粘性泥石流内部流速、冲击力空间分布测量方法

摘要

本发明针对现有技术无法对泥石流任意断面上任意点的流速与冲击进行测量的缺陷，首先提供一种粘性泥石流内部流速空间分布测量方法。流速测量方法基于粘性泥石流体宾汉模型与冲淤平衡原理，首先设置任意断面Ⅰ‑Ⅰ，通过试算法确定断面上h0、h(x)、xa、xd、xb、xc等各值，再依式1计算断面上任意点处的泥石流计算微元面流深h，最后将h带入基于宾汉体粘性泥石流流速分布公式求得该处流速v。利用泥石流任意断面上任意位置处的流速测量方法，进一步得到一种粘性泥石流冲击力空间分布测量方法。本发明方法计算结果精度高，能够应用于粘性泥石流防治工程设计实际。测量方法思路清晰，计算简便，能够改进现有技术以“均布”思想指导的防治工程设计方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量方法，特别是涉及一种粘性泥石流平均流速、冲击力空间分布测量方法，属于泥石流工程防治领域、测量技术领域。

背景技术

拦砂坝等防治工程是治理泥石流灾害最快、最常见且有效的措施。在此类工程设计中需要测量泥石流冲击荷载空间分布作为坝体设计参数的最重要依据之一。

国内现行的规范暂时建议在泥石流拦砂坝等防治工程设计时，荷载按均布考虑，这与实际荷载分布有很大差异。一方面均布荷载取值偏小，容易导致防治工程稳定性偏小，极易导致防治工程失效；另一方面，均布荷载取值偏大，容易导致设计过于保守，造成人力、物力的浪费。

公开号为CN 104794362A的中国发明专利申请公开了一种泥石流断面平均流速的测算方法及应用。该方法通过现场调查测量、实际取样实测容重和室内流变实验等手段，分别确定泥石流流体容重、泥石流固体物质容重、泥石流沟道或排导槽坡度、泥石流过流断面水力半径、泥石流沟道或排导槽外部糙率、和泥石流粘滞系数等参数，将获取的参数代入泥石流断面平均流速计算公式，从而获得较为泥石流断面平均流速。但该方法仅能测量泥石流断面的平均流速，无法对任意断面上任意点的流速进行测量，因此无法解决流速空间分布的具体技术问题。

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平均流速空间分布测量方法，以及基于该方法实现的粘性泥石流冲击力空间分布测量方法。

为实现上述目的，本发明首先提供一种粘性泥石流内部流速测量方法，其技术方案如下：

一种粘性泥石流内部流速空间分布测量方法，用于测量泥石流任一断面上任一点的泥石流平均流速，其特征在于：依如下步骤实施：

步骤S1、前期准备

在泥石流沟道上设定任意断面Ⅰ-Ⅰ，根据地形图测量计算和/或现场调查测量断面Ⅰ-Ⅰ位置处的泥石流沟道平均纵比降J、断面Ⅰ-Ⅰ与泥石流运动方向夹角θ，

现场取样测量确定泥石流容重γ_c

实验确定泥石流粘滞系数η、泥石流屈服应力τ_B

步骤S2、确定断面Ⅰ-Ⅰ最大流深h₀

选取断面Ⅰ-Ⅰ内高程最低点作为基准点O，建立平面直角坐标系，采用试算法计算最大流深h₀，并在断面Ⅰ-Ⅰ内拟合分段函数多项式h(x)，确定泥石流边界横坐标x_a、x_d，确定泥石流流核边界横坐标x_b、x_c；

步骤S3、确定断面Ⅰ-Ⅰ上任意点S处流深h

在断面Ⅰ-Ⅰ上取任意点S(x,y)，根据式1计算确定S点处流深h

h＝h₀-h(x)y≥h(x)式1

式中，h—点S(x,y)处流深，单位m

h₀—断面Ⅰ-Ⅰ最大流深，单位m，步骤S2确定

h(x)—断面Ⅰ-Ⅰ内拟合分段函数多项式，步骤S2确定

步骤S4、确定任意点S处泥石流瞬时流速v

依式2计算计算断面Ⅰ-Ⅰ上点S(x,y)处泥石流瞬时流速v

式中，v—断面Ⅰ-Ⅰ上点S(x,y)处泥石流瞬时流速，单位m/s，

γ_c—泥石流容重，单位kN/m³，步骤S1确定，

J—泥石流沟道平均纵比降，步骤S1确定，

τ_B—泥石流屈服应力，单位Pa，步骤S1确定，

η—泥石流粘滞系数，步骤S1确定。

上述测量方法是基于粘性泥石流体宾汉模型与冲淤平衡原理，其关键是在步骤S2中采用试算法计算最大流深h₀。试算法是在断面Ⅰ-Ⅰ上高程最低点O(即泥石流流断面计算基准点)的两侧取n个点。这样在断面Ⅰ-Ⅰ内由n+1个已知点将断面沿x方向按条分法分割成n部分。拟合得到的分段函数多项式h(x)即为泥石流沟床底高度拟合线。根据拟合分段函数多项式可以确定h(x)的自变量取值范围为x_a≤x≤x_d，则x_a、x_d即为泥石流边界横坐标。再令其中h(x)为泥石流沟床底高度拟合线，它是关于x的一元函数，从实际意义考虑，泥石流泥核深度应小于泥石流最大泥深h₀，为一定值，泥石流沟床底高度拟合线h(x)为中间低两边高的曲线，如附图2，令泥石流沟床底高度拟合线h(x)同相等，几何意义即为一条直线同中间低两侧高的曲线相交，同时该直线移动的范围在曲线的最低点和最高点之间，所以该方程一定存在两个解析解——横坐标上的两个点，即泥石流流核边界横坐标，记为x_b、x_c。通过试算法最终确定最大流深h₀、h(x)、x_a、x_d、x_b、x_c等各值。最大流深h₀确定以后，断面Ⅰ-Ⅰ上任意一点S(x,y)处的泥石流计算微元面流深h即可依式1计算确定(式1中须满足y≥h(x)，否则计算点位于泥石流沟道地面以下，无意义)。最后将h带入宾汉体粘性泥石流流速分布公式可得到式2，依式2即可求得断面Ⅰ-Ⅰ上任意位置处的泥石流流速v。由此，本发明方法通过泥石流沟地形数据、泥石流性质特征数据资料可测算出粘性泥石流内部任意点的平均流速，进而确定流速的空间分布。

进一步地，试算法首先采用雨洪修正法计算确定断面Ⅰ-Ⅰ的设计峰值流量Q。其次对断面上最大流深h₀试算各h′₀值。具体在断面Ⅰ-Ⅰ上取高程最低点记为O，以O点处水平线为基准线，O点高程为0。分别在O点左右取适当数量的点P₁、P₂……P_n，各点其横坐标分别为x₁、x₂……x_n，各点高程值分别为h₁、h₂……h_n。这样在断面Ⅰ-Ⅰ内由n+1个已知点(0，0)、(x₁，h₁)、(x₂，h₂)……(x_n，h_n)拟合分段函数多项式h(x)，其中h(x)的自变量取值范围为x_a≤x≤x_d，即泥石流边界横坐标x_a、x_d。令可以得到两点x_b、x_c，即泥石流流核边界横坐标x_b、x_c。将断面Ⅰ-Ⅰ沿x方向按条分法分割成n部分，当n趋近于无穷时，每一个小条近似为矩形断面，断面底边高程为h(x)，断面底边长为dx，流深为h₀-h(x)，每个微元断面内的流速分布可认为只存在纵向不同，对于粘性泥石流，根据宾汉体模型的纵向流速分布式(式5)与野外实际泥石流冲淤现象可知，在x_a≤x≤x_b和x_c≤x≤x_d范围有泥石流流速v＝0，即泥石流靠近沟岸边壁部分的流速为零。

在x_b≤x≤x_c的每个小微元断面内可用式6计算求得泥石流流量ΔQ。

将n个微元面求和则可依式7计算整个断面Ⅰ-Ⅰ的泥石流计算流量Q′。

整理式7，进而得到式4用于计算断面Ⅰ-Ⅰ的计算流量Q′：

当计算得到的断面计算流量Q′＝峰值流量Q时，则可确定试算的h′₀即为最大流深h₀。

上述方法中，点P₁、P₂……P_n的设置方法是：若泥石流沟岸宽度≥20m，以O点为起始点分别向两侧按水平距离，每隔8m选取下一个点直至最后一个点布置在泥石流沟岸外；若泥石流沟岸宽度是5m～20m，以O点为起始点分别向两侧按水平距离，每隔4m选取下一个点直至最后一个点布置在泥石流沟岸外；若泥石流沟岸宽度≤5m，以O点为起始点分别向两侧按水平距离，每隔1m选取下一个点直至最后一个点布置在泥石流沟岸外。

上述粘性泥石流内部平均流速空间分布测量方法在粘性泥石流防治工程设计中的应用。

本发明还提供一种利用上述粘性泥石流内部平均流速空间分布测量方法实现的粘性泥石流冲击力空间分布测量方法，其技术方案如下：

一种利用粘性泥石流内部平均流速空间分布测量方法实现的粘性泥石流冲击力空间分布测量方法，其特征在于：在步骤S4后继续实施步骤S5：

步骤S5、确定断面Ⅰ-Ⅰ上点S(x,y)处泥石流冲击力F_δ

依式5计算断面Ⅰ-Ⅰ上点S(x,y)处泥石流冲击力

式中，F_δ—断面Ⅰ-Ⅰ上点S(x,y)处泥石流冲击力，单位kPa，

λ—断面Ⅰ-Ⅰ形状系数，圆形取1.0、矩形取1.33、方形取1.47，

γ_c—泥石流容重，单位kN/m³，步骤S1确定，

g—重力加速度，常数，单位m/s²，

v—断面Ⅰ‐Ⅰ上点S(x,y)处泥石流瞬时流速，单位m/s，步骤S4确定，

θ—断面Ⅰ‐Ⅰ与泥石流运动方向夹角，单位°，步骤S1确定。

本发明还提供上述粘性泥石流内部平均冲击力空间分布测量方法在粘性泥石流防治工程设计中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明方法基于泥石流冲淤平衡原理，结合沟床断面特性，能合理测量确定任意断面上任意位置处的泥石流平均流速与冲击力；(2)计算结果精度高，能够应用于粘性泥石流防治工程设计实际；(3)测量方法思路清晰，计算简便，适应工程需要，能够改进现有技术以“均布”思想指导的防治工程设计工作。

附图说明

图1是计算断面位置俯视图(箭头示泥石流运动方向)。

图2是计算断面简图。

图3是算例断面示意图。

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，采用本发明方法测量泥石流流速空间分布。

某泥石流沟是一条中型泥石流沟，流域海拔高度为1820m～3500m，流域面积12.2km²。该沟曾多次爆发粘性泥石流，严重威胁当地人民生命财产安全。为了减轻泥石流灾害，拟在该泥石流流通区修建透过型拦砂坝工程，需计算测量泥石流平均流速空间分布。

步骤S1、前期准备

图1是计算断面位置俯视图(箭头示泥石流运动方向)。在泥石流沟道上设定任意断面Ⅰ-Ⅰ，根据地形图测量计算和/或现场调查测量断面Ⅰ-Ⅰ位置处的泥石流沟道平均纵比降J＝0.09、断面Ⅰ-Ⅰ与泥石流运动方向夹角θ＝90°，

现场取样测量确定泥石流容重γ_c＝21kN/m³，

流变实验确定泥石流粘滞系数η＝32.29Pa.s、泥石流屈服应力τ_B＝245Pa；

步骤S2、确定断面Ⅰ-Ⅰ最大流深h₀

采用试算法计算泥石流断面最大流深h₀，主要计算过程如下：

采用雨洪修正法计算确定断面Ⅰ-Ⅰ的设计峰值流量Q＝105m³/s；

图2是计算断面简图，图3是算例断面示意图。选取h′₀＝1m，在断面Ⅰ-Ⅰ内取高程最低点记为O，以O点处水平线为基准线，分别在O点左右侧取适当数量的点P₁、P₂、P₃、P₄，各点横坐标分别为x₁＝-8m、x₂＝-16m、x₃＝8m、x₄＝16m，各点高程值分别为h₁＝0.96m、h₂＝0.48m、h₃＝0.40m、h₄＝0.80m；

在计算断面Ⅰ-Ⅰ内拟合分段函数多项式h(x)，得到：

令h_(x)＝h₀＝1带入上述拟合分段函数，确定断面横坐标取值范围：-16.67≤x≤20，即泥石流边界横坐标x_a＝-16.7、x_d＝20.0。令，带入具体数值计算，即有：

解上述方程得到两个解x＝-14.5或x＝17.4，记为泥石流流核边界横坐标x_b＝-14.5、x_c＝17.4，

将各参数代入式4，得到计算流量Q′：

比较计算流量Q′与采用雨洪修正法计算所得的设计流量Q＝105m³/s，可确定最大流深h₀＝h′₀＝1m。

步骤S3、确定断面Ⅰ-Ⅰ上任意点S处流深h

在断面Ⅰ-Ⅰ上取任意点S(x,y)，将h₀＝1m及分段函数多项式h(x)代入式1，有：

计算确定S点处流深h，单位m；

步骤S4、确定任意点S处泥石流瞬时流速v

将步骤S3所得S处流深h及各参数代入式2，有：

计算得到断面Ⅰ-Ⅰ上S(x,y)处泥石流瞬时流速v，单位m/s。

实施例二

在实施例一基础上进一步测量粘性泥石流冲击力空间分布。

步骤S5、确定任意点S处泥石流冲击力F_δ：

将各参数代入式5，计算断面Ⅰ-Ⅰ内泥石流任意点S(x,y)冲击压力F_δ，有：

本实施方式中，断面Ⅰ-Ⅰ取矩形断面分析，λ取值1.33。