一种冰湖溃决型泥石流的防治方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种冰湖溃决型泥石流的防治方法及其应用。该方法结合流域的地形地貌特征参数、降雨特征参数、以及流域内物源特征参数和主河的输移能力等，确定溃决洪水泥石流的洪峰流量阈值；然后基于对冰碛坝体的现场调查、取样、室内测试获得的基本参数，判断每个计算区域内的冰碛坝体的稳定性并进行危险性分类；在此基础上确定冰碛坝体中桩柱结构体的体型参数及其分布方式。本发明专利技术针对冰碛坝内埋藏冰消融、冰滑坡和冰崩入湖导致的冰湖突然溃决易形成特大型泥石流灾害，能有效控制坝体下切速度，延长溃决洪水下泄时间，削弱溃决洪水峰值流量，减小和调控溃决洪水形成泥石流的规模，进而降低溃决洪水对冰湖下游地区造成危害的风险。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种冰湖溃决洪水过程的防灾减灾技术，特别是涉及一种冰湖溃决形成特大型泥石流的防治方法及其应用。
技术介绍
中国的冰湖主要分布在喜马拉雅山和念青唐古拉山地区，该地区的平均海拔在5000m以上，是冰湖发育和受冰湖溃决洪水危害最为严重的地区。由于现代冰川的强烈活动，导致冰川末端的冰碛湖出口的坝体突然溃决，产生大规模的溃决洪水，强烈冲刷和搬运沿途沟床和两侧岸坡的松散堆积物质，使之逐渐形成冰湖溃决型泥石流。此类泥石流虽然分布不多，发生频率也较低，然而一旦发生则危害极大。但现有技术中并未有针对因冰碛坝体内埋藏冰的消融和管涌扩大、冰滑坡和冰崩入湖导致冰湖突然溃决而形成特大型泥石流的防治处理方法。因此，针对全球气候变暖条件下冰碛坝内埋藏冰的消融导致冰碛坝下沉和管涌扩大，冰碛坝多年冻土退化为不稳定的松散冰碛物、抗侵蚀能力下降、易形成漫顶冲刷溃坝，以及冰滑坡和冰崩入湖导致的冰湖突然溃决等问题，结合冰湖溃决型泥石流突发性强、频度低、洪峰高、流量大、流量过程暴涨暴落、破坏力强和灾害波及范围广等特点，探索一种冰湖溃决特大型泥石流防治方法来保护冰湖下游地区的铁路、公路、水利设施、居民点和农田等，具有显著的现实意义和工程价值。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种针对冰碛坝内埋藏冰的消融、冰滑坡和冰崩入湖导致的冰湖溃决过程中洪峰流量大易形成特大型泥石流的情况，提供一种冰湖溃决洪水特大型泥石流的防治方法及应用，该方法能有效调节冰湖溃决洪水的下泄流量过程，延长溃决洪水下泄的时间过程，削弱溃决洪水的峰值流量，降低溃决洪水冲刷沟道或沟岸物源而形成泥石流的风险，减小和调控溃决洪水形成泥石流的活动规模，从而最大程度地减小对冰湖下游地区铁路、公路、水利设施、居民点和农田等的威胁和危害。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：本专利技术提出一种冰湖溃决型泥石流的防治方法，从而实现对冰湖溃决洪水的有效调控，其具体步骤如下：(一)从冰碛坝体上的溃决口段中心出发、向冰碛坝体左、右两岸进行计算区域划分，在沿冰碛坝体走向上将整个冰碛坝体划分为至少3个计算区域。计算区域的划分位置和数量根据实际情况而定。(二)通过实际取样实测，确定溃决洪水形成泥石流的重度γc、溃决洪水的重度γw和溃决洪水形成泥石流的干重度γs，单位均为kN/m3；通过大比例尺地形图测量或现场调查实测、确定冰碛坝体溃决时的冰湖内水位高程，然后根据冰湖内水位高程和库容的关系曲线(采用地形等高线法可得，通过在该关系曲线上查找某一水位高程对应的库容即为该水位高程对应的冰湖内蓄水量)，确定冰碛坝体溃决时的冰湖内蓄水量W、单位m3；通过大比例尺地形图测量或现场调查实测，确定防护对象距冰碛坝体的距离L、单位m；根据肖克列奇经验公式，确定冰碛坝体位置的最大洪水流量Qmax、单位m3/s；根据前期河道水文观测资料，确定防护对象位置处河道洪水期断面最大平均流速Vmax、单位m/s；将上述参量代入公式计算得到防护对象位置处形成的泥石流最大流量QLD、单位m3/s，式中K为经验系数、山区取值1.1-1.5、丘陵区取值1.0、平原区取值0.8-0.9。(三)在保证冰碛坝体下游铁路、公路等重要设施安全运行的原则下，允许溃决洪水泥石流由桥下通过。根据冰碛坝体下游路桥(即铁路、公路桥涵)的设计防护标准，确定下游路桥(即铁路、公路桥涵)安全条件下允许通过的泥石流设计峰值流量Q路桥、单位m3/s；根据冰碛坝体下游主河输移能力，确定可以向主河排泄泥石流的峰值流量Q主河、单位m3/s；根据冰碛坝体下游重要设施的防护设计标准，确定下游重要设施安全条件下允许通过的泥石流设计峰值流量Q设施、单位m3/s。(四)将步骤(三)中得到的Q路桥、Q主河、Q设施，和步骤(二)中得到的QLD进行比较，取其中最小值作为不同防洪设计标准安全要求条件下允许通过的溃决洪水泥石流洪峰流量阈值Q阈值、单位m3/s。即Q阈值＝min[Q路桥,Q主河,Q设施,QLD]，超过Q阈值的泥石流流量(QLD－Q阈值)则通过工程措施调控溃决洪水的流量过程来实现。(五)针对步骤(一)得到的每个计算区域，进行如下步骤(i)-(ii)：i.通过现场调查，确定计算区域内的冰碛坝体高度H、单位m；通过现场取样和室内测试分析，确定计算区域内的冰碛坝体土体粘聚力c、单位kPa，冰碛坝体土体内摩擦角单位°，及冰碛坝体土体重度γ、单位kN/m3；通过现场调查实测、确定计算区域内的冰碛坝体坡角(即冰碛坝体下游坡面与水平面的夹角)，然后根据冰碛坝体坡角和得到的冰碛坝体土体内摩擦角查询均质边坡高度与坡角的关系曲线(采用圆弧法进行计算得到)，得到计算区域内的冰碛坝体高度系数H'(即在均质边坡高度与坡角的关系曲线上，通过冰碛坝体坡角点做垂线，相交于对应已知冰碛坝体土体内摩擦角的曲线，得到一交点，然后从交点做一水平线交于纵轴，从而得到冰碛坝体的高度系数H')；将上述参量代入公式计算得到计算区域内的冰碛坝体坡面稳定性系数Fs。Fs用来判断冰碛坝体的稳定性；Fs>1.0，冰碛坝体处于稳定状态；Fs≤1.0，冰碛坝体处于不稳定状态。ii.冰碛坝体的颗粒组成特性主要影响坝体本身的抗侵蚀能力和溃决后的侵蚀速率，以及坝体上下游边坡的稳定性等。坝体组成中含有的粗大块石多则抗冲刷能力强，反之则抗冲刷能力弱。根据步骤(五)(a)中得到的Fs、步骤(四)中得到的Q阈值和步骤(二)中得到的QLD，进行计算区域内的冰碛坝体危险性分类(0、Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类危险程度依次增加)；如果0.8≤Fs≤1.0、且则该计算区域内的冰碛坝体危险性为Ⅰ类；如果0.8≤Fs≤1.0、且则该计算区域内的冰碛坝体危险性为Ⅰ类；如果0.6≤Fs＜0.8、且则该计算区域内的冰碛坝体危险性为Ⅱ类；如果0.6≤Fs＜0.8、且则该计算区域内的冰碛坝体危险性为Ⅱ类；如果Fs＜0.6、且则该计算区域内的冰碛坝体危险性为Ⅲ类；如果Fs＞1.0，则该计算区域内的冰碛坝体处于稳定状态，危险性为0。随着冰碛坝体坡面稳定性系数Fs的减小，冰碛坝体稳定性危险程度依次增加；随着的增加，冰碛坝体稳定性危险程度依次增加。最终得到所有计算区域内的冰碛坝体危险性分类。(六)在危险性为Ⅰ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设一行桩柱结构体，在危险性为Ⅱ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设两行桩柱结构体，在危险性为Ⅲ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设三行桩柱结构体；即在不同危险分区内的冰碛坝体坝顶轴线至坝体下游段内布设相应行数的桩柱结构体。在危险性为0的冰碛坝体下游不进行桩柱结构体的布设。布设一行桩柱结构体时(即在危险性为Ⅰ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设桩柱结构体)，桩柱结构体距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体坝顶平均宽度B的0-0.2；布设两行桩柱结构体时(即在危险性为Ⅱ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设桩柱结构体)，第一行桩柱结构体距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体坝顶平均宽度B的0-0.2，第二行桩柱结构体距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体坝顶平均宽度B的0.4-0.6；布设三行桩柱结构体时(即在危险性为Ⅲ类的冰碛坝体坝顶轴线下游布设桩柱结构体)，第一行桩柱结构体距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体坝顶平均宽度B的0-0.2，第二行桩柱结构体距离坝顶轴线的距离为冰碛坝体坝顶平均宽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冰湖溃决型泥石流的防治方法，其特征在于：所述冰湖溃决型泥石流的防治方法步骤如下：(一)从冰碛坝体(1)上的溃决口段中心出发、向冰碛坝体(1)两岸进行计算区域划分，将整个冰碛坝体(1)划分为至少3个计算区域；(二)通过实际取样实测，确定溃决洪水形成泥石流的重度γc、溃决洪水的重度γw和溃决洪水形成泥石流的干重度γs，单位均为kN/m3；通过大比例尺地形图测量或现场调查实测、确定冰碛坝体(1)溃决时的冰湖内水位高程，然后根据冰湖内水位高程和库容的关系曲线，确定冰碛坝体(1)溃决时的冰湖内蓄水量W、单位m3；通过大比例尺地形图测量或现场调查实测，确定防护对象距冰碛坝体(1)的距离L、单位m；根据肖克列奇经验公式，确定冰碛坝体(1)位置的最大洪水流量Qmax、单位m3/s；根据前期河道水文观测资料，确定防护对象位置处河道洪水期断面最大平均流速Vmax、单位m/s；将上述参量代入公式计算得到防护对象位置处形成的泥石流最大流量QLD、单位m3/s，式中K为经验系数、山区取值1.1‑1.5、丘陵区取值1.0、平原区取值0.8‑0.9；(三)根据冰碛坝体(1)下游路桥的设计防护标准，确定下游路桥安全条件下允许通过的设计流量Q路桥、单位m3/s；根据冰碛坝体(1)下游主河输移能力，确定可以向主河排泄泥石流的峰值流量Q主河、单位m3/s；根据冰碛坝体(1)下游重要设施的防护设计标准，确定下游重要设施安全条件下允许通过的设计流量Q设施、单位m3/s；(四)将步骤(三)中得到的Q路桥、Q主河、Q设施，和步骤(二)中得到的QLD进行比较，取其中最小值作为溃决洪水泥石流洪峰阈值Q阈值、单位m3/s；(五)针对步骤(一)得到的每个计算区域，进行如下步骤(i)‑(ii)：i.通过现场调查，确定计算区域内的冰碛坝体(1)高度H、单位m；通过现场取样和室内测试分析，确定计算区域内的冰碛坝体(1)土体粘聚力c、单位kPa，冰碛坝体(1)土体内摩擦角单位°，及冰碛坝体(1)土体重度γ、单位kN/m3；通过现场调查实测、确定计算区域内的冰碛坝体(1)坡角，然后根据冰碛坝体(1)坡角和得到的冰碛坝体(1)土体内摩擦角查询均质边坡高度与坡角的关系曲线，得到计算区域内的冰碛坝体(1)高度系数H'；将上述参量代入公式计算得到计算区域内的冰碛坝体(1)坡面稳定性系数Fs；ii.根据步骤(五)(a)中得到的Fs、步骤(四)中得到的Q阈值和步骤(二)中得到的QLD，进行计算区域内的冰碛坝体(1)危险性分类；如果0.8≤Fs≤1.0，同时或则该计算区域内的冰碛坝体(1)危险性为Ⅰ类；如果0.6≤Fs＜0.8，同时或则该计算区域内的冰碛坝体(1)危险性为Ⅱ类；如果Fs＜0.6、且则该计算区域内的冰碛坝体(1)危险性为Ⅲ类；最终得到所有计算区域内的冰碛坝体(1)危险性分类；(六)在危险性为Ⅰ类的冰碛坝体(1)坝顶轴线下游布设一行桩柱结构体(2)，在危险性为Ⅱ类的冰碛坝体(1)坝顶轴线下游布设两行桩柱结构体(2)，在危险性为Ⅲ类的冰碛坝体(1)坝顶轴线下游布设三行桩柱结构体(2)。...

【技术特征摘要】
1.一种冰湖溃决型泥石流的防治方法，其特征在于：所述冰湖溃决型泥石流的防治方法步骤如下：(一)从冰碛坝体(1)上的溃决口段中心出发、向冰碛坝体(1)两岸进行计算区域划分，将整个冰碛坝体(1)划分为至少3个计算区域；(二)通过实际取样实测，确定溃决洪水形成泥石流的重度γc、溃决洪水的重度γw和溃决洪水形成泥石流的干重度γs，单位均为kN/m3；通过大比例尺地形图测量或现场调查实测、确定冰碛坝体(1)溃决时的冰湖内水位高程，然后根据冰湖内水位高程和库容的关系曲线，确定冰碛坝体(1)溃决时的冰湖内蓄水量W、单位m3；通过大比例尺地形图测量或现场调查实测，确定防护对象距冰碛坝体(1)的距离L、单位m；根据肖克列奇经验公式，确定冰碛坝体(1)位置的最大洪水流量Qmax、单位m3/s；根据前期河道水文观测资料，确定防护对象位置处河道洪水期断面最大平均流速Vmax、单位m/s；将上述参量代入公式计算得到防护对象位置处形成的泥石流最大流量QLD、单位m3/s，式中K为经验系数、山区取值1.1-1.5、丘陵区取值1.0、平原区取值0.8-0.9；(三)根据冰碛坝体(1)下游路桥的设计防护标准，确定下游路桥安全条件下允许通过的设计流量Q路桥、单位m3/s；根据冰碛坝体(1)下游主河输移能力，确定可以向主河排泄泥石流的峰值流量Q主河、单位m3/s；根据冰碛坝体(1)下游重要设施的防护设计标准，确定下游重要设施安全条件下允许通过的设计流量Q设施、单位m3/s；(四)将步骤(三)中得到的Q路桥、Q主河、Q设施，和步骤(二)中得到的QLD进行比较，取其中最小值作为溃决洪水泥石流洪峰阈值Q阈值、单位m3/s；(五)针对步骤(一)得到的每个计算区域，进行如下步骤(i)-(ii)：i.通过现场调查，确定计算区域内的冰碛坝体(1)高度H、单位m；通过现场取样和室内测试分析，确定计算区域内的冰碛坝体(1)土体粘聚力c、单位kPa，冰碛坝体(1)土体内摩擦角单位°，及冰碛坝体(1)土体重度γ、单位kN/m3；通过现场调查实测、确定计算区域内的冰碛坝体(1)坡角，然后根据冰碛坝体(1)坡角和得到的冰碛坝体(1)土体内摩擦角查询均质边坡高度与坡角的关系曲线，得到计算区域内的冰碛坝体(1)高度系数H'；将上述参量代入公式计算得到计算区域内的冰...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈剑刚，游勇，陈晓清，赵万玉，陈华勇，胡凯，王道正，
申请(专利权)人：中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51