预测高速远程滑坡干碎屑流运动参数的方法

摘要

本发明属于地质灾害防治技术领域，具体涉及预测高速远程滑坡干碎屑流运动参数的方法，运动参数包括运动速度、运动距离和运动时间；该方法考虑了滑坡近程飞行阶段，滑坡体受空气的影响，更为合理，还考虑了碎屑流的加速效应，这更符合工程实际，预测更准确、并且计算简便，可以同时预测高速远程滑坡干碎屑流的运动速度、运动距离及运动时间；预计灾害的影响范围，能为灾区预报提供更多信息，以达到防灾减灾的目的。

说明书

技术领域

本发明属于地质灾害防治技术领域，具体涉及预测高速远程滑坡干碎屑流运动参数的方法。

背景技术

高速远程滑坡碎屑流就是一种广义的滑坡，它由近程的高速滑坡和破碎解体后的远程碎屑流组成。其中的高速远程滑坡干碎屑流，是指在形成过程中没有水作用参与的滑坡碎屑流体。例如汶川地震所诱发的数十起高速远程滑坡形成的碎屑流中，绝大多数都是在无水干燥的条件下形成的。

高速远程滑坡-碎屑流的运动具有高速和远程两大特点。其速度一般在30m/s以上，远远超过了“国际地科联滑坡工作组”1995年公布的“极迅速”滑坡的下限速度5m/s，目前已知速度最高的为加拿大西部Mackenzie山的AvalancheLake滑坡-碎屑流，达到了213m/s，翻越了对面640m的高山。另外，高速远程滑坡-碎屑流的运动距离也很大。国际上常用等值摩擦系数H/L(滑坡体重心位置的垂直位移与水平位移的比值)来判定其是否为远程滑坡，当H/L小于0.6时，即为远程滑坡。高速远程滑坡-碎屑流的等值摩擦系数一般小于0.33，因此它往往能够在近乎水平的地面上运行数公里甚至数十公里。目前已知地球上位移最大的碎屑流是发生于30万年前的美国MountShasta滑坡-碎屑流，它在近乎水平的地面上运动了约43km。

因其超乎寻常的高速度和远距离位移，高速远程滑坡-碎屑流往往会引发灾难性事故，造成严重的生命财产损失。高速远程滑坡-碎屑流之所以有很高的速度，很大程度上在于失稳滑体在运动过程中有强烈的气体掺入。崩滑体在运动过程中被渗入的气体流态化或转化为“流体”状态，形成由固体碎屑与空气相互混合的固气两相碎屑流。

目前，不少研究者和工程技术人员采用实测资料进行统计分析，建立起了一些预测滑坡运动参数的模型和方法。主要有以下几种:

(1)前后缘高差公式

多年以来，人们把滑坡后缘高程和前缘高程作为参数进行滑坡危害范围预测提出了如下公式:

S＝2(H₁-H₂)(a)

式(a)中，S为滑坡滑动距离(m)；H₁和H₂分别为滑坡后缘高程和前缘高程(m)。

该方法可以反映大多数滑坡滑动距离预测的实际情况，但该方法有些保守，不够准确。也不能预测滑坡碎屑流的运动。

(2)舒德格尔公式

奥地利学者Scheidegger于1973年对全球分布着的33个大型高速远程滑坡资料进行了统计分析，得出“垂直滑落高度与水平距离之比随滑坡体积对数的增大而减小”的结论，统计的相关系数、标准差分别为0.82、0.143，关系表达式为：

$>\lg \frac{H}{S}=a\lg V+b---\left(b\right)$>

式(b)中，S为滑坡水平滑动距离(m)；H为滑坡垂直滑落高度,即坡高(m)；V为滑坡体积(m³)；a、b分别为系数；其中a＝-0.15666，b＝0.62419。

该方法可取之处是以不同类型、大型高速远程滑坡为基础资料，建立“同类”滑坡的统计回归公式，针对性很强，但没考虑空气动力效应，也不能预测碎屑流的运动。

(3)海姆公式

海姆(Heim)将滑体后缘、前缘连线的斜率H/L称为“架空坡”，舒德格尔称为“动摩擦系数”，也有学者称为“等效摩擦系数”，即滑坡滑动前势能消耗于滑道上克服摩擦力所做的功。经推算得出最大滑距公式：

$>L_{max}=\frac{H}{f}---\left(c\right)$>

式(c)中，L_max为滑坡最大滑距(m)；H为滑坡后缘与前缘的高程差(m)；f为动摩擦系数。

该方法虽然考虑了功能守衡原理，但动摩擦系数的获取有难度，实用性受限。同样也不能预测滑坡产生的碎屑流的运动。

(4)森协·宽公式

日本研究学者森协·宽于1988年对33个不同体积的滑坡发源区上缘和出口连线的倾角与“架空坡”(H/L)的关系进行了统计分析，得出“垂直滑落高度/水平滑移距离和滑动前发源区坡角的正切值”之间存在良好关系，“垂直滑落高度/水平滑移距离与滑坡体积”之间亦存在良好的对数关系，从而提出滑坡滑动距离预测表达式为：

式(d)中，H为滑坡垂直滑落高度，即滑坡后缘与前缘高程差(m)；L为滑坡水平滑移距离(m)；为发源区破裂地面的坡顶、坡脚之间连线与水平线的夹角，即坡角(°)；V为滑动体的体积(m³)。

该方法适于一般滑坡的距离的预测，而对高速远程滑坡，尤其是高速远程滑坡碎屑流的预测，则不适用。

综上分析，目前的方法只能预测滑坡的运动距离，而对运动速度和运动时间则无法预测，而且大都只适于一般滑坡，而不适于高速远程滑坡碎屑流。

发明内容

针对上述技术问题，本发明基于固气两相颗粒流理论，提出计算高速远程滑坡干碎屑流动速度和运动距离的新方法，该方法为估算高速远程滑坡干碎屑流的运动速度和距离提供了理论依据，从而预计灾害的影响范围，以达到防灾减灾的目的。

具体技术方案为：

预测高速远程滑坡干碎屑流运动参数的方法，运动参数包括运动速度、运动距离和运动时间；

(1)预测运动速度：

$>{\bar{v}}_j\ge (1.5~2)·\sin \alpha ·\sqrt{{50}^2+(19.6h-940)}·\sqrt{e^2+{[ctan\alpha -\mu (1+e)]}^2}---\left(A\right)$>

式(A)中：为碎屑流的平均运动速度；

α为碰撞前滑坡体的速度方向与被撞山体之间的夹角，α取0°到90°；

h为滑坡体的飞行高度，即滑坡剪出口至被撞山体的垂直高度，h≥50m；

e为碰撞恢复系数；

μ为滑坡体与被撞山体之间的摩擦系数；

(2)预测运动距离：

$>S=\frac{{{\bar{v}}_j}^2}{2\left|g(sin\beta -\cos \beta ·tan\theta )\right|}---\left(B\right)$>

式(B)中：S为运动距离；

g为重力加速度；

β为滑床坡度；

tanθ为碎屑流的运动摩擦系数；

θ为碎屑流的摩擦角；

(3)预测运动时间：

$>t^{\prime }=\frac{{\bar{v}}_j}{\left|g(sin\beta -cos\beta ·tan\theta )\right|}---\left(C\right)$>

式(C)中：t′为运动时间；其他同上。

本发明提供的预测高速远程滑坡干碎屑流运动参数的方法，考虑了滑坡近程飞行阶段，滑坡体受空气的影响，更为合理，还考虑了碎屑流的加速效应，这更符合工程实际，预测更准确、并且计算简便，可以同时预测高速远程滑坡干碎屑流的运动速度、运动距离及运动时间；预计灾害的影响范围，能为灾区预报提供更多信息，以达到防灾减灾的目的。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体实施方式。

某滑坡刚滑出剪出口时的速度v_c为50m/s，剪出口至被撞山体的垂直距离h为100m；碰撞恢复系数e为0.55；碰撞前滑坡体的速度方向与被撞山体之间的夹角α为45°，滑坡体与被撞山体之间的摩擦系数μ为0.25；滑床坡度β为6°；碎屑流摩擦系数tanθ取0.16。预测此高速远程滑坡干碎屑流的运动距离，运动速度及运动时间。

根据(A)式有：

由(B)式得到碎屑流加速度为：

由(C)式得碎屑流的运动时间t′为：

因此，根据以上估算出该高速远程滑坡干碎屑流运动的速度在51.75m/s至69m/s之间；运动的距离在2502.9m至4449.5m之间；运动时间在96.7s至129.0s之间。根据估算结果，可以采取防治措施：当有发现该地点可能有滑坡迹象时，将人畜和其他财产撤离到距预计滑坡处5km以外可以确保生命财产安全，减少灾害损失。