泥石流弯道坡脚最大剪切力与侵蚀深度测算方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术公开泥石流弯道坡脚最大剪切力与侵蚀深度测算方法、系统及应用。针对现有技术对弯道侵蚀问题限于野外实地调查分析的缺陷，本发明专利技术提供一种泥石流弯道坡脚最大剪切力测算方法。该方法基于泥石流弯道离心加速运动对弯道坡脚的冲击侵蚀过程分析，将射流冲击侵蚀影响纳入计算模型。最大剪切力包括泥石流离心加速运动对基底产生的剪切力与泥石流在法线方向上的速度分量所产生剪切力两部分。本发明专利技术提供泥石流弯道坡脚最大侵蚀深度测算方法，以及计算点土体抗剪强度测算方法。土体抗剪强度是基底抗阻强度与计算点两侧抗剪强度之和。本发明专利技术提供最大剪切力测量系统、泥石流监测预警系统，以及各类应用。本发明专利技术丰富了现有泥石流弯道侵蚀动力研究内容。弯道侵蚀动力研究内容。弯道侵蚀动力研究内容。

【技术实现步骤摘要】
泥石流弯道坡脚最大剪切力与侵蚀深度测算方法、系统及应用


[0001]本专利技术涉及一种泥石流流变特性与运动破坏特征测量方法，特别是涉及一种泥石流对弯道坡脚的破坏强度测算方法，以及该方法实现的测量系统、监测预警系统、应用方案，属于地质灾害防治工程
、流体运动力测量


技术介绍

[0002]作为一类破坏性极为强烈的地质灾害，泥石流的强烈破坏性来自于其形成起动后，在沟道内前进运动过程中会对沟床及沟岸内壁产生剧烈的侵蚀破坏能力，使沿程土石不断崩塌散落并被裹挟汇入泥石流体，不断增大泥石流发生规模与破坏程度，成为泥石流现场破坏力循环升级。同时，泥石流的侵蚀破坏能力一方面使沟道及两岸土石稳定性降低，在将来的强降雨中更易形成泥石流；另一方面使沟道逐渐加深加宽，造成两岸地表土体支离破坏，生态难以恢复。泥石流的侵蚀特征及侵蚀效应问题是泥石流动力学过程研究的基础性问题，在泥石流的防治技术、灾害评估中具有重要的指导与参考意义。
[0003]在沟道弯曲段(即弯道)，由于存在重力与离心力共同作用，泥石流体对弯道岸坡土体基部除存在侧向侵蚀外，还存在正向冲击侵蚀，因而侵蚀破坏力最(更)为严重。自然环境中，泥石流沟道具有坡降大、蜿蜒曲折频繁的特征，使得大小弯道岸坡坡脚被泥石流侵蚀之后发生坡脚失稳，诱发坡体整体下移、甚至垮塌现象，大量松散土石体散落堆积在沟道内为泥石流的发育提供了大量固体物源。如果坡体坍塌规模较大进而堵塞沟道，并在泥石流运移过程中发生溃决，则会大大增强泥石流的峰值流量进而使其具有更加强大的破坏能力。尤其在流域中上游，这类印象更为严重。这表明，泥石流的形成发生、以及规模与破坏程度的变化，在很大程度上与沟道中弯道数量与分布有高度关联。这也意味着，在研究与泥石流防汉技术方案开发中，泥石流弯道侵蚀破坏性的研究是重要问题。
[0004]泥石流侵蚀特征研究的核心问题是对泥石流侵蚀力的测算。现有技术公开的泥石流侵蚀力测算主要集中在泥石流沟道底床侵蚀力测算，其原因部分地在于对沟床侵蚀力的测算可以在一定程度上从河流动力学中的起动拖曳力等问题中得到启示。而涉及到泥石流侧壁剪切力测算时，作为固液两相非均质流体的泥石流的侧向侵蚀动力特征远比单相均质水流的侧向侵蚀特征复杂，因而需要与水动力学完全不同的研究思路。尤其在弯道中，泥石流受重力及离心力共同作用，自身结构沿横向及纵向重新分配，流变特性与运动特性变得复杂多变，使泥石流弯道侵蚀特征问题更为复杂。
[0005]泥石流弯道坡脚侵蚀破坏问题属于泥石流弯道动力学问题。现有技术对泥石流弯道动力特征的研究集中于弯道超高问题，对于弯道侵蚀问题仅限于野外实地调查分析，均没有涉及弯道动力特征指标的测算。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供泥石流弯道侵蚀特征测算测量的技
术，以及该技术的应用。
[0007]为实现上述目的，本专利技术首先提供泥石流弯道剪切力测算方法，其技术方案如下：
[0008]一种泥石流弯道坡脚最大剪切力测算方法，其特征在于：首先现场调查获取基本数据，确定弯道坡脚最大剪切力位点，标记为点A，所述弯道坡脚最大剪切力位点是沟通中泓线延长线与弯道岸坡交点；再依式1～式5计算A点处泥石流剪切力τ
d
，
[0009]τ
d
＝τ1+τ2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式1
[0010][0011][0012]v
t
＝cosβ
·
v
ꢀꢀꢀꢀꢀ
式4
[0013]v
n
＝sinβ
·
v
ꢀꢀꢀꢀꢀ
式5
[0014]式中，τ
d
‑
泥石流弯道坡脚最大剪切力，kPa，
[0015]τ1‑
泥石流离心加速运动而对基底产生的剪切力，kPa，
[0016]τ2‑
泥石流在法线方向上的速度分量所产生剪切力，kPa，
[0017]ρ
‑
泥石流容重，kN/m3，由基本数据确定，
[0018]v
‑
泥石流纵向平均流速，m/s，由基本数据确定，
[0019]v
t
‑
v沿切线方向的分量，m/s，
[0020]R
c
‑
弯道曲率半径，m，由基本数据确定，
[0021]B
‑
泥石流沟道弯道平均宽度，m，由基本数据确定，
[0022]φ
‑
泥石流内摩擦角，
°
，由基本数据确定，
[0023]C
z
‑
谢才系数，基本数据确定，
[0024]η
‑
考虑泥石流冲压力修正系数，由基本数据确定，
[0025]v
n
—v沿法线方向的分量，m/s，
[0026]β—A点对于弯道入口的偏心角，
°
，由基本数据确定。
[0027]上述泥石流弯道坡脚最大剪切力测算方法的基本原理主要在于：泥石流弯道剪切力的特征在于，与重力为主导因素条件下的沟床侵蚀不同，弯道外侧坡岸主要因泥石流弯道运动所导致的离心加速运动而对坡岸造成侵蚀作用。泥石流在弯道运动过程中受弯道外侧岸坡的约束程度逐渐增强亦伴随着由直线运动向离心偏转运动过渡，通过分析表明沟道中泓线延长线与弯道岸坡交点是弯道内泥石流剪切力最大处，在该处既有泥石流离心加速运动所产生的侵蚀也伴随着泥石流的冲击侵蚀。泥石流越过该处后，运动特征完全过渡到离心偏转运动之后，则具有弯道特征的冲击侵蚀作用逐渐消失。因而测算弯道最大剪切力的首要是根据沟道地形数据确定计算点所在。本测算方法中，为便于行文描述，将该点标记为A点。A点对于弯道入口存在偏心角β，则泥石流作用于岸坡A处的速度矢量v可以分成沿切线方向的速度矢量v
t
与沿法向方向的速度矢量v
n
。由此对应泥石流离心加速运动而对基底产生的剪切力τ1与泥石流在法线方向上的速度分量所产生剪切力τ2，两者之和即为泥石流对弯道岸坡坡脚A点处剪切力，也即弯道内最大剪切力τ
d
。
[0028]图1是泥石流对弯道外侧岸坡作用力俯视示意图(粗实线视岸坡边界)，图2是图1中I
‑
I
′
断面上泥石流弯道运动形态示意图(粗实线视岸坡边界)，图3是泥石流作用于岸坡坡脚在图1中I
‑
I
′
断面上的坡面示意图。
[0029]上述泥石流弯道坡脚最大剪切力测算方法中，参数β可采用现有技术确定，也可依式6计算确定。
[0030][0031]由于泥石流对岸坡的剪切力可以代表泥石流侵蚀能力，因而，本专利技术上述方法测算得出的泥石流弯道最大剪切力能够用于评估泥石流致灾程度、泥石流灾性演变速度与剧烈程度。故本专利技术提供如下相应的应用类技术方案。
[0032]上述泥石流弯道坡脚最大剪切力测算方法在泥石本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.泥石流弯道坡脚最大剪切力测算方法，其特征在于：首先现场调查获取基本数据，确定弯道坡脚最大剪切力位点，标记为点A，所述弯道坡脚最大剪切力位点是沟通中泓线延长线与弯道岸坡交点；再依式1～式5计算A点处泥石流剪切力τ
d
，τ
d
＝τ1+τ2ꢀꢀ
式1式1v
t
＝coSβ
·
v
ꢀꢀ
式4v
n
＝sinβ
·
v
ꢀꢀ
式5式中，τ
d
‑
泥石流弯道坡脚最大剪切力，kPa，τ1‑
泥石流离心加速运动而对基底产生的剪切力，kPa，τ2‑
泥石流在法线方向上的速度分量所产生剪切力，kPa，ρ
‑
泥石流容重，kN/m3，由基本数据确定，v
‑
泥石流纵向平均流速，m/s，v
t
‑
v沿切线方向的分量，m/s，R
c
‑
弯道曲率半径，m，由基本数据确定，B
‑
泥石流沟道弯道平均宽度，m，由基本数据确定，φ
‑
泥石流内摩擦角，
°
，由基本数据确定，C
z
‑
谢才系数，基本数据确定，ηη
‑
考虑泥石流冲压力修正系数，由基本数据确定，v
n
‑
v沿法线方向的分量，m/s，β
‑
A点对于弯道入口的偏心角，
°
，由基本数据确定。2.利用权利要求1所述泥石流弯道坡脚最大剪切力实现的泥石流弯道坡脚最大剪切力测量系统，其特征在于：确定泥石流弯道测量断面，在测量断面布置测量设备并与上位机/计算中心信号连接；现场调查获取沟道基本数据与常量数据输入所述上位机/计算中心，测量设备获取泥石流流态数据输入所述上位机/计算中心，上位机/计算中心依式计算泥石流弯道坡脚最大剪切力τ
d
。3.根据权利要求2所述泥石流弯道坡脚最大剪切力测量系统，其特征在于：是泥石流水槽实验系统，将所述泥石流弯道坡脚最大剪切力测算方法配置到泥石流水槽实验系统的上位机或计算中心。4.利用权利要求1所述泥石流弯道坡脚最大剪切力测算方法实现的泥石流弯道坡脚最大侵蚀深度测算方法，其特征在于：当泥石流弯道坡脚最大剪切力τ
d
大于等于A点土体抗剪强度τ
resis
时，依式7～式10测算泥石流弯道坡脚最大侵蚀深度h1，A1＝κcosαρ
bank
gtanφ
bank
ꢀꢀꢀ
式8
式中，h1‑
泥石流弯道坡脚最大侵蚀深度，m，A1、A2、A3‑
计算参数，α
‑
岸坡倾角，
°
，由基本数据确定，ρ
bank

【专利技术属性】
技术研发人员：柳金峰，芦明，孙昊，张文涛，王东伟，
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：