本發(fā)明屬于泥石流預警程技術(shù)領域，特別涉及一種震區(qū)泥石流溝道堆積物起動流深閥值的計算方法。
背景技術(shù)：
“5.12”地震以后，強震區(qū)內(nèi)誘發(fā)了大量的地震次生災害，其中強震區(qū)內(nèi)每年都有不同規(guī)模的泥石流事件暴發(fā)，給強震區(qū)帶來了嚴重的人員傷害和巨大的經(jīng)濟損失，且強震區(qū)地質(zhì)災害的活躍期將持續(xù)于地震后的20年。泥石流的預警是泥石流防治的主要方法之一，現(xiàn)有的泥石流預警主要基于泥石流流域的降雨條件和山洪流深，且主要的方法是基于統(tǒng)計方法和室內(nèi)實驗。根據(jù)汶川震區(qū)泥石流溝的溝道縱比降大、泥石流流域面積小等特征，使得震區(qū)泥石流的匯水速度快，泥石流沖擊力強。為此，震區(qū)泥石流的預警和防治是泥石流研究的重點。
一定流深的地表徑流形成一定的動水壓力，對泥石流溝道堆積物形成沖擊力，當泥石流溝道堆積物的抗剪強度小于等于地表徑流的沖擊力時，泥石流溝道堆積物處于臨界起動狀態(tài)，隨著地表徑流流深的增加，沖蝕泥石流溝道堆積物進而誘發(fā)泥石流過程。泥石流流深是泥石流暴發(fā)的最直接影響因素，也是泥石流預警預報最主要的參數(shù)之一。地表徑流流深與其所在的溝道沖刷斷面、溝道縱比降，以及溝道糙率系數(shù)等因素相關。由于汶川震區(qū)泥石流溝道縱比降大、泥石流流域面積小，使得在強降雨匯流條件下泥石流流域內(nèi)的匯水速度快，形成地表徑流沖蝕泥石流物源進而誘發(fā)降雨型泥石流。例如，小崗劍泥石流溝災害點在2009年的“9.8”、2011年的“9.5”以及2016年的“1.21”均發(fā)生地質(zhì)災害事件，嚴重堵斷公路，多次堵塞綿遠河。
然而，目前基于泥石流流深的預警預報主要是根據(jù)不同地區(qū)的經(jīng)驗值和統(tǒng)計模型，目前泥石流預警預報主要還是基于降雨強度對泥石流進行。由于降雨強度的分布的不均一性，使得泥石流預警存在一定誤差，且相對于雨量資料較少的地區(qū)，根據(jù)降雨強度的泥石流預警存在風險，不能高效、便捷的推廣到設計單位和生產(chǎn)單位。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于：針對上述存在的問題，提供一種震區(qū)泥石流溝道堆積物起動流深閥值的計算方法，解決強震區(qū)泥石流溝道堆積物起動過程中臨界泥石流流深，構(gòu)建基于泥石流溝道坡度、溝道堆積物性質(zhì)的泥石流流深閥值的預測模型，并進行實例運用，為泥石流預警的提供新方法，適用于泥石流預警實際工程的需要。
本發(fā)明技術(shù)的技術(shù)方案實現(xiàn)方式：一種震區(qū)泥石流溝道堆積物起動流深閥值的計算方法，其特征在于：將震區(qū)泥石流溝道特征、溝道堆積物性質(zhì)應用于震區(qū)泥石流起動的流深預測，其具體計算方法如下：
a.通過獲取震區(qū)泥石流溝道的參數(shù)，確定泥石流溝的溝道縱比降j(‰)，溝道坡度α(°)，泥石流溝道堆積物飽和狀態(tài)時的飽和容重γsat(kn/m3)，泥石流容重γ(kn/m3),泥石流體中水的容重γw(kn/m3)，γw＝10kn/m3，泥石流堆積物的內(nèi)摩擦角θ(°)，泥石流的黏滯系數(shù)η(pa·s)；
b.通過以下公式確定震區(qū)泥石流起動的流深閥值h，單位m；
h＝[(γcosαtanθ-(γ-γw)sinα)/(ηj1/2)]-3/4
式中：j為溝道縱比降(‰)，α為溝道坡度(°)，γ為泥石流容重(kn/m3),γw為泥石流體中水的容重(kn/m3)，γw＝10kn/m3，θ為泥石流堆積物的內(nèi)摩擦角(°),η為泥石流的黏滯系數(shù)(pa·s)；均由步驟a所確定。
本發(fā)明所述的震區(qū)泥石流溝道堆積物起動流深閥值的計算方法，其所述步驟b中的確定震區(qū)泥石流起動的流深閥值公式適用于震區(qū)泥石流溝道堆積物在地表徑流沖蝕條件下的泥石流起動的流深閥值的預測，將得到的泥石流流深將作為震區(qū)泥石流暴發(fā)的最小流深。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明突破傳統(tǒng)經(jīng)驗的限制，從泥石流溝道縱比降、泥石流溝道寬度等多方面入手，構(gòu)建了基于泥石流溝道參數(shù)的泥石流流深閥值計算模型。首先，在泥石流溝道坡度方面，利用泥石流溝道縱比降變化特征定量反映了震區(qū)泥石流溝道堆積物起動時的流深特征；其次，根據(jù)泥石流溝道堆積物的內(nèi)摩擦角反映了汶川震區(qū)泥石流流深與溝道堆積物物理性質(zhì)間的相互關系，計算理論完善，計算結(jié)果符合泥石流現(xiàn)場調(diào)查，能夠為震區(qū)泥石流預警參數(shù)提供技術(shù)支持。
附圖說明
圖1是泥石流溝道堆積物受力分析示意圖。
圖中標號如下：△h為溝道堆積物任意侵蝕厚度，△l為堆積物任意侵蝕長度，h為泥石流堆積厚度，α為泥石流溝道坡度，γsat為泥石流溝道堆積物飽和狀態(tài)時的飽和容重，dn為堆積物所受支撐應力，dgy為泥石流固體顆粒的自重應力，dτ為堆積物所受剪應力。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細的說明。
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明技術(shù)進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。
如圖1所示，一種震區(qū)泥石流溝道堆積物起動流深閥值的計算方法，其主要思路是：將震區(qū)泥石流溝道特征、溝道堆積物性質(zhì)應用于震區(qū)泥石流起動的流深預測。首選根據(jù)土力學推導泥石流溝道堆積物起動時的受力條件；再通過震區(qū)典型泥石流溝的調(diào)查以及泥石流溝道特征參數(shù)的測量等手段確定溝道坡度、溝道縱比降、溝道糙率系數(shù)、泥石流容重、泥石流粘滯系數(shù)；將所得參數(shù)帶入震區(qū)泥石流溝道堆積物起動流深閥值的計算模型中，得到泥石流流起動的臨界流深預測值。
具體計算方法及步驟如下：
首先，根據(jù)震區(qū)泥石流溝道堆積物的受力特征繪制泥石流溝道堆積物的受力示意圖，分析泥石流溝道堆積物起動過程中的驅(qū)動力條件和阻力條件。假設震區(qū)泥石流溝道坡度為α，泥石流溝道縱比降為j，泥石流容重為γ，泥石流溝道的糙率系數(shù)為n，泥石流的粘滯系數(shù)為η，如圖1所示，泥石流溝道堆積物起動時，堆積物受地表徑流的受剪應力(τ2)公式表示為：
式中，τ2為泥石流剪應力(pa)，τb為泥石流漿體的屈服剪應力(pa)，η為泥石流的黏滯系數(shù)(pa·s)，在常溫20℃時，粘滯系數(shù)為1.005pa·s，v為泥石流的流速(m/s)，α為泥石流溝道坡度(°),γ為泥石流容重(kn/m3),γw為泥石流體中水的容重(kn/m3)，γw＝10kn/m3。
則泥石流溝道堆積物受到的剪應力(τ2)公式表示為：
然后，泥石流溝道物源堆積體在上覆地表徑流自重壓力和溝道堆積物的自重應力下的正應力(δ)和剪應力(τ1)公式表示為：
式中，h為地表徑流的流深(m)，△h為溝道堆積物的任意侵蝕厚度(m)，γsat為泥石流溝道堆積物飽和狀態(tài)時的飽和容重(kn/m3)，其他符號同上所示。
然后，根據(jù)土力學理論得到泥石流溝道堆積物的抗剪強度τf公式表示為：
式中，c為泥石流溝道堆積物的內(nèi)聚力(pa)，其他符合同上。
由于汶川震區(qū)泥石流溝道堆積物沉積時間短，堆積體粘粒含量低，即泥石流溝道堆積物的內(nèi)聚力c忽略不計，當泥石流溝道堆積物的抗剪強度τf與泥石流的剪應力τ相等時，泥石流溝道堆積物處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。則泥石流溝道堆積物侵蝕深度△h＝0的泥石流起動流深閥值公式表示為：
h＝[(γcosαtanθ-(γ-γw)sinα)/(ηj1/2)]-3/4…………………(5)
式中：j為溝道縱比降(‰)，α為溝道坡度(°)，θ為泥石流堆積物的內(nèi)摩擦角(°)，η為泥石流的黏滯系數(shù)(pa·s)，在常溫20℃時，粘滯系數(shù)為1.005pa·s，γ為泥石流容重(kn/m3),γw為泥石流體中水的容重(kn/m3)，γw＝10kn/m3。
其中，所述步驟b中的確定震區(qū)泥石流起動的流深閥值的公式適用于震區(qū)泥石流溝道堆積物在地表徑流沖蝕條件下泥石流起動的流深閥值的預測，將得到的泥石流流深將作為震區(qū)泥石流暴發(fā)的最小流深。
以下為本發(fā)明的具體實施例：
紅椿溝流域形態(tài)為扇形，流域面積5.35km2，流域最高點位于新店子溝的溝源處(望鄉(xiāng)石)，高程2168.4m，溝口與岷江交匯處高程為880m，相對高差1288.4m。紅椿溝發(fā)育有甘溪鋪溝、大水溝和新店子溝等3條較大的支溝，其中主溝長約3.6km，上陡下緩，溝谷平均縱比降358‰。
為了有效的防治和治理泥石流，防止岷江被堵塞威脅下游安全，根據(jù)泥石流溝道特征對泥石流起動的流深閥值進行有效預測，具體計算方法及步驟如下：
a.根據(jù)紅椿溝泥石流溝的野外調(diào)查和泥石流溝道參數(shù)測試，確定了紅椿溝泥石流溝道堆積物的內(nèi)摩擦角為33°～35°，溝谷平均縱比降358‰，粘性泥石流溝床糙率為0.08，泥石流重度為17.10kn/m3，粘滯系數(shù)為1.005pa·s。
b.將a步驟確定的各參數(shù)代入下公式，
h＝[(γcosαtanθ-(γ-γw)sinα)/(ηj1/2)]-3/4
c.通過公式計算獲取紅椿溝泥石流起動時的流深閥值約為15cm，則紅椿溝泥石流起動的最小流深約為15cm。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。