝及其首次自然溃决的31处案例的实测数据建立起b_c值和H_d值的测算方法，这在国内外是首次实现，其测算结果比借用人工土石坝的计算公式要合理准确得多；第三、本技术方案在测算平均宽度b_c值时选用了内摩擦系数在测算残留高H_d值时选用了坝体物质粒径d₉₀，这两个基本数据均根据现场调查测量或取样分析获得，数据来源客观。因此本技术方案的测算结果相对于以往借用人工土石坝溃口宽度计算公式中根据坝体物质性状确定几种特定系数K值用于计算的结果更合理、准确；第四、本技术方案提供的测算方法经检验，溃口平均宽度b_c的计算值与实测值的误差，除2个案例外，均小于30％，大部分小于10％，平均为10.3％；溃口残留高H_d值误差均小于30％，大部分小于20％，平均值为9.4％，都不算大。故本技术方案提供的测算方法基本上可以满足工程实践要求。

附图说明

图1是滑坡泥石流坝概化示意图。

图2是图1的I-I剖面示意图。

图3是图1的II-II剖面示意图。

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～图3所示，用本发明方法测算四川省汶川县银杏坪沟泥石流坝溃口平均宽度b_c值与残留高H_d值。

四川省汶川县银杏坪沟处于5.12汶川地震区震中附近，沟内因地震影响形成松散固体物质丰富。2010年8月14日凌晨3时在大暴雨的激发下，暴发大规模泥石流，并堵塞岷江多形成泥石流坝。

(1)现场数据获取

在对银杏坪沟现场仔细调查的基础上，通过实地测量确定影响滑坡泥石流坝的6个因子值，即坝体与堰塞湖的6个基本数据为：

坝高H＝12m、有效坝长B＝117m、坝体鞍部一带物质的内摩擦系数d₉₀＝1.2m。由于坝体鞍部形态起伏较大，经处理概化为梯形后，坝体鞍部坝顶宽L＝43m、坝体迎水坡坡脚α₁＝16°、坝体背水坡坡脚α₂＝10°。

(2)确定V₁值

根据上述数据依公式6计算确定坝体鞍部顺河方向1m的单宽体积V₁＝1176m³。

(3)确定W值

上游堰塞湖容积W因坝体较低、湖面较小，，故采用湖区有代表性的横断面面积与横断面之间的距离(即湖长)求得。根据湖区地形和坝高，选择了3个有代表性横断面，分别是坝前断面、湖区中间河谷由窄变宽处的断面、堰塞湖上游末端断面。坝前断面与湖区中间断面之间的距离L₁＝750m，后者与末端断面之间的距离L₂＝585m。经测定并通过延伸处理三处断面面积分别为：坝前断面S₁＝942.0m²、湖区中间河谷由窄变宽处的断面S₂＝299.5m²、堰塞湖上游末端断面S₃＝91.0m²。根据上述数据，依下式计算确定堰塞湖容积W值，有：

$W=L_1\left(\frac{S_1+\sqrt{S_1{S}_2}+S_2}{3}\right)+L_2\left(\frac{S_2+\sqrt{S_2{S}_3}+S_3}{3}\right)=551517$

(4)确定b_c值、H_d值将H＝12m、W＝1551517m³、V₁＝1176m³、B＝117m、d₉₀＝

1.2m分别代入公式4、5，计算确定溃口平均宽度b_c＝29.5m、残留高H_d＝7.4m。

(5)测算值与实测值的比较

该泥石流坝发生溃决后，实地调查与测量得到溃口平均宽度b_c值为35.0m，残留高H_d值为8.0m。与前期测算结果比较，平均宽度b_c测算误差为-15.7％，残留高H_d测算误差为-7.5％。两项测算值误差均小于20.0％，在研究领域内不算大，可以满足工程实践需要。

实施例二

用本发明方法测算四川省茂县石坪滑坡坝溃口平均宽度b_c值和残留高H_d值。

四川省茂县位于岷江上游，区内南新镇石坪古滑坡变形明显，前缘和后侧均出现开裂。尤其受5.12汶川大地震影响，坡体裂缝显著地加宽、加长和增多，有可能再次发生大规模滑坡，并会堵断岷江，形成堰塞湖。

(1)现场数据获取

在古滑坡现场完成调查测量，根据坡体的勘探资料与对前缘岷江河谷的量测，预期估算再次发生滑坡后滑坡坝高H＝60m、有效坝长B＝312m、坝体鞍部一带物质的内摩擦系数d₉₀＝1.2m、坝体鞍部处概化为梯形后坝顶宽L＝120m、坝体迎水面坡脚α₁＝25°、坝体背水面坡脚α₂＝14°。

(2)确定V₁值

根据上述数据依公式6计算确定坝体鞍部顺河方向1m的单宽体积V₁＝19527m³。

(3)确定W值

上游堰塞湖由于坝体高、湖面大，堰塞湖容积W采用其所在七星关与大宗渠两幅1∶50000的地形图求得。该地形图等高距为20m，因为坝体鞍部轴线处最低高程为1421.14m，坝顶高程为1481.14m，则地形图上的湖体范围内有1440m、1460m、1480m共3条等高线。为了确定湖面面积，在1480m与1500m两条等高线之间按一般方法，对照实地地形，内插一条1481.14m等高线，并让诸等线通过坝体迎水面，使每条等高线封闭，然后用求积仪测定每条等高线所包围的面积。最后计算确定堰塞湖容积W＝1.05×10⁸m³。

(4)确定b_c值、H_d值

将H＝60m、W＝1.05×10⁸m³、V₁＝19527m³、B＝312m、d₉₀＝1.2m分别代入公式4、5，则有：

$b_c=0.376{\left(\frac{105000000}{19527}\right)}^{0.195}\times {\left(\frac{312}{0.601}\right)}^{0.337}\times {60}^{0.5}=124.8$

$H_d=1.109{\left(\frac{19527}{105000000}\right)}^{0.065}\times {1.2}^{0.088}\times {60}^{0.912}=27.0$

由此测算，石坪滑坡坝可能形成的滑坡坝一旦发生溃决，溃口平均宽度b_c＝124.8m，残留高H_d＝27.0m。