泥石流固体物质起动临界深度与最大冲出总量测算方法、泥石流规模预报方法技术

本发明专利技术公开泥石流固体物质起动临界深度与最大冲出总量测算方法、泥石流规模预报方法。针对现有技术存在研究区差异而使各类测算的度量精度差异较大，以及各类测算方案普适性不高、应用明显受限的缺陷，本发明专利技术提供一种泥石流固体物质起动临界深度测算方法及其应用。测算根据物源区水源条件与固体物质条件判断物源区泥石流起动属于非饱和渗流－径流起动模式，或者是非饱和渗流起动模式，再测算起动临界深度。该方法是基于动力学模型的全定量测算方法，能够针对性解决现有技术受限于某一特定物源区对象，以及对偏离常值的意外极端泥石流灾害事件测算不足的缺陷。本发明专利技术还提供一种泥石流最大冲出总量测算方法及其应用、泥石流活动规模预报方法。活动规模预报方法。活动规模预报方法。

【技术实现步骤摘要】
泥石流固体物质起动临界深度与最大冲出总量测算方法、泥石流规模预报方法


[0001]本专利技术涉及泥石流活动规模的测算方法，特别是涉及一种测算泥石流起动时可裹挟的固体物质临界深度的方法，一种泥石流最大冲出总量测算方法，以及基于此的泥石流活动规模预报方法，属于地质灾害防治技术、地质灾害监测预警


技术介绍

[0002]泥石流形成是泥石流物源区固体物质在降水与地形条件耦合作用下随水起动汇集的结果。在一次降水条件下，有多少固体物质能够在水力条件下起动，是衡量泥石流活动规模的有效方法。该指标通常也可称为“最大冲出总量”，具体指一次降水条件下单场泥石流活动所输移的固体物质体积量。
[0003]在泥石流防治
，针对上述指标量的测算，现有技术有两种方案：其一、综合分析各类地形参数、固体物质性质参数在一定水力条件下可能参与泥石流活动的固体物质数量，即“动储量”。例如，采用滑塌面积率、不良地质体累计分布长度与主沟总长的比值对松散物质的活动性进行判定，采用灰色系统模型对流域内动储量进行定量预测，利用泥石流流量、输沙量及其与沟床纵坡、岩性之间的关系反演建立了松散固体物质临界集中量模型，综合面积滑塌率、不良地质体长度比、流域内爆发泥石流碎屑物的最低标准三个指标，对泥石流易发程度和规模进行判别，以及依据泥石流历时冲刷深度推导动储量的计算公式等。其二、综合泥石流固体物质冲出总量的多项影响因素建立经验模型。例如，基于流域面积、沟道坡度、沟道高差、物源储量、岩性特征等参数对泥石流固体物质冲出总量进行研究，建立相关预测模型。也有研究结果是在经验模型基础上进一步给出最大冲出量与泥石流物源区总物质储量间的简洁经验关系，例如，将流域内总物源的10％作为水源条件为百年一遇降水条件下单场泥石流的最大冲出量，以及在20年一遇条件下，灾区泥石流沟的最大冲出量与沟道内松散物质储量之间存在很强的幂函数关系。
[0004]现有技术在测算最大冲出总量时，存在缺陷在于多是从定性或是半经验半定量的角度进行，尚无统一的度量标准。由此造成因研究区差异而使各类测算的度量精度差异较大，以及各类测算方案普适性不高、应用明显受限。并且对于根据已有样本建立的经验模型，若发生泥石流规模超过已有样本规模，则估算量将严重不足。这进一步导致，现有测算方法在针对偏离常态的黑天鹅式的泥石灾害的规模估计不足。而实际灾害防治中，这类灾害事件又是最需要借助科学测算数据制订灾后应急与救援方案的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种有普遍适用性的泥石流最大冲出总量测算方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术首先提供一种泥石流固体物质起动临界深度测算方法，其技术方案如下：
[0007]一种泥石流固体物质起动临界深度测算方法，测算泥石流起动时可裹挟的固体物质临界深度，其特征在于：首先，现场调查获取泥石流物源区基本参数；其次，根据物源区水源条件与固体物质条件判断物源区泥石流起动属于非饱和渗流－径流起动模式，或者是非饱和渗流起动模式，最后，计算确定泥石流固体物质起动临界深度，具体：对于非饱和渗流－径流模式，依式1计算确定泥石流物源起动临界深度H
p
，对于非饱和渗流起动模式，依式2计算确定泥石流物源起动临界深度H
p
'，
[0008][0009][0010]式中，H
p
—非饱和渗流－径流模式的泥石流固体物质起动临界深度，
[0011]单位m，
[0012]H
p
'—非饱和渗流起动模式的泥石流固体物质起动临界深度，单位m，
[0013]c—物源区固体物质粘聚力，单位kN/m2，物源区基本参数确定，
[0014]γ
w
—水的容重，单位kN/m3，常数或物源区基本参数确定，
[0015]h—物源区径流深度，单位m，物源区基本参数确定，
[0016]γ
sat
—物源区固体物质饱和重度，kN/m3，物源区基本参数确定，
[0017]n—物源区固体物质孔隙度，物源区基本参数确定，
[0018]θ—物源区固体物质所处斜坡坡度，单位
°
，物源区基本参数确定，
[0019]—物源区固体物质摩擦角，单位
°
，物源区基本参数确定。
[0020]上述泥石流固体物质起动临界深度测算方法是测算在一次降水条件下泥石流起动时可裹挟的固体物质临界深度。方案原理在于：泥石流固体物质起动临界深度H
p
或H
p
'是指当水动力条件(渗流、表面径流等)与重力分量的合力不小于阻力时，土层中可移动固体物质的临界深度。因而，若能给定一定水源条件，对于某一特定的物源区(即通常划定为研究区)，在给定固体物质特征的前提下，通过引入降雨入渗模型便可模拟(借助专业模拟软件实现)物源区固体物质的水动力条件进而利用现在技术可以判断物源区的泥石流起动模式(非饱和渗流－径流起动模式或非饱和渗流起动模式)。针对不同起动模式进一步地引入水动力条件(径流、渗流等水动力)、地形条件(坡度θ)以及固体物源条件(固体物质性质，例如容重、粘聚力、内摩擦角、孔隙度等)三类与固体物质可移动性有关的条件量，分别建立由意义明晰的物理变量表达的力学模型式1或式2，便能够实现从定量角度对泥石流固体物质起动临界深度的测算。
[0021]上述方法中，现场调查包括了针对工程所在物源区现场的各种测绘、测量、模拟实验测试，以及历史灾害记录获取，以及有参照借鉴作用的经验数据获取等。
[0022]上述方法中，物源区径流深度h、物源区固体物质粘聚力c、物源区固体物质内摩擦角三者都是随物源区水源条件变化而变化的量。在现场调查环节，若物源区固体物质处于稳定状态，则认为物源区固体物质含水状态尚未达到H
max
，便需要根据以实时监测降雨数据为基础，应用Richards水分运动方程(Richards，1931)与VG导水率模型(Van Genuchten Model，1980)，依照水源条件与源区固体物质条件耦合原理对源区固体物质降雨入渗规律
进行数值模拟(采用专业软件如hydrus2D软件实现)，得出固体物质降雨入渗特征沿时间t轴的变化数据，根据变化确定到达H
max
状态的时刻t
c
，进一步确定时刻t
c
的物源区径流深度h与固体物质含水率ω，再依固体物质的含水率ω确定物源区固体物质粘聚力c、物源区固体物质内摩擦角将h、c、代入式1、式2计算。
[0023]根据本专利技术泥石流固体物质起动临界深度测算方法可应用于泥石流防治工程设计。例如，根据测算得到的泥石流物源起动临界深度H
p
或H
p
'，可为物源区泥石流防治工程体安全地基深度设计提供依据与参考。故，本专利技术提供以下方案：
[0024]上述泥石流固体物质起动临界深度测算方法在泥石流防治工程设计中的应用。
[0025]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.泥石流固体物质起动临界深度测算方法，测算泥石流起动时可裹挟的固体物质临界深度，其特征在于：首先，现场调查获取泥石流物源区基本参数；其次，根据物源区水源条件与固体物质条件判断物源区泥石流起动属于非饱和渗流－径流起动模式，或者是非饱和渗流起动模式，最后，计算确定泥石流固体物质起动临界深度，具体：对于非饱和渗流－径流模式，依式1计算确定泥石流物源起动临界深度H
p
，对于非饱和渗流起动模式，依式2计算确定泥石流物源起动临界深度H
p
'，'，式中，H
p
—非饱和渗流－径流模式的泥石流固体物质起动临界深度，单位m，H
p
'—非饱和渗流起动模式的泥石流固体物质起动临界深度，单位m，c—物源区固体物质粘聚力，单位kN/m2，物源区基本参数确定，γ
w
—水的容重，单位kN/m3，常数或物源区基本参数确定，h—物源区径流深度，单位m，物源区基本参数确定，γ
sat
—物源区固体物质饱和重度，kN/m3，物源区基本参数确定，n—物源区固体物质孔隙度，物源区基本参数确定，θ—物源区固体物质所处斜坡坡度，单位
°
，物源区基本参数确定，—物源区固体物质摩擦角，单位
°
，物源区基本参数确定。2.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于：以实时监测降雨数据为基础，采用Richards水分运动方程与VG导水率模型将水源条件与源区固体物质进行耦合，借助hydrus2D软件模拟物源区固体物质的降雨入渗特征过程，若模拟结果的边界通量存在表层径流数据，判断属于非饱和渗流－径流起动模式；反之，判断属于非饱和渗流起动模式。3.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于：以实时监测降雨数据为基础，采用Richards水分运动方程与VG导水率模型将水源条件与源区固体物质进行耦合，借助hydrus2D软件模拟物源区固体物质的降雨入渗特征过程，测算泥石流规模的物源区径流深度h、物源区固体物质粘聚力c、物源区固体物质内摩擦角4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在软件模拟过程中，当各计算单元的软件模拟水头高度＝0.6m时，标记该时刻为时刻t
c
，读取时刻t
c
的径流深度h与各计算单元固体物质含水率ω，根据固体物质粘聚力c与固体物质含水率ω之间的函数关系、固体物质内摩擦角值与固体物质含水率ω之间的函数关系计算时刻t
c
的c与将时刻t
c
的h、c、代入式1或式2。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述固体物质粘聚力c与固体物质含水率ω之间的函数关系、固体物质内摩擦角值与固体物质含水率ω之间的函数关系依式5表达，
式中，ω—各计算单元固体物质在时刻t
c
的含水率，单位％。6.权利要求1～5任一所述的泥石流固体物...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘华利，安笑，欧国强，李炳志，吕娟，孔玲，蒋婷婷，
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：