溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法技术

本发明专利技术公开了溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法，通过分析黏性泥石流冲击作用下堰塞坝内大颗粒的静力平衡关系，推导堰塞坝溃决时泥石流临界泥深与堰塞坝内最大颗粒直径的计算公式，然后采用宽顶堰流量计算公式建立堰塞坝溃决流量与最大颗粒直径的计算模型，进而计算堰塞坝溃决流量，并采用实例验证该模型的可靠性，为确定泥石流防治工程中溃决流量提供准确可靠的计算方法。

【技术实现步骤摘要】
溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法
本专利技术属于堰塞坝流量计算
，具体涉及一种溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法。
技术介绍
大颗粒堰塞坝是指含有较多直径为2m以上大颗粒的松散堆积体，泥石流沟道中大颗粒堰塞坝的形成类型有两类，第一类是滑坡、崩塌形成的大颗粒堰塞坝，第二类是勾床摩阻激增或纵坡突然变缓使得黏性泥石流携带较多的大颗粒物质停淤于狭窄沟道出，从而形成的大颗粒堰塞坝，在黏性泥石流冲击作用下，大颗粒堰塞坝容易发生全断面溃决，并且溃坝后泥石流流量普遍增大。例如2003年7月22日丹巴县邛山沟发生的溃决型黏性泥石流，该次泥石流流量增大的主要原因是泥石流起动了巨大漂砾形成的堰塞坝，使其发生全部溃决。此处堰塞坝潜在的巨大势能转化为泥石流动能，使得溃坝后泥石流流量急剧增大。再如西昌市坝河、宁南县矮子沟以及九龙县娃娃沟等黏性泥石流沟，形态调查法计算得出的泥石流洪峰流量结果都表明这些泥石流沟出现流量放到现象，并且残留的堰塞坝内都有较多的大颗粒物质，此外由于汶川大部分地区的岩性为硬岩，因此震后环境下该地区泥石流内极易形成大颗粒堰塞坝，在黏性泥石流冲击作用下大颗粒堰塞坝容易发生全溃现象，并且溃坝后泥石流流量普遍增大。综上所述，针对日益增多的黏性泥石流冲击作用下大颗粒堰塞坝溃决导致泥石流流量增大的现象，大颗粒堰塞坝溃决流量的准确确定是震后地区溃决型泥石流防治工程中急需解决的问题。目前泥石流冲击作用下细颗粒为主的堰塞坝溃决流量计算方法已有较多的研究，但是黏性泥石流冲击作用下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法的研究尚少。国内泥石流防治工程中较为普遍的泥石流冲击作用下堰塞坝溃决流量计算方法为：通过宽顶堰流量方程计算溃决洪水流量，然后采用溃决洪水流量乘以泥石流容重或阻力等因子得到黏性泥石流冲击作用下堰塞坝溃决流量；将宽顶堰流量公式中溃决洪水高度理解为黏性泥石流冲击作用下大颗粒堰塞坝溃决时的泥石流临界泥深，则在一定假定条件下，大颗粒堰塞坝的溃决流量可采用宽顶堰流量公式计算得出；然而在溃决型泥石流实际调查中，大颗粒堰塞坝溃决时的泥石流临界泥深难以确定。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝流量计算方法解决了现有技术中大颗粒堰塞坝溃决流量的确定不够准确的问题。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法，包括以下步骤：S1、获取溃决点的大颗粒堰塞坝溃决宽度B；S2、建立以堰塞坝为计算对象的大颗粒堵溃模型；S3、根据大颗粒堵溃模型，确定大颗粒堰塞坝溃决时泥石流的临界泥深H1；S4、根据溃决宽度B和泥石流临界泥深度H1，基于宽顶堰流量计算公式，确定堰塞坝溃决流量。进一步地，所述步骤S3具体为：S31、计算堰塞坝对泥石流的抵抗应力；S32、确定堰塞坝溃决时的状态方程；S33、根据抵抗应力和状态方程，确定堰塞坝溃决时泥石流的临界泥深H1。进一步地，所述步骤S31中；所述堰塞坝对泥石流的抵抗力fb为：其中，fb1为大颗粒堰塞坝受泥石流冲击而产生的抗剪应力；fb2为沟床物质堰塞坝内固体物质的剪应力；σhed为大颗粒的基底应力；phed为泥石流的基底应力；为泥石流基底摩擦角；τy为泥石流的屈服应力；η为宾汉流体刚度系数；为流速梯度；所述步骤S32中：所述堰塞坝的状态方程为：fb×S+mg(μcosθ-sinθ)＝ωρcV12H1其中，S为大颗粒迎水面接触面积；μ为静摩擦系数；ω为堵塞系数；ρc为泥石流密度；V1为靠近堰塞坝时泥石流的流速；m为堰塞坝质量；g为重力加速度；所述步骤S33中：所述堰塞坝溃决时泥石流的临界泥深H1为：其中，ω为堵塞系数；D为堰塞坝内最大颗粒直径；γc为泥石流容重，为内摩擦角；ρs为泥石流固体颗粒密度，且ρs＝2650kg·m-3；θ为沟床的坡度；γs为泥石流固体颗粒容重；j＝ηV1。进一步地，所述步骤S4中宽顶堰流量计算公式为：其中，Qn为大颗粒堰塞坝溃决流量；H1为堰塞坝溃决时泥石流临界泥深；B为溃决宽度；α为能量损失；所述堰塞坝溃决流量Q:进一步地，所述堰塞坝溃决时泥石流的临界泥深H1计算公式中，堵塞系数ω由最大颗粒直径D和堰塞坝内最大颗粒数n共同决定；当大颗粒堰塞坝形成后，n值不变，堵塞系数与最大颗粒直径D成正比关系，最大颗粒直径D通过野外调查获取；所述堵塞系数ω的确定过程为：确定若干条溃决型泥石流沟溃决流量，并根据大颗粒堵溃模型和堰塞坝溃决流量Q，计算堵塞系数ω的值，然后根据多元回归模型耦合堵塞系数ω与最大颗粒直径D。进一步地，所述野外调查确定的溃决型泥石流沟溃决流量的方法具体为：A1、在堰塞坝溃决点上游和下游位置分别确定洪痕断面；A2、根据洪痕断面分别计算溃决点上下游和下游位置的泥石流洪峰流量；A3、根据泥石流洪峰流量，计算堰塞坝溃决点距离下游洪峰断面处的汇流清水流量；A4、将溃决点下游的泥石流洪峰流量减去溃决点距下游洪峰断面的汇流清水流量得出大颗粒堰塞坝溃决流量。本专利技术提供的溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法，通过分析黏性泥石流冲击作用下堰塞坝内大颗粒的静力平衡关系，推导堰塞坝溃决时泥石流临界泥深与堰塞坝内最大颗粒直径的计算公式，然后采用宽顶堰流量计算公式建立堰塞坝溃决流量与最大颗粒直径的计算模型，并采用实例验证该模型的可靠性，为确定泥石流防治工程中溃决流量提供准确可靠的计算方法。附图说明图1为本专利技术提供的实施例中溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法流程图。图2为本专利技术的提供的实施例中大颗粒堵溃模型示意图。图3为本专利技术提供的实施例中确定大颗粒堰塞坝溃决时泥石流的临界泥深方法流程图。图4为本专利技术提供的实施例中野外调查确定的溃决型泥石流沟溃决流量方法流程图。图5为本专利技术提供的实施例中V1、V1和V3断面处土样颗粒级配曲线图。图6为本专利技术提供的实施例中官坝河溃决点位置及V1、V1和V3处泥石流洪峰流量曲线图。图7为本专利技术提供的实施例中最大颗粒直径D与堵塞系数ω的耦合关系曲线图。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。如图1所示，一种溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法，包括以下步骤：S1、获取溃决点的大颗粒堰塞坝溃决宽度B；S2、建立以堰塞坝为计算对象的大颗粒堵溃模型；上述步骤S2中大颗粒堵溃模型如图2所示；S3、根据大颗粒堵溃模型，确定大颗粒堰塞坝溃决时泥石流的临界泥深H1；如图3所示，步骤S3具体为：S31、计算堰塞坝对泥石流的抵抗应力；所述步骤S31中；所述堰塞坝对泥石流的抵抗应力fb为：其中，fb1为大颗粒堰塞坝受泥石流冲击而产生的抗剪应力；fb2为沟床物质堰塞坝内固体物质的剪应力；σhed为大颗粒的基底应力，σhed＝γsh；rs为泥石流固体颗粒容重，取值为26.5kN·m-3；h为堰塞坝内最大颗粒的垂直高度；phed为泥石流的基底应力，phed＝γcH1，rc为泥石流容重；为泥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取溃决点的大颗粒堰塞坝溃决宽度B；S2、建立以堰塞坝为计算对象的大颗粒堵溃模型；S3、根据大颗粒堵溃模型，确定大颗粒堰塞坝溃决时泥石流的临界泥深H1；S4、根据溃决宽度B和泥石流临界泥深度H1，基于宽顶堰流量计算公式，确定堰塞坝溃决流量。

【技术特征摘要】
1.溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取溃决点的大颗粒堰塞坝溃决宽度B；S2、建立以堰塞坝为计算对象的大颗粒堵溃模型；S3、根据大颗粒堵溃模型，确定大颗粒堰塞坝溃决时泥石流的临界泥深H1；S4、根据溃决宽度B和泥石流临界泥深度H1，基于宽顶堰流量计算公式，确定堰塞坝溃决流量。2.根据权利要求1所述的溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：S31、计算堰塞坝对泥石流的抵抗应力；S32、确定堰塞坝溃决时的状态方程；S33、根据抵抗应力和状态方程，确定堰塞坝溃决时泥石流的临界泥深H1。3.根据权利要求2所述的溃决型黏性泥石流冲击下大颗粒堰塞坝溃决流量计算方法，其特征在于，所述步骤S31中；所述堰塞坝对泥石流的抵抗力fb为：其中，fb1为大颗粒堰塞坝受泥石流冲击而产生的抗剪应力；fb2为沟床物质堰塞坝内固体物质的剪应力；σhed为大颗粒的基底应力；phed为泥石流的基底应力；为泥石流基底摩擦角；τy为泥石流的屈服应力；η为宾汉流体刚度系数；为流速梯度；所述步骤S32中：所述堰塞坝的状态方程为：fb×S+mg(μcosθ-sinθ)＝ωρcV12H1其中，S为大颗粒迎水面接触面积；μ为静摩擦系数；ω为堵塞系数；ρc为泥石流密度；V1为靠近堰塞坝时泥石流的流速；m为堰塞坝质量；g为重力加速度；所述步骤S33中：所述堰塞坝溃决时泥石流的临界泥深H1为：其中，ω为堵塞系数；D为堰塞坝内最大颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：李俊，赵苑迪，
申请(专利权)人：四川理工学院，
类型：发明
国别省市：四川,51