一种粘性泥石流矩形排导槽深度测算方法及应用

摘要

本发明公开了一种粘性泥石流矩形排导槽深度测算方法及应用。该方法充分考虑泥石流容重、泥石流固体物质级配、沟床比降和泥深对粘性泥石流流速的影响，基于大量观测和勘查数据的统计回归，建立了适用性广泛的粘性泥石流平均流速计算公式，然后结合排导槽设计宽度和设计工况下排导槽设计流量，并考虑排导槽安全超高，即可确定粘性泥石流矩形排导槽的设计深度。该方法能够为粘性泥石流矩形排导槽的优化设计提供有效的技术支撑，适应实际工程需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种排导槽设计方法，特别涉及一种适用于粘性泥石流的矩形排导槽的设计深度测算方法及其应用。

背景技术

泥石流是中国山区一种常见的地质灾害，具有发生突然、历时短暂、来势凶猛、大冲淤、破坏力极强的特点。近年来，在趋于增强的地震活动扰动下，加之全球气候变化导致的极端天气显著增加，泥石流活动非常活跃，重大泥石流灾害频繁发生，人民生命财产安全受到严重危害和威胁。为了保障山区经济的可持续发展，泥石流防治治理就显得十分必要。

矩形泥石流排导槽是泥石流工程防治中采用最为广泛的槽型之一，但如何进行粘性泥石流在矩形排导槽中的过流深度计算一直是困扰矩形排导槽深度设计的一大难题，解决这一难题的关键是建立一个适用性广泛的粘性泥石流平均流速确定方法。

目前，常用的粘性泥石流平均流速确定方法包括直接观测法、调访法和经验公式计算法。其中，直接观测法和调访法可以直接确定泥石流流速，但是设立观测站点观测泥石流费时耗力，目前国际国内设立的直接观测站点很少，有长时间序列观测资料的仅有蒋家沟泥石流观测站；调访法是根据泥石流发生地当地居民的现场观测来了解泥石流运动速度范围，此种方法确定的泥石流流速人为主观因素较大，而且不少泥石流暴发时并没有目击人员。因此，在泥石流勘查和防治工程设计中，所采用的最主要方法还是经验公式计算方法。据统计，现有的粘性泥石流平均流速计算公式多达30多个，其中大多数都是在参考曼宁公式的基础上综合考虑沟床糙率、泥深和比降，并进行适当修正而形成的经验或半经验公式。这些公式中的糙率系数多是根据部分泥石流沟观测数据回归所得，因此其实用性受到一定限制，在应用到其它泥石流沟道时误差较大；另一种获得糙率系数的方法是由调查人员通过现场调查确定，这样的方法在实际应用中存在主观判断的缺陷。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种粘性泥石流矩形排导槽深度测算方法，该方法不需主观判定沟床糙率系数，而是充分考虑泥石流容重、泥石流固体物质级配、沟床比降和泥深对粘性泥石流流速的影响，基于大量观测和勘查数据的统计回归，建立了适用性广泛的粘性泥石流平均流速计算公式，然后结合排导槽设计宽度和设计工况下排导槽设计流量，并考虑排导槽安全超高，即可确定粘性泥石流矩形排导槽的设计深度。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种粘性泥石流矩形排导槽深度测算方法，所述测算方法的技术思想如下：

1)建立适用性广泛的粘性泥石流平均流速计算公式

首先，通过查阅文献、实际调查、比较分析，确定除沟道糙率系数外影响粘性泥石流平均流速的因子包括泥石流容重γ_d、泥石流体中固体物质容重γ_s、水的容重γ_w、泥石流固体物质中值粒径d₅₀、沟床面以上泥石流体深度h(即设计工况下矩形排导槽的过流深度)、沟道纵比降J(即排导槽纵比降)，考虑到所建立公式的量纲和谐，初步确定粘性泥石流平均流速U测算公式如下：

$>U=A{\left(C_V(1-C_V)\right)}^m\sqrt{\mathrm{ghJ}}\lg \left(\frac{h}{d_{50}}\right)$>

式中，A、m为待定参数，CV为泥石流固体物质体积浓度，g为重力加速度，其它符号同前面一致。

然后，搜集粘性泥石流野外观测数据，涉及云南蒋家沟、浑水沟，甘肃柳弯沟、火烧沟、泥湾沟，共5条沟道的79组数据，进行回归分析，确定待定参数A＝5.75，m＝0.5。

最后，运用所搜集到的粘性泥石流野外观测数据中的四川碱坪沟、棉簇沟、矮子沟、八一沟、走马岭沟、甘沟、谢家店子沟、响水洞沟、红椿沟、大水沟、关门子沟、文家沟、大白杨沟、羊洞城沟、罗坝街沟、干钩子沟、黄泥地沟、甘铺沟、以及甘肃山背后沟的21条沟42组数据进行适用性验证分析，结果表明，本发明提出的粘性泥石流平均流速计算公式适用性较好。

2)通过粘性泥石流平均流速计算公式，并结合排导槽设计宽度和设计工况下排导槽设计流量(即粘性泥石流平均流速U×排导槽设计宽度B×排导槽的过流深度h＝排导槽设计流量Q)，求得粘性泥石流矩形排导槽过流深度h。

3)将矩形排导槽过流深度加上安全超高，即可得到矩形排导槽设计深度。

具体而言，所述粘性泥石流矩形排导槽深度测算方法步骤如下：

(一)通过泥石流容重计算公式计算或实际取样实测容重，确定泥石流体容重γ_d，单位kN/m³；通过实际取样实测容重，确定泥石流固体物质容重γ_s，单位kN/m³；通过泥石流固体物质取样筛分，确定泥石流固体物质中值粒径d₅₀，单位m；通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定排导槽纵比降J，单位‰；通过现场调查实测，确定排导槽设计宽度B，单位m；通过水文计算，确定设计工况下排导槽设计流量Q，单位m³/s。

(二)通过以下公式确定泥石流固体物质体积浓度C_v

$>C_V=\frac{{\gamma }_d-{\gamma }_w}{{\gamma }_s-{\gamma }_w}$>

式中，C_v-泥石流固体物质体积浓度，单位％；

γ_d-泥石流体容重，单位kN/m³，由步骤(一)确定；

γ_s-泥石流固体物质容重，单位kN/m³，由步骤(一)确定；

γ_w-水的容重，取值9.8kN/m³。

(三)通过以下公式确定设计工况下矩形排导槽的过流深度h

$>5.75{\left(C_V(1-C_V)\right)}^{1/2}\sqrt{\mathrm{ghJ}}\lg \left(\frac{h}{d_{50}}\right)*B*h=Q$>

式中，C_v-泥石流固体物质体积浓度，单位％，由步骤(二)确定；

g-重力加速度，取值9.8m/s²；

h-矩形排导槽的过流深度，单位m；

J-排导槽纵比降，单位‰，由步骤(一)确定；

d₅₀-泥石流固体物质中值粒径，单位m，由步骤(一)确定；

B-排导槽设计宽度，单位m，由步骤(一)确定；

Q-排导槽设计流量，单位m³/s，由步骤(一)确定。

(四)通过以下公式确定设计工况下矩形排导槽的设计深度h^*

h^*＝h+h₁

式中，h^*-矩形排导槽设计深度，单位m；

h-矩形排导槽的过流深度，单位m，由步骤(三)确定；

h₁-排导槽的安全超高，取值0.5m。

所述粘性泥石流矩形排导槽深度测算方法适用于容重大于等于17.64kN/m³的粘性泥石流沟。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在测算粘性泥石流矩形排导槽的过流深度时，采用了一种适用性广泛的粘性泥石流平均流速计算方法，同时在确定排导槽设计深度时，考虑了安全超高，能够为粘性泥石流矩形排导槽的优化设计提供有效的技术支撑，适应实际工程需要。所述粘性泥石流平均流速计算方法无需确定沟床糙率系数这一参数，而是考虑了泥石流固体物质体积浓度和泥石流固体物质中值粒径对流速的影响，从而避免了糙率系数的确定存在主观判断和实用性受限的缺陷；且该方法适用性广泛，对于用于回归分析和验证分析的26条沟的121组数据，84.3％的平均流速测算值与实测值(调查值)的比值在0.7～1.3之间。

具体实施方式

下面对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

某泥石流沟，其流域面积为3.52km²，主沟长度3.52km，主沟床平均比降288‰，沟口海拔675m，最高海拔1689m，流域相对高差1014m，该沟为一条爆发频率较高的灾害性粘性泥石流沟，曾多次发生泥石流，对沟口的桥梁、耕地、公路等造成严重的危害。为了减轻、消除泥石流灾害，拟在该流域出山口的沟口至主河之间布置一条泥石流排导槽，排导槽型式采用常见的矩形排导槽(即直墙平底排导槽)。采用本发明的粘性泥石流矩形排导槽深度测算方法进行排导槽深度设计，具体步骤如下：

第一步，通过实际取样实测容重，确定设计标准下泥石流体容重γ_d为22.07kN/m³，泥石流固体物质容重γ_s为26.4kN/m³；通过泥石流固体物质取样筛分，确定泥石流固体物质中值粒径d₅₀为0.04m；通过现场调查实测，确定排导槽纵比降J为130‰，排导槽设计宽度B为5.58m；通过水文计算，确定设计标准P_2％排导槽设计流量Q为79m³/s。

第二步，确定泥石流固体物质体积浓度

第三步，将第二步中确定的泥石流固体物质体积浓度C_v，第一步中确定的排导槽纵比降J、泥石流固体物质中值粒径d₅₀、排导槽设计宽度B和排导槽设计流量Q，以及取值为9.8m/s²的重力加速度g，代入公式$>5.75{\left(C_V(1-C_V)\right)}^{1/2}\sqrt{\mathrm{ghJ}}\lg \left(\frac{h}{d_{50}}\right)*B*h=Q,$>求得设计工况下矩形排导槽的过流深度h为2.29m。

第四步，确定设计工况下矩形排导槽的深度h^*＝h+h₁＝2.29+0.5＝2.79，则排导槽设计深度为2.79m。

实施例二

2006年7月16日凌晨，四川省甘孜藏族自治州九龙县洪坝河左岸的娃娃沟暴发了大规模泥石流，其堆积物在娃娃沟与洪坝河汇口处发生了堵河，之后溃坝洪水分别冲毁了位于下游3个电站的闸区、厂房及取水口。娃娃沟位于东经102°01′34″～102°05′20″，北纬29°14′08″～29°17′50″，地处川西高原东南部边缘，是一条粘性泥石流沟，流域主沟长5.5km。该流域海拔2025～5014m，相对高差2989m，属中高山-高山地貌。为了有效治理该泥石流沟，拟在该流域出山口的沟口至主河之间布置一条泥石流排导槽，排导槽型式采用常见的矩形排导槽(即直墙平底排导槽)。采用本发明的粘性泥石流矩形排导槽深度测算方法进行排导槽深度设计，具体步骤如下：

第一步，通过泥石流容重计算公式计算，确定泥石流体容重γ_d为19.92kN/m³；通过实际取样实测容重，确定泥石流固体物质容重γ_s为26kN/m³；通过泥石流固体物质取样筛分，确定泥石流固体物质中值粒径d₅₀为0.06m；通过大比例尺地形图测量计算，确定排导槽纵比降J为120‰；通过现场调查实测，确定排导槽设计宽度B为20m；通过水文计算，确定设计标准P_2％排导槽设计流量Q为484m³/s。

第二步，确定泥石流固体物质体积浓度

第三步，将第二步中确定的泥石流固体物质体积浓度C_v，第一步中确定的排导槽纵比降J、泥石流固体物质中值粒径d₅₀、排导槽设计宽度B和排导槽设计流量Q，以及取值为9.8m/s²的重力加速度g，代入公式$>5.75{\left(C_V(1-C_V)\right)}^{1/2}\sqrt{\mathrm{ghJ}}\lg \left(\frac{h}{d_{50}}\right)*B*h=Q,$>求得设计工况下矩形排导槽的过流深度h为2.87m。

第四步，确定设计工况下矩形排导槽的深度h^*＝h+h₁＝2.87+0.5＝3.37，则排导槽设计深度为3.37m。