泥石流动力特征计算.docx

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泥石流动力特征计算

3.3.2泥石流的力学特征

（1）容重

泥石流静力学特征主要指泥石流体或浆体的容重、含水量、物质组成、流变特征、化学性质及其静力特征等。

在一般地区出于泥石流的突发性、冲击力大等条件所限，难以直接测得天然泥石流容重。

一般采用现场调查试验法进行泥石流容重的测定，即在现场请当地亲眼看见泥石流暴发的居民多人，在需要测试的沟段，选取有代表性的堆积物搅拌成暴发时泥石流流体状态，进行样品鉴定，然后分别测出样品的总质量和总体积，求出泥石流流体容重。

在无法取得代表性样品时，根据《规范》中泥石流沟易发程度数量化评分标准，对某泥石流沟进行泥石流沟易发程度数量化评分（详见表4-3），按照《规范》中附表“数量化评分（N）与重度、（1＋Φ）关系”，可以得到泥石流的容重。

本报告采用后一种方法，查表得到泥石流的容重为1.68t/m3。

（2）泥石流流速

泥石流的流量是泥石流重要的特征值之一。

它不仅反映了泥石流的强度，规模和流体性质，而且决定着防治泥石流工程建筑物的类型、结构和尺寸。

因此，泥石流的洪峰流量是泥石流研究和防治工程中不可缺少的参数。

流速VC按照铁道部推荐的稀性泥石流的计算公式进行计算:

式中：

——泥石流中含沙量变化引起的流速修正系数，

；

R——水力半径（m），2.5m；

IC——泥石流水力坡度（‰），用沟床纵坡代替；

——清水河床糙率系数；

——泥石流泥沙修正系数，

；

——泥石流容重（t/m3），为1.68t/m3；

——清水容重（t/m3），1.0t/m3；

——泥石流中固体物质重度（t/m3）。

根据以上计算公式，泥石流的平均流速为8.28m/s。

（3）泥石流流量

泥石流流量计算，目前主要有两种方法，一是雨洪法；二是形态调查法。

①雨洪法

假设泥石流与暴雨同频率、且同步发生，先按水文方法计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量（计算方法查阅四川省水文手册），然后选用堵塞系数，按下式计算泥石流流量：

式中：

——频率为P的泥石流洪峰值流量（m3/s）；

——频率为P的暴雨洪水设计流量（m3/s）；

——泥石流泥沙修正系数，查《规范》附表，值为0.71；

——泥石流容重（t/m3），为1.68t/m3；

——清水的重度（t/m3），为1.0；

——泥石流中固体物质重度；

DC——泥石流堵塞系数（见表3-8），可查经验表为1.5。

表3-8泥石流阵流堵塞系数DC值表

堵塞程度

严重堵塞

中等严重堵塞

轻微堵塞

无堵塞

Dc值

>2.5

2.5～1.5

1.5～1.1

1.0

按照雨洪法，利用泥石流流量公式计算所得的泥石流最大流量如下表（表3-9）所示：

表3-9雨洪法计算最大流量

沟名

项目

某泥石流沟

流域面积F（km2）

沟长L（km）

11.25

平均坡降J（‰）

222

泥沙修正系数

0.71

设计频率p（%）

暴雨洪峰流量QP（m3/s）

87.49

72.54

泥石流峰值流量Qc（m3/s）

224.43

186.06

②形态调查法

在泥石流沟道中选择2-3个测流断面，仔细查找泥石流过境后留下的痕迹，然后测量这些断面上的泥石流流面比降（若不能由泥痕确定，则用沟床比降代替）、泥位高度Hc（或水力半径）和泥石流过流断面面积等参数。

用相应的泥石流流速计算公式，求出平均流速Vc后，即用下式求泥石流断面峰值流量Qc：

式中：

Qc——泥石流断面峰值流量（m3/s）；

Wc——泥石流过流断面面积（m2），取流通区平均沟道宽8m，水力半径为2.5m，过流断面面积为20m2；

Vc——泥石流断面平均流速（m/s），为8.28m/s。

用上式计算的泥石流断面峰值流量Qc为165.66m3/s。

（4）一次泥石流过程总量计算

一次泥石流总量Q可通过计算法和实测法确定。

实测法精度高，但因往往不具备测量条件，只是一个粗略的概算。

计算法根据泥石流历时T（s）和最大流量Qc（m3/s），按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化成五角形，按下式计算Q（m3），泥石流历时T取1200s：

Q=0.264TQc=KTQc

一次泥石流冲出的固体物质总量QH（m3）：

根据该公式，在计算频率为20年一遇的情况下，某泥石流沟一次泥石流冲出的最大固体物质总量为41850m3；在计算频率为50年一遇的情况下，一次泥石流冲出的最大固体物质总量为50480m3。

（5）泥石流整体冲压力

泥石流冲击力是泥石流防治工程设计的重要参数。

采用规范推荐的泥石流体整体冲压力计算公式：

式中：

——泥石流整体冲压力；

——泥石流容重，1.68t/m3；

——泥石流流速，8.28m/s；

——建筑物受力面与泥石流冲击压力方向的夹角，取90o；

——重力加速度；

λ——建筑物形状系数，圆形建筑物取1.0，矩形建筑物取1.33，方形建筑物取1.47。

本次建筑物主要以矩形为主，λ取1.33。

通过该公式的计算，泥石流的整体冲压力约15.64×104Pa。

（6）泥石流体中大石块的最大流速

按照规范，用以下经验公式计算：

式中：

Vs——泥石流中大石块的移动速度（m/s）；

α——全面考虑摩擦系数、泥石流容重、石块比重、石块形状系数、沟床比降等因素的参数。

3.5≤α≤4.5，平均α=4.0；

dmax——泥石流堆积物中最大石块粒径（m），为2.5m。

通过计算，泥石流大石块的最大速度为6.32m/s。

（7）泥石流中石块冲击力

泥石流中石块冲击力的计算参照以下公式（吴积善，《泥石流及其综合治理》1993）：

式中：

Pd——为泥石流中石块的冲击力（Pa）；

γ——动能折减系数，对于圆端正面撞击，采用γ=0.3；

Vc——泥石流平均流速（m/s），为8.28m/s；

Q——石块质量（kg），按最大粒径2.5m来算；

——受力面与泥石流冲击力方向的夹角，取90°；

C1、C2——巨石及拦挡圬工的弹性变形系数，C1+C2=0.005。

根据该公式，泥石流中石块的冲击力为14.35Kpa。

（8）泥石流最大冲起高度与爬高

泥石流最大冲起高度

根据规范推荐公式为：

由于泥石流在爬高过程中受到沟床阻力的影响其爬高

为：

式中：

——为迎面坡的函数。

通过计算，泥石流的最大冲起高度为3.5m，爬高为2.8m。

根据以上的计算，将泥石流各动力参数的计算结果汇总于表3-11。

表3-11泥石流动力学参数计算结果

参数

结果

参数

结果

泥石流平均流速

（m/s）

8.28

泥石流断面设计流量（形态调查法）

（m3/s）

229.46

大石块运动速度

（m/s）

6.32

20年一遇清水洪峰流量（雨洪法）

（m3/s）

72.54

容重

（t/m3）

1.68

20年一遇泥石流洪峰流量（雨洪法）

（m3/s）

186.06

泥石流中石块冲击力（Kpa）

14.35

20年一遇一次泥石流可能最大冲出量（雨洪法）（m3）

41850

泥石流整体冲压力（Pa）

15.64×104

50年一遇清水洪峰流量（雨洪法）

（m3/s）

87.49

爬高（m）

2.8

50年一遇泥石流洪峰流量（雨洪法）

（m3/s）

224.43

最大冲起高度（m）

3.5

50年一遇一次泥石流可能最大冲出量（雨洪法）（m3）

50480

（3）、泥石流动力学参数计算

A、流速计算：

据勘查所得泥石流流体水力半径、纵坡、沟床糙率及重度等参数计算；也可按泥石流的性质和所在地域，选择适合的地区性经验公式计算。

泥石流流速是决定泥石流动力学性质的最重要参数之一。

目前泥石流流速计算公式为半经验或经验公式，概括起来一般分为稀性泥石流流速计算公式、粘性泥石流计算公式和根据泥石流中大石块运动速度推算泥石流流速等三种办法。

a、稀性泥石流流速计算公式

VC=1/a·

·IC

…………………………………（2—2—1）

式中：

VC——泥石流断面平均流速（m／s）；

1/a=1/（γH·Φ＋1）1/2-----泥石流中由含沙量变化而引起的流速修正系数，

查表2—3--1…

R——水力半径（m），一般可用平均水深H（m）代替；

IC——泥石流水力坡度（‰），一般可用沟床纵坡代替。

——清水河床糙率系数，查当地水文手册或查铁路桥渡勘测设计规范（TBJ17--86）。

表2—2--1；泥石流河道河床清水糙率表

河段特征

河床物质组成及形态

沟岸状况

1/n

河段较顺直，河宽逐渐扩展，断面较规则，水流通畅，没有堵塞。

砂、土质河床，河底平顺，沟床纵坡<30

平顺的土岸或人工堤防，沟岸山坡坡度<150。

≥55（50～75）

砂、土质河床，河底不很平顺，沟床纵坡30～60。

平顺的土岸，略有坍塌，沟岸山坡坡度15～250。

50（40～55）

卵、砾石河床，河底较平顺，沟床纵坡30～60。

有坍塌的土岸或岩质沟岸，沟岸山坡坡度15～250。

45（35～50）

卵、砾石河床，河底不平顺，沟床纵坡60～120。

有坍塌的土岸或岩质沟岸，坍塌较发育，沟岸山坡坡度25～320。

40（30～45）

卵、碎、块石河床，河底不平顺，沟床纵坡。

60～120。

崩、坡积物或岩质沟岸，沟岸山坡坡度25～320。

坍塌发育，有堵塞痕迹。

35（25～40）

卵、碎、块石河床，河底松散堆积，很不平顺，沟床纵坡>120。

崩、坡积物或岩质沟岸，沟岸山坡坡度>320。

，坍塌很发育，有明显堵塞痕迹。

≤25（15～35）

山区峡谷河段、弯曲河段、阻塞的复式断面河段

砂、园砾石河床，边滩沙州犬牙交错

人工堤防强制弯曲者

35（30～40）

有矾石或丁坝挑流者

30（25～35）

卵石、园石河床，河底起不平，或长有水生植物的沟床。

参差不齐的卵石、园石河岸，或长中密灌丛的河岸

25（20～30）

参差不齐的岩岸，或长灌木丛生的河岸

20（15～25）

卵石、块石、大漂石河床，石梁、跌水、孤石交错、或水生植物稠密，阻水严重的沟床0。

参差不齐的岩岸，或长灌木丛生的河岸

15（12～20）

两岸时有岩咀突出，很不平顺，形成强烈斜流、回水、死水的河岸

12（10～15）

b、粘性泥石流流速计算公式

——粘性泥石流的河床糙率，用内插法由表2—2—2查得。

表2—2—2粘性泥石流河床糙率

序号

泥石流体特征

沟床状况

糙率值

流体呈整体运动；石块粒径大小悬殊，一般在30～50cm，2～5m粒径的石块约占20％；龙头由大石块组成，在弯道或河床展宽处易停积，后续流可超越而过，龙头流速小于龙身流速、堆积呈垄岗状

河床极粗糙，沟内有巨石和挟带的树木堆积，多弯道和大跌水，沟内不能通行，人迹罕见，沟床流通段纵坡在100‰～150‰，阻力特征属高阻型

平均值0.270

<2m时，

0.445

3.57

2.25

流体呈整体运动，石块较大，一般石块粒径20～30cm，含少量粒径2～3m的大石块；流体搅拌较为均匀；龙头紊动强烈，有黑色烟雾及火花；龙头和龙身流速基本一致；停积后呈垄岗状堆积

河床比较粗糙，凹凸不平，石块较多，有弯道、跌水；沟床流通段纵坡70‰～100‰，阻力特征属高阻型

＜1.5m时，

平均0.040

≥1.5m时，

0.050～0.100

平均0.067

20～30

10～20

流体搅拌十分均匀；石块粒径一般在10cm左右，挟有个别2～3m的大石块；龙头和龙身物质组成差别不大；在运动过程中龙头紊动十分强烈，浪花飞溅；停积后浆体与石块不分离，向四周扩散呈叶片状

沟床较稳定，河床物质较均匀，粒径10cm左右；受洪水冲刷沟底不平而且粗糙，流水沟两侧较平顺，但干而粗糙；流通段沟底纵坡55‰～70‰，阻力特征属中阻型或高阻型

0.1m＜

＜0.5m

0.043

0.5m＜

＜2.0m

0.077

2.0m＜

＜4.0m

0.100

泥石流铺床后原河床粘附—层泥浆体，使干而粗糙的河床变得光滑平顺，利于泥石流体运动，阻力特征属低阻型

0.1＜

＜0.5m

0.022

0.0＜

＜2.0m

0.033

2.0＜

＜4.0m

0.050

c、泥石流中石块运动速度推算泥石流流速计算公式

在缺乏大量实验数据和实测数据阶情况下，为便于以堆积后的泥石流冲出物最大粒径大体推求石块运动速度推算泥石流流速的经验公式：

Vs＝k·√dmax……………………………….…………..（2—2—2）

式中：

——泥石流中大石块的移动速度推算泥石流流速（m／s）；

——泥石流堆积物中最大石块的粒径（m）；

k——全面考虑的摩擦系数（泥石流重度、石块密度、石块形状系数、沟床比降等因素）。

变化范围3.5～5.5，

B、流量计算：

泥石流流量可采用形态调查法（据泥痕勘测所得的过流断面面积乘以流速）或雨洪法（按暴雨洪水流量乘以泥石流修正系数）确定。

暴雨小径流的地区性经验公式较多，暴雨洪水流量应采用适合当地的经验公式计算。

a、形态调查法

在泥石流沟道中选择2—3个有代表性的过流断面。

查找泥石流过境后留下的痕迹，然后确定泥位。

最后测量这些断面上的泥石流流面比降（若不能由痕迹确定，则用沟床比降代替）、泥位高度HC（或水力半径）和泥石流过流断面面积等参数。

用相应的泥石流流速计算公式，求出断面平均流速VC后，即可用下式求泥石流断面峰值流量QC。

QC＝WC·VC…………………………………………………….（2—2—3）

式中：

WC——泥石流过流断面面积（m2）；

VC——泥石流断面平均流速（m／s）。

雨洪法

假设泥石流与暴雨同频率、且同步发生，计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量的前题下建立的计算方法。

其计算步骤是先按水文方法计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量（计算方法查阅水文手册），然后选用泥石流重度和堵塞系数，按式I-2计算泥石流流量。

QC=（1十Φ）QP·DC……………………………………………..（2—2—4）

式中：

QC——频率为P的泥石流洪峰值流量（m3／s）；

QP——频率为P的暴雨洪水设计流量（m3／s）；

根据各省水文手册中给出的计算公式计算，

或用下式QB=0.278r×i×F计算

式中：

r——按小时平均雨强（毫米/小时）设计，用实测最大小时雨强校核

iB——产水系数。

植被具有保水功能，降雨后入渗少，产水系数与雨强的大小和植被的多少呈正变，与松散土层的厚度呈反变，一般产水系数i=0.3——0.8；泥百流地区多在0.6以下为宜。

产沙系数则相反，它与植被的多少呈反变，与雨强的大小和松散土层的厚度呈正变，一般产沙系数is=0.3——0.8；

F——流域面积（平方公里）

（1十Φ）——泥石流中由含沙量变化而引起的流量修正系数，查表2—3--1。

式中：

Φ＝（γC-γW）/（γH–γc）…………………………………（2—2—5）

γC——泥石流重度（t／m3）；

γW——清水的重度（t／m3）；

γH——泥石流中固体物质比重（t／m3）；

DC——泥石流堵塞系数，可查经验表2—2—3；

表2—2—3泥石流堵塞系数Dc值

堵塞程度

特征

堵塞系数Dc

严重

河槽弯曲，河段宽窄不均，卡口、陡坎多。

大部分支沟交汇角度大，形成区集中。

物质组成粘性大，稠度高，沟槽堵塞严重，阵流间隔时间长

＞2.5

中等

沟槽较顺直，沟段宽窄较均匀，陡坎、卡口不多。

主支沟交角多小于60°，形成区不太集中。

河床堵塞情况一般，流体多呈稠浆—稀粥状

1.5～2.5

轻微

沟槽顺直均匀，主支沟交汇角小，基本无卡口、陡坎，形成区分散。

物质组成粘度小，阵流的间隔时间短而少

1.1＜1.5

无

1.0

一次泥石流过程总量计算

一次泥石流总量Q可通过计算法和实测法确定。

实测法精度高，但因往往不具备测量条件，只是一个粗略的概算。

计算法根据泥石流历时T（s）和最大流量Qc（m3/s），按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化成五角形，按式I.6计

Q=0.264TQc=KTQc………………………………（2—2—6）

式中K值的变化随流域面积（F）的大小而变化：

当F<5（km2）时：

K=0.202；

F=5～10（km2）时：

K=0.113；

F=10～100（km2）时：

K=0.0378；

F>100（km2）时：

K=0.0.0252；

泥石流体中的固体物质流量QH（m3）：

QH＝Q（γC-γW）/（γH–γW）…………………………………（2—2—7）

C、冲击力计算：

可用附录I中公式计算泥石流整体冲击力、泥石流中大石块冲击力。

泥石流中大石块冲击力的计算方法较多，计算结果可信度较低。

a）泥石流体整体冲击压力计算公式

F＝（Υ·γc/g·Vc2·sinα）·λ………（2—2—8）

式中：

F——泥石流体整体冲击压力（Pa）；

g——重力加速度（m／s2），取g＝9.8m／s2；

α——建筑物受力面与泥石流冲击力方向的夹角（°）；

λ——建筑物形状系数：

圆形建筑物λ＝1.0，矩形建筑物λ＝1.33，

方形建筑物：

λ＝1.47。

D、弯道超高与冲高计算：

泥石流流动在弯曲沟道外侧产生的超高值和泥石流正面遇阻的冲起高度。

a）、泥石流的弯道超高

由于泥石流流速快，惯性大，故在弯道凹岸处有比水流更加显著的弯道超高现象。

根据弯道泥面横比降动力平衡条件，推导出计算弯道超高的公式：

……………………………………….（2—2—9）

式中：

Δh——弯道超高（m）；

R2——凹岸曲率半径（m）；

R1——凸岸曲率半径（m）；

b）、泥石流最大冲起高度

……………………………………..……（2—2—10）

c）泥石流在爬高过程中由于受到沟床阻力的影响，其爬高ΔH：

……………………………………..（2—2—11）

（4）泥石流的形成区、流通区和堆积区测绘。

a）工程治理区实测剖面至少按一纵三横控制；

b）重点区应有1-3个探槽或探坑（井）控制；

5）、对各类防治工程提供以下主要设计参数。

（1）各类拦挡坝:

覆盖层和基岩的重度、承载力标准值、抗剪强度，基面摩擦系数，泥石流的性质与类型，发生频次，泥石流体的重度和物质组成，泥石流体的流速、流量和设计暴雨洪水频率，泥石流回淤坡度和固体物质颗粒成分，沟床清水冲刷线。

（2）其它工程：

桩林着重于其锚固段基岩深度、风化程度和力学性质；排导槽、渡槽着重于泥石流运动的最小坡度、冲击力、弯道超高和冲高；导流堤、护岸堤和防冲墩着重于基岩的埋藏深度和性质、泥石流冲击力和弯道超高、墙背摩擦角；停淤场着重于淤积总量、淤积总高度和分期淤积高度。

2泥石流流体重度（γc）的确定

泥石流流体重度（γc）的确定，目前测试手段还不能解决，因此暂时的替代办法有：

1）、根据数量化评分法确定重度：

根据数量化评分（N）建立与重度（γc）的线性关系，制成备查表直接查找，参见表2—3--1

2）、现场仿制：

可靠性很难保证。

现场请当地曾亲眼看见过该沟泥石流暴发的老居民多人次，在需要测试的沟段，选取有代表性的堆积物搅拌成暴发时的泥石流流体状态，进行样品仿制，然后分别测出样品的总质量和总体积，按下式求出泥石流流体重度。

γc

……………………………………………………..（2—3--1）

式中：

γc——泥石流流体重度，t／m3；

——样品的总质量，t；

——样品的总体积，m3。

3）、现场评估

在泥石流沟现场，请多人次当地亲自目睹过该沟泥石流暴发或受过灾害的村民，描述泥石流流体特征和流体运动状况。

然后按表2—3--2的特征确定泥石流流体重度。

表2—3—2泥石流流体稠度特征表

稠度特征

稀浆状

稠浆状

稀粥状

稠粥状

重度γc（t/m3）

1.20～1.40

1.40～1.60

1.60～1.80

1.80～2.30

表2—3—1数量化评分（N）与重度、（1＋）关系对照表（h=2.65/2.70）

评分

重度

（t/m3）

1＋

1/a

评分

重度

（t/m3）

1＋

1/a

评分

重度

（t/m3）

1＋

1/a

1.300

1.223/

1.214

0.794/

0.796

1.502

1.459/

1.419

0.672/

0.685

102

1.703

1.765/

1.705

0.575/

0.587

1.307

1.231/

1.220

0.788

0.792

1.509

1.467/

1.427

0.669

0.681

103

1.710

1.778/

1.717

0.569

0.584

1.314

1.239/

1.226

0.782

0.788

1.516

1.475/

1.436

0.665

0.678

104

1.717

1.791/

1.729

0.567

0.580

1.321

1.247/

1.233

0.777

0.784

1.523

1.483/

1.444

0.662

0.674

105

1.724

1.804/

1.742

0.565

0.577

1.328

1.256/

1.239

0.771

0.779

1.530

1.492/

1.453

0.659

0.671

106

1.731

1.817/

1.754

0.562

0.576

1.335

1.264/

1.245

0.767

0.776

1.537

1.500/

1.462

0.656

0.667

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