粘性泥石流运动流速与流量计算
泥石流堵溃点溃决计算公式的工程运用

泥石流堵溃点溃决计算公式的工程运用摘要:泥石流地质灾害是地质灾害类型中危害较大的一类,其致灾往往具备突发性、广泛性和后续性等特点。
其中的后续性特征多表现为前次泥石流过程中可能形成新的垮塌堆积体或不稳定坡体垂直临空面为下一次泥石流的爆发提供丰富的物源条件,在这之中的沟道堵溃点对后续泥石流的影响极大。
故计算出堵溃点溃决时的泥石流流量和固体冲出量,对泥石流的防治有着极为重要的作用。
本文将运用相关公式计算出实际工程中的泥石流溃决流量和冲出量,并与实际情况进行对比。
以此验证计算公式的准确性,为以后工作中公式运用提供支撑。
关键词:泥石流;溃决流量;计算公式1导言2018年7月10日至7月20日,四川省阿坝藏族羌族自治州内某泥石流沟先后爆发两次泥石流,造成沟道淤高2m~3m,淤埋下游2户居民房屋。
据统计两次泥石流累计固体冲出量约为7.50×104m3,其冲出量远大于之前泥石流冲出规模。
经调查其物源主要来源于1处沟内崩滑堆积物源入沟堵溃点。
计算出泥石流发生时的特征参数可为后续工程治理提供有效的依据,降低泥石流再次致灾风险。
2泥石流流域基本特征2.1泥石流沟道特征该泥石流沟流域面积约12.27km2,沟道长度约7.06km,高程介于1620~4040m之间,相对高差约2420m,平均纵坡降约342.8‰。
沟谷呈“V”字型,谷底一般宽6~12m,沟道中下游两岸斜坡基岩出露,为震旦系上统灯影组(Zb dn)灰岩,坡度一般80~85°,上游沟道两侧斜坡坡度一般45~55°,局部基岩出露区60~75°。
沟口上游约200m(1640m高程)处、支沟口(1880m高程)处为两处基岩跌水坎,坎宽分别为3.5m、5m,高度分别为16m、13m。
根据调查,沟域内发育4处崩滑堆积体和1段沟床堆积物源。
按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220--2006)附录H填写调查表并按附录G进行易发程度评分,标准得分N=118,属极易发。
泥石流运动参数的计算方法

价分析受灾体条件 , 易损性是 由社会经济条件和受灾体 直接条件两方面基本要素构成。 滑坡灾害风险分 析不仅要 与滑坡灾 害机制研究 相结 合, 更重要 的是与灾 害破坏的工程及经济分析相结合 。易 损 }评价涉及到受灾体类型划分 、 生 受灾体损毁数量和损毁 程度的 统计、 受灾体价值损失率的计算等。滑坡灾害的损 失评价是在滑坡危险性评价和易损性评价的基础上进行 的, 其损失分直接经济损失和间接经济损失 。预测滑坡灾 害经济损失需根据滑坡灾害特点计算期望损失值。
行评 价 , 进行 累加 , 出评 价 区的期望 损失 。即 : 然后 得
S口 (面一∑S g ) (点 ) () 9
通 过危 险 l分 析评价 滑坡 的致灾 的条件 , 生 通过 易损性评
式 中 : (面 S ——评 价 区滑坡灾 害期望 损失 ; 5 —— 评价 区各滑坡灾 害点 损失 。 (点 这种方 法虽然 简 便实 用 , 如 果评 价 区范 围较 大 , 但 灾 害点较 多时 , 以逐 点 进行 损 失 评价 , 时 只 能在 专 难 此
泥石流的容重是很关键的参数 , 除对泥石流体的性 质起 决定 性 作 用 外 , 直 接 影 响 工 程 的规 模 和经 济效 还 益[, 1 获得 泥石 流容重 的方法 主要 有两种 。 ] 2 1 1 现场试 验取得 泥石 流容重 .. () 1现场调查试验法: 现场请当地 曾亲眼看见过该 沟 泥石 流暴发 的居 民多 人 次 , 需 要 测试 的沟 段 , 取 在 选 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 品鉴定 , 然后分别测出样 品的总质量和总体积 , 按
门勘察基础上, 采用平均危害面积比率和灾害平均活动
概率 ( 或平 均发展 速率 ) 析评 价滑坡 灾害期 望损 失 。 分
泥石流沟各类参数计算

平均粒径
3.278444883 0.608242801
3 0.0744
9.5 0.65
最大粒径 12
2.080083823 0.272763634 查表(规范)
1.5 0.65
245.8833662 75
3.278444883
查表 计算
一次泥石流冲出的固体物质总量QH (m3) 泥石流历时T (s)
Q(2%)
Q(5%) Q(形态法)
90565.68692
79293.40648
64186.77306 77895.85041
QH (1%)
QH (2%)
QH (5%)
QH
58867.7
51540.71
41721.4 50632.3
72.324
38876.76141
217.44
均值
25 75 1.024514 76.83855
K
1200 0.264
泥石流整体冲压力(×104Pa) 泥石流容重 泥石流流速 建筑物受力面与泥石流冲击压力方向夹角 重力加速度 建筑物形状系数
2.39
1.641 3.278444883
90 9.8 1.33
大石块的移动速度Vs
13.85640646
泥石流体中大石块的冲击力F(N) 块石质量Q(kg) 泥石流体中大石块的冲击力F(pa)
沟道宽 Wc面积
Vc Qc
Qp
Dc
Φ
1+Φ
Qc
81.86253068 1.5
0.65
1.65 202.6098
101.1292298 1.5
0.65
1.65 250.2948
115.5056715 1.5
泥石流动力特征计算 (1)

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: a 1——泥石流中含沙量变化引起的流速修正系数,()5.0111+Φ=H a γ;R ——水力半径(m),2.5m ;IC ——泥石流水力坡度(‰),用沟床纵坡代替;n ——清水河床糙率系数;Φ——泥石流泥沙修正系数,()()c H c γγγγω--=Φ;c γ——泥石流容重(t/m3),为m3;w γ——清水容重(t/m3),m3;H γ——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:c Q ——频率为P 的泥石流洪峰值流量(m3/s ); p Q ——频率为P 的暴雨洪水设计流量(m3/s );Φ——泥石流泥沙修正系数,查《规范》附表,值为;c γ——泥石流容重(t/m3),为m3;w——清水的重度(t/m3),为;γ——泥石流中固体物质重度;HDC ——泥石流堵塞系数(见表3-8),可查经验表为。
泥石流计算书1

1.泥石流水文参数计算1.1 计算断面的确定泥石流计算断面的选择主要为流域内典型断面。
1.2 计算公式和参数主要计算公式及参数取自《四川省水文手册》、《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)以及《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220-2006)。
根据泥石流防治工程的需要,对泥石流流体重度、流速、流量、一次冲出量、一次固体冲出物质总量、泥石流整体冲压力、爬高、最大冲起高度、弯道超高等进行计算和校核。
1.3 主要参数校核1.3.1 短历时暴雨公式当t<1小时 H tp=S p·t1-n1P n1p=a1+b1·lgp当t=1-24小时 H tp=S p·t1-n2p n2p=a2+b2·lgp S p=H24p·24n2p-1 1.3.2 长历时暴雨公式当T=1-7日 H Tp=H24p·T mp m p=a+b·lgp式中:H tp——短历时t小时的设计暴雨量(mm);H Tp——长历时t日的设计暴雨量(mm);H24p——年最大24小时的设计暴雨量(mm);n1p、a1、b1——短历时(t<小时)设计暴雨的公式指数及其参数;n2p、a2、b2——短历时(t=1-24小时)设计暴雨公式指数及其参数;m p、a、b——长历时(t=1-7日)设计暴雨的公式指数及其参数,据四川省水文手册附图2-9、2-10查得a=0.45, b=0.01;p——设计频率(%);S p——设计暴雨雨力(mm/小时);计算结果见下表:单位:mm 表1-1各种历时设计暴雨量1.3.3 洪水①洪峰流量计算由于棉簇沟泥石流无洪水实测资料,只能用间接法求得洪峰流量,根据暴雨资料,用推理公式计算最大流量,计算成果汇总见表1-1,基本公式:Q P=0.278 ψ· F·S/τn产流参数采用公式:u=(1-n)n(n/(1-n))(S/h n)(1/(1-n))=3.6·F-0.19汇流参数采用公式:m=0.318·θ0.204式中: Q P ——最大流量(m3/s);ψ——洪峰径流系数,ψ=1-τn·μ/ S P;τ——流域汇流时间(小时),τ=τ0·ψ-1/(4-n);τ0——当ψ=1的汇流时间,τ0= 【0.383/(m/θS P1/4)】4/(4-n);m——汇流参数,m=0.055θ0.72;S P——设计暴雨雨力(mm/小时),S P=H24P·24n2p-1;n——暴雨公式指数;F——集水面积(km2),取1.5km2;θ——流域特征系数,θ= L/(J1/3F1/4);L——沟道长度(km),取1.5km;J——平均坡降(‰),取193.0‰;其余参数见上述。
泥石流流量、流速的测定和计算-secret

泥石流流量、流速的测定和计算
泥石流流量、流速的测定和计算
1 流量的计算
(1)形态调查法
Qm=Fmum 19.3-1
式中Qm—泥石流流量(m3/s);
Fm—泥石流体的横断面面积(m2);
um—泥石流流速(m/s)。
【例题17】某地平均每11年发生一次泥石流,泥石流流体的横断面面积为20m2 ,泥石流流速为3.5m/s,按形态调查法进行计算,根据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)中有关泥石流分类规定,该泥石流为( )。
A、Ⅰ1;
B、Ⅰ2;
C、Ⅱ1;
D、Ⅱ2;
答案:D
【解答】根据题意有:Fm=20m2;um=3.5m/s;
按形态调查法计算:Qm=Fmum=20×3.5=70m3/s;界于30~100 m3/s之间,属于第二个亚类,即Ⅰ2或Ⅱ2;
另外,平均每11年发生一次,属低频泥石流Ⅱ;故应选择Ⅱ2,答案为D。
泥石流流速怎么计算
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泥石流流速怎么计算
泥石流是暴雨、洪水将含有沙石且松软的土质山体经饱和稀释后形成的洪流,它的面积、体积和流量都较大,而滑坡是经稀释土质山体小面积的区域,典型的泥石流由悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘土的粘稠泥浆组成。
在适当的地形条件下,大量的水体浸透流水山坡或沟床中的固体堆积物质,使其稳定性降低,饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动,就形成了泥石流。
泥石流是一种灾害性的地质现象。
通常泥石流爆发突然、来势凶猛,可携带巨大的石块。
因其高速前进,具有强大的能量,因而破坏性极大。
泥石流流动的全过程一般只有几个小时,短的只有几分钟,是一种广泛分布于世界各国一些具有特殊地形、地貌状况地区的自然灾害。
这是山区沟谷或山地坡面上,由暴雨、冰雪融化等水源激发的、含有大量泥沙石块的介于挟沙水流和滑坡之间的土、水、气混合流。
泥石流大多伴随山区洪水而发生。
它与一般洪水的区别是洪流中含有足够数量的泥沙石等固体碎屑物,其体积含量最少为15%,最高可达80%左右,因此比洪水更具有破坏力。
那泥石流流速怎么计算大家是否了解呢?
泥石流流速分为稀性泥石流和粘性泥石流两种方法进行计算。
稀性泥石流一般使用公式V=M/a*h /3*i /2 粘性泥石流一般使用公式V=1/nc*h /3*i /2. 今天希望以上内容能对您有所帮助。
粘性泥石流运动流速与流量计算

粘性泥石流运动流速与流量计算舒安平1,费祥俊2(1. 中国水利水电科学研究院;2. 清华大学)摘要:粘性泥石流作为最常见的一种泥石流,普遍存在于固体物质组成松散、降雨持续集中的陡峻山区。
作者首先对现有的粘性泥石流运动速度的有关成果进行扼要评述。
根据曼宁公式的结构形式,通过对大量泥石流沟的实测资料进行统计分析,得出涉及参数较为全面、具有一定普遍意义的粘性泥石流运动速度公式,经验表明该公式的可靠度令人满意,据此提出粘性泥石流的流量公式及其计算方法,从而为泥石流灾害治理工程规划设计提供了科学依据。
关键词:粘性泥石流;曼宁公式;阻力参数;流速;流量1 引言我国是一个泥石流频发的国家,特别是在西南和西北山区,每年雨季由于滑坡泥石流等山地灾害造成的人员伤害及经济损失均十分严重。
就在2002年5 月至8 月中旬不足4 个月的时间里,仅仅云南省14 个地市州因连降暴雨,引发受灾超过2 000 万人、死亡230多人、经济损失高达36 亿元的重大洪水泥石流灾害即为一个典型的例证。
可见,泥石流作为一种破坏性自然灾害,由于来势迅猛、影响深远,一旦成灾,其后果相当严重,因此对泥石流运动流速与流量进行分析研究,不仅为工程规划设计所急需,而且也是工程界和学术界普遍关注的重点课题。
根据固体物质颗粒组成,泥石流一般可分为泥流、粘性泥石流和水石流三种类型,其中粘性泥石流由于其固体颗粒组成范围广,并具有粗颗粒多、细颗粒含量大、颗粒分布呈“双峰”形态的特点,是自然界中最为常见的一种泥石流,一直是许多专家学者研究的重点课题。
目前盛行的粘性泥石流运动理论模型,主要基于两相流体内部阻力特点来求解泥石流运动流速。
尽管这种方法理论性较强,但由于各种模型应用时存在着一定的局限与不足,特别是由于粘性泥石流体内部阻力的复杂性而不得不假定固体颗粒呈均匀分布,加之模型中存在着一些难以确定的参数等问题,使得目前人们提出的一些泥石流运动速度模型及流量计算方法尚难达到实用水平[1]。
《泥石流治理工程设计要点》

3. 确定拦排数量
根据工程有效期(乡镇20年,城镇50年),计算拦+排 泥石流固体物质总量。
根据主河输沙能力与既有桥涵过流能力,以不导致主河、 公路次生灾害为度,确定拦(及停)-排结合方案中拦与排 的比例。进行主河堵溃二次灾害(壅水淹没与溃决洪水)预 测。尽量与公路改扩建协调。
4. 拦砂工程类型
ห้องสมุดไป่ตู้泥石流治理工程设计要点
中铁二院 蒋忠信
1. 参数计算
区分松散固体物源的静储量、动储量和一次冲出量。动 储量包括可入沟的崩塌滑坡体、坡面侵蚀物、可起动的沟床 堆积物等。
按泥石流勘查规范计算流速、流量、一次泥石流总量、 冲击力、爬高、弯道超高等参数。突出泥痕调查,流速、流 量可据弯道泥痕反算。据弯道超高值Δh计算流速:
5. 拦砂工程设计
按地形地质条件选择好坝位,尽量选上游纵坡缓的基岩 锁口处,使坝短、库容大、坝基浅;计算回淤坡度(多小于 沟纵坡0.5-1.5%)与库容以及防揭底和侧蚀的物量。有条件 时可加固地震堰塞体作坝。
按坝高初拟坝顶宽度(最小1m),坝面坡陡(甚至直 立),背坡缓(1:0.4-1:0.6),坝肩伸进坡体,坝基应力不高; 按最危险工况(空库一次泥石流满库)进行抗滑、抗倾和坝 身强度检算。
确定溢流段高度与截面,排水孔不要过大过密(孔面积 0.4-0.8m2,总面积5%-8%);在坝下0.5-1.0H段设护坦或潜 坝防冲。
缝隙坝要据最大粒径D进行缝隙设计,缝宽1.5-2.0D,缝 的总宽度为0.2-0.4溢流段宽B。确定其拦砂及过流能力,震 区注意流木阻塞问题。
根据各坝的造价与拦固物源量,得各坝的效益比(拦固 单位物源的费用),取消或降低低效益比的坝,增高高效益 比的坝。
好习惯是一个人终身的财富。习惯是一个人 的资本,你有了好习惯,你一辈子都有用不完的 利息,你有了坏习惯,你一辈子有偿还不了的债 务。
泥石流动力特征计算 (1)
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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: a 1——泥石流中含沙量变化引起的流速修正系数,()5.0111+Φ=H a γ;R ——水力半径(m),2.5m ;IC ——泥石流水力坡度(‰),用沟床纵坡代替;n ——清水河床糙率系数;Φ——泥石流泥沙修正系数,()()c H c γγγγω--=Φ;c γ——泥石流容重(t/m3),为m3;w γ——清水容重(t/m3),m3;H γ——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:c Q ——频率为P 的泥石流洪峰值流量(m3/s ); p Q ——频率为P 的暴雨洪水设计流量(m3/s );Φ——泥石流泥沙修正系数,查《规范》附表,值为;c γ——泥石流容重(t/m3),为m3;w——清水的重度(t/m3),为;γ——泥石流中固体物质重度;HDC ——泥石流堵塞系数(见表3-8),可查经验表为。
泥石流分析及流量求解

泥⽯流分析及流量求解泥⽯流分析及流量求解1)频率为P 的暴⾬洪⽔流量计算(P Q )泥⽯流峰值流量与沟⾕清⽔洪峰流量有关,⽽清⽔洪峰流量的⼤⼩⼜取决于暴⾬量的⼤⼩。
此次⼀⽚区泥⽯流沟⾕清⽔洪峰流量按部分汇流公式计算,其公式为:P Q =0.278KiF (2-1)式中:P Q —清⽔洪峰流量(m 3/s ) F —流域⾯积(km 2); i —1h ⾯⾬量(mm );K —汇流系数,查青海省⽔⽂图集,取为0.8。
2)频率为P 的泥⽯流峰值流量计算(CQ )按照泥⽯流与暴⾬同频率、且同步发⽣、计算剖⾯的暴⾬洪⽔设计流量全部转变成泥⽯流流量的前提下,⾸先按⽔⽂⽅法计算出剖⾯不同频率下的⼩流域暴⾬洪峰流量,然后选⽤堵塞系数,按下列公式进⾏泥⽯流流量C Q 计算。
CP C C D Q Q ?+=)1(φ(2-2)式中:C Q —频率为P 的泥⽯流峰值流量(m 3/s );P Q —频率为P 的暴⾬洪⽔设计流量(m 3/s );C φ—泥⽯流泥沙修正系数, )/()(C H S C C γγγγφ--=;C γ—泥⽯流容重(t/ m 3);S γ—清⽔的⽐重(t/ m 3),取值为1.0;H γ—泥⽯流中固体物质⽐重(t/ m 3),取值为2.65;CD —泥⽯流堵塞系数,取1.1。
利⽤上述公式计算出的各沟泥⽯流出⼭⼝峰值流量见下表5-3。
表5-3 热藏龙哇、龙藏沟泥⽯流流量计算表第三节泥⽯流流速计算泥⽯流流速是决定泥⽯流动⼒学性质最重要的参数之⼀,⽬前泥⽯流流速计算公式多为半经验或经验公式。
⼀⽚区各泥⽯流均属稀性泥⽯流,稀性泥⽯流的流速计算公式本报告选⽤西北地区(铁⼀院)公式:38c c c v H I α=23(15.3/)(2-5)式中:cv ——泥⽯流断⾯平均流速(m/s );c H ——泥⽯流流体⽔⼒半径(m ),可近似取其泥位深度;cI ——泥⽯流流⾯纵坡⽐降(‰);α——阻⼒系数。
利⽤以上公式计算的⼀⽚区2条泥⽯流沟峰值流速结果见表5-4。
泥石流流速计算与模型设计方法

目前, 关于泥石流运动及动力机理的研究还不成 熟, 许多方面的认知尚不清晰, 完全从理论上得到的泥 石流输移与堆积计算结果很难同实际符合。同时, 特 殊的沟道地形对泥石流运动过程影响很大, 由于沟道 边界条件复杂, 难以运用解析法定量描述泥石流运动 过程, 因此研究和论证泥石流问题必须借助于模型 试验。 不少学者认为泥石流模型设计可参照河工模型的 设计方法, 原因是泥石流的物理特性和运动特性在若 干方面与高含沙水流相差不大, 如胡平华等[]通过泥 石流试验提出的相似条件与一般的挟沙水流相似律基 本相同; 王协康等[]认为稀性泥石流试验可参考一般 挟沙水流, 而黏性泥石流应以高含沙泥浆为基础, 其相 似条件可近似采取张红武提出的某些模型比尺。 研究发现, 泥石流的运动规律有其自身特性。大 部分情况下, 泥石流不仅会出现高含沙洪水与一般挟 沙水流的输沙, 而且还有较大规模的推移质输沙。因 此, 现有的河工模型设计方法不能直接用于泥石流模 型设计。对泥石流的模型设计, 除与常规河工模型设 计方法一样需要满足水流运动相似条件外, 还应有独 特的相似要求, 尤其要把握泥石流运动特点, 抓住对泥 石流起支配作用的物理法则并确定相似条件。为此, 笔者在寻求泥石流流速计算方法的基础上, 对泥石流 模型的设计方法进行了探讨。
Vol . 37 N
【 水文泥沙】
泥石流流速计算与模型设计方法
张罗号 , 张红武 , 张锦方 , 张廷伟
1 2 2
2
( 江苏 南京 210098; 1. 河海大学 水利水电学院, 北京 100084) 2. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,
1 2
似, 分为启动、 运动、 堆积 3 个阶段。从运动形式上看, 水平运动是其基本的运动形式, 垂向和横向运动则是 派生的和不稳定的。野外观察表明, 泥石流在大比降 沟道内运动时, 容易挟持沿途巨石随流而下, 同时可冲 蚀、 淘空深数米至数十米的沙质沟床, 能携带许多石块 在比较狭窄的条带上作直线运动, 但在运动过程中还 会出现弯道超高和冲高现象, 以很大的动能冲击和破 坏流路上的障碍物, 迅速通过峡谷直泻山口之外。其 运动过程中既有水流、 泥沙、 石块不断汇入、 侵蚀下切 的形成阶段, 又有沙、 石停息于边岸、 凸岸的堆积阶段。 泥石流流速 v 是反映泥石流运动力学的最重要 的特征值, 同时也是泥石流防治工程设计的基本参数, 只有它才能在实际工程中综合表征上述泥石流运动过 程中的动力学特征。 尽管确定 v 对把握泥石流动力特征起着至关重 要的作用, 但受测试手段和学科研究水平的限制, 尚难 直接建立既有一定理论基础又有实用价值的泥石流流 速计算公式。目前工程上常见的泥石流流速公式分为 黏性泥石流流速公式和稀性泥石流流速公式。 1. 2 黏性泥石流流速计算公式 吴积善等[]分析了国内的黏性泥石流流速公式, 认为可按泥石流阻力大小分为低阻型、 中阻型及高阻 型泥石流计算公式。
粘性泥石流体的应力应变特性和流速参数的确定

粘性泥石流体的应力应变特性和流速参数的确定王裕宜1, 詹钱登2, 韩文亮3, 洪 勇1, 邹仁元4(11 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 , 中国科学院东川泥石流观测研究站 , 四川 成都 610041 ;21 台湾成功大学水利与海洋工程学系 , 台湾 台南 70101 ; 31 清华大学水利系 , 北京 100083 ;41 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 , 四川 成都 610041 )摘要 : 文章从粘性泥石流体的组成 , 应力应变特性和减阻作用的观测试验入手 , 揭示了粘性泥石流体运动的阻力特 性 , 探讨了粘性泥石流流速公式中的曼宁糙率系数的表征 。
粘性泥石流体运动的阻力特性主要与沟槽特征以及泥 深和粘附层流变特性有关 。
根据高 、低不同阻力的粘性泥石流浆体的泥砂比 , 浆体介质的流变参数 (ηp 、τB f ) 和 体积浓度 ( C v f ) , 可获得不同阻力介质状态下统一的阻力糙率系数与它们的相关式 , 以此来确定曼宁糙率系数 。
关键词 : 粘性泥石流 ; 应力应变特性 ; 流速公式 ; 糙率系数 文章编号 : 100328035 (2003) 0120009205中图分类号 : P642123 文献标识码 : A3高浓度粘性泥石流体 ( S v = 2100 kg Πm ) 能在坡 度 ( j = 0152~0106) 不大的沟道中高速运动 ( V =10~15 m Πs ) , 其独特的应力应变特性所产生的减阻 作用 , 给泥石流防治工程动力参数的确定带来了困 难 。
本文从粘性泥石流体的组成 , 应力应变特性和 减阻作用入手 , 探讨粘性泥石流流速公式中的不同 阻力类型 、不同流变特性表达的统一通用曼宁糙率 系数的表征 , 为泥石流防治提供简化了的可操作性 粘性泥石流流速计算方法 。
图 1 粘性泥石流的水力强度特征F ig. 1 H ydra u lic strength of viscous debris flo w1 粘性泥石流体的组成和应力应变特征颗粒 ( d < 0105 mm ) , 它约占固体物质总重量的 10 ~18 % 。
泥石流沟各类参数计算

90565.68692
79293.40648
64186.77306 77895.85041
QH (1%)
QH (2%)
QH (5%)
QH
58867.7
51540.71
41721.4 50632.3
72.324
38876.76141
217.44
均值
25 75 1.024514 76.83855
K
1200 0.264
泥石流整体冲压力(×104Pa) 泥石流容重 泥石流流速 建筑物受力面与泥石流冲击压力方向的夹角 重力加速度 建筑物形状系数
2.39
1.641 3.278444883
90 9.8 1.33
大石块的移动速度Vs
13.85640646
泥石流体中大石块的冲击力F(N) 块石质量Q(kg) 泥石流体中大石块的冲击力F(pa)
平均粒径
3.278444883 0.608242801
3 0.0744
9.5 0.65
最大粒径 12
2.080083823 0.272763634 查表(规范)
1.5 0.65
245.8833662 75
3.278444883
查表 计算
一次泥石流冲出的固体物质总量QH (m3) 泥石流历时T (s)
流速 Vc(m/s) 流速修正系数1/a 水力半径(m)R 沟床纵坡Ic 清水河床糙率系数1/n 泥石流泥沙修正系数Φ
流量(雨洪法) 频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s)Qc
频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s)Qp 泥石流堵塞系数Dc 泥石流泥沙修正系数Φ 流量(形态调查法) 断面峰值流量Qc 过流断面面积(m2)Wc 断面平均流速Vc
泥石流计算公式

1次过程总量m3
Q 6109.89603 3226.51415 9406.25394 58220.6553
经验系数
k2 0.22 0.264 0.264 0.264
历时s
峰值泥0 7.7145152
1200 10.184704
1200 29.691458
α 4
w
C1+C2
10
0.05
0.7 3.99 1.586077 1.259396 5.037582
1200 183.77732
系数
1+φ 1.894
1.5 1.483 1.74
堵塞系数 洪水流量m3/s
Dc
Qp
2.2 1.851424
1.5 4.526535
1.5 13.34748
2 52.80958
经验系数
小时降雨量 mm
k1
Rp
0.278 28.4
0.278 83.5
0.278 83.5
0.278 83.5
稀性断面流速 m/s
Vc 11.627402
泥石流流速计算
石块运动速度计算
固体重度 t/m3
γh
系数
清水河床糙率 系数
水力半径m
水力坡度‰
石块速度m/s
φ
1/n
R
I
Vs
2.25 0.678 28.571429
1.2 0.328
0
摩擦系数
α
粒径m
dmax
粘性断面流速 m/s
Vc 6.10595925
系数
F
r
21.09
0.3
流速m/s
泥石流计算方法

干线公路灾害防治试点工程技术指南(试行)中华人民共和国交通部二○○六年八月目录1 总则22 灾害调查和评估2 2.1泥石流和水毁 42.2路基病害73 防治工程设计93.1水毁防治工程103.2泥石流防治工程 (14)3.3路基病害防治工程 (15)4施工175 工程验收196 效果评估和总结20附录泥石流相关计算方法211 总则1.1 为提高公路抗灾能力,指导干线公路灾害防治工程试点工作的实施,特制定本技术指南。
1.2 公路灾害防治工程是通过增设和完善公路的灾害防护设施为重点,对公路边坡、路基、桥梁构造物和排(防)水设施进行综合整治,以提高公路抗灾能力的专项工程。
1.3 公路灾害防治试点工程的实施应按照“安全、耐久、节约、和谐”的原则,贯彻“预防为主、防治结合、因地制宜、综合治理”的方针,对公路灾害防治工程采取综合措施进行整治。
鼓励技术创新和采用经过论证的新技术、新材料和新工艺。
1.4 通过实施公路灾害防治试点工程,提高试点路段的抗灾能力、通行能力和行车安全水平,探索总结适合我国国情的公路灾害防治工程技术措施和组织实施方法,为全面实施积累经验。
1.5 本指南适用于干线公路灾害防治试点工程的实施。
1.6 干线公路灾害防治试点工程的实施,除应符合本指南外,还应符合国家有关标准的规定。
2 灾害调查和评估2.1 泥石流和水毁2.1.1水毁调查与评估,必须进行水毁形成条件调查,通过现场勘察认识所在河段的类型及河床变形、地质构造等特点,再结合灾害工程特点,研究水毁的原因。
水毁和泥石流都具有冲击、侵蚀、携带、淤积等破坏能力,但形成机理和流体性质完全不同。
2.1.2洪水与暴雨时空关系密切,以重复发生、夜间多发为特征。
其危害的方式包括冲刷、侵蚀、冲击、淤积、淹没、漫流改道为主,具有突发、集中、历程短、成灾快的特点。
调查评估的重点是洪水发生的时间、历程、流量、频率等。
2.1.3洪水调查的内容和方法见表2.1.3。
粘性泥石流流速计算方法

粘性泥石流流速计算方法朱兴华;崔鹏;唐金波;邹强【期刊名称】《泥沙研究》【年(卷),期】2013()3【摘要】泥石流流速是泥石流动力学分析中最为重要的参数,以曼宁公式为原型的泥石流流速计算公式正被广泛的用于泥石流动力学分析及工程防治设计。
然而由于曼宁公式中,对糙率系数的选取带有很强的主观因素,从而导致曼宁公式的泥石流流速计算值与实际相差甚远。
本文首先较为全面地分析了影响曼宁糙率系数的6方面因素,并将这6方面的因素归结为外部沟道边界条件和粘性泥石流流体内部特征两大方面;然后基于上述分析分别构建了关于泥石流外部糙率和内部糙率的具有明确物理意义的无量纲综合影响因子,从而提出了粘性泥石流综合糙率系数的数学表达式;接着以东川泥石流观测站的21组观测数据对待定参数进行了率定,从而提出了粘性泥石流综合糙率系数的计算表达式,并将公式计算结果与实测数据进行了比较,结果令人满意;最后以综合糙率系数表达式完善了粘性泥石流流速计算公式。
【总页数】6页(P59-64)【关键词】粘性泥石流;糙率系数;流速;东川泥石流观测站【作者】朱兴华;崔鹏;唐金波;邹强【作者单位】中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所;中国科学院大学;中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TV143.4【相关文献】1.新疆高海拔高寒山区公路粘性泥石流流速研究 [J], 李国华;黄勇2.粘性泥石流弯道超高在流速计算中的应用 [J], 何杰;陈宁生3.粘性泥石流体的应力应变特性和流速参数的确定 [J], 王裕宜;詹钱登;韩文亮;洪勇;邹仁元4.考虑相对暴露度的无粘性土临界流速计算方法探讨 [J], 陈亮;陈成;何健健5.粘性泥石流运动流速与流量计算 [J], 舒安平;费祥俊因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
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粘性泥石流运动流速与流量计算舒安平1,费祥俊2(1. 中国水利水电科学研究院;2. 清华大学)摘要:粘性泥石流作为最常见的一种泥石流,普遍存在于固体物质组成松散、降雨持续集中的陡峻山区。
作者首先对现有的粘性泥石流运动速度的有关成果进行扼要评述。
根据曼宁公式的结构形式,通过对大量泥石流沟的实测资料进行统计分析,得出涉及参数较为全面、具有一定普遍意义的粘性泥石流运动速度公式,经验表明该公式的可靠度令人满意,据此提出粘性泥石流的流量公式及其计算方法,从而为泥石流灾害治理工程规划设计提供了科学依据。
关键词:粘性泥石流;曼宁公式;阻力参数;流速;流量1 引言我国是一个泥石流频发的国家,特别是在西南和西北山区,每年雨季由于滑坡泥石流等山地灾害造成的人员伤害及经济损失均十分严重。
就在2002年5 月至8 月中旬不足4 个月的时间里,仅仅云南省14 个地市州因连降暴雨,引发受灾超过2 000 万人、死亡230多人、经济损失高达36 亿元的重大洪水泥石流灾害即为一个典型的例证。
可见,泥石流作为一种破坏性自然灾害,由于来势迅猛、影响深远,一旦成灾,其后果相当严重,因此对泥石流运动流速与流量进行分析研究,不仅为工程规划设计所急需,而且也是工程界和学术界普遍关注的重点课题。
根据固体物质颗粒组成,泥石流一般可分为泥流、粘性泥石流和水石流三种类型,其中粘性泥石流由于其固体颗粒组成范围广,并具有粗颗粒多、细颗粒含量大、颗粒分布呈“双峰”形态的特点,是自然界中最为常见的一种泥石流,一直是许多专家学者研究的重点课题。
目前盛行的粘性泥石流运动理论模型,主要基于两相流体内部阻力特点来求解泥石流运动流速。
尽管这种方法理论性较强,但由于各种模型应用时存在着一定的局限与不足,特别是由于粘性泥石流体内部阻力的复杂性而不得不假定固体颗粒呈均匀分布,加之模型中存在着一些难以确定的参数等问题,使得目前人们提出的一些泥石流运动速度模型及流量计算方法尚难达到实用水平[1]。
在这种情况下,只能借助经验方法建立适合某种特定条件下的泥石流运动流速公式,进而求解流量,显然这些公式带有很强的经验性,其适用范围有限而难以推广应用。
有鉴于此,作者试图基于曼宁公式的结构形式,通过对我国西部大量泥石流沟的实测资料进行统计分析,提出涉及参数较为全面、具有一定普遍意义的粘性泥石流运动速度公式及流量的计算方法。
本项研究成果不仅有利于丰富河流动力学学科内容,而且具有重要的实用价值。
2现有成果的概述目前,有关粘性泥石流运动速度的研究成果较多,这里受篇幅限制,只将具有代表性的成果进行分析。
云南省东川蒋家沟是一个典型的泥石流沟,每年洪水季节粘性泥石流频发,素有天然泥石流博物馆之称,闻名于世。
康志成等⑵根据60年代以来收集有关蒋家沟泥石流实测资料,通过分析泥石流内部与外部阻力变化规律,建立阻力综合参数1/n c与泥深h之间的关系,获得了具有典型代表意义的粘性泥石流流速公式,即n c=0.035h°.34(1)或sc — -0.34 z. 2/3 1/2、 sc 一0.327 .0.5 .、n c= 28.5h (h J )=28.5h J (2)我们根据云南大盈江浑水沟泥石流的观测资料:3:,通过分析拟合也得到类似于式(1)的阻力关系式%= 0.051h0.25(3) 此外,基于河流水力学流速公式而得到的粘性泥石流流速经验公式也不少,但与以上公式相比均有异曲同工之处,在此不再赘述式(1)和式(3)均表明,泥石流阻力因子n c值随着泥深的增加而增大。
一方面可理解为,泥深的增加使得挟带的固体含量也越多,因而阻力也越大。
但从另一角度来看,一定坡降下泥深越大,反映泥石流的流量也大,而流量增加为什么会导致综合阻力因子n c也增加,令人难以理解。
而且进一步比较式(1)与(3)还可发现,在相同泥深h下,浑水沟n c值比蒋家沟要大,因为同为粘性泥石流,蒋家沟的细颗粒含量比浑水沟大,而上述经验式的系数又不能正确反映颗粒组成及比降对n c值的影响,表明经验关系式所反映的因子并不全面。
此外,通过分析甘肃省武都地区柳湾沟、火烧沟及泥湾沟的大量粘性泥石流实测资料⑷进一步发现,1/n c与h之间不仅并不存在简单的相关关系,而且按式(2)计算的泥石流流速普遍高出实测值约一倍左右:1:,充分表明具有式(1)或式(2)结构形式的粘性泥石流流速公式存在着结构形式简单、包涵因子不全面等弊端,而且经验性很强,因此有必要进一步深入分析研究。
3粘性泥石流的流速3.1流速公式的建立一般来说,应用曼宁公式来表达泥石流流速,其中的阻力因子n c实际上是包含泥石流内部及外部的阻力综合因子。
泥石流内部阻力由颗粒间相互作用及液体粘性引起,与由边壁糙度引起的外部阻力完全不同。
对于粘性泥石流的外部糙度,据我国泥石流界估算结果,其平均值1/n -30,即曼宁糙率n=0.033左右。
对于泥石流内部阻力综合参数,可以通过引入修正系数a对曼宁公式进行修正,于是得到泥石流流速公式n c =1/n 1/a h2/3J1/2=1/n c h2/3J1/2⑷根据对大量的实测资料分析结果,泥石流内部阻力综合参数1/n c与泥石流固体浓度、颗粒组成以及泥深与坡降等因素有关。
通过分析包含蒋家沟在内的几条粘性泥石流沟的实测资料,首先发现浓度对n c的影响是复杂的,一方面粘性泥石流浓度S的增加使得内部阻力提高;另一方面当S很高时,由于颗粒沉速与内部阻力因浓度提高迅速减少,因而浓度对泥石流内部阻力有着双重作用,宜用S(1-S v)作为影响因子。
其次,对于粘性泥石流流速,如采用修正的曼宁公式来表达,则式(4)中水深h及坡降J的方次明显偏高,这说明采用a对曼宁公式进行修正,应使h及J的方次下降。
尽管如此,但不同泥石流沟的阻力关系还是无法统一在一起,进一步对比分析蒋家沟及浑水沟的实测资料,发现蒋家沟粘性泥石流的细颗粒含量要比浑水沟多,而在相同条件下1/n c值要大,表明1/n c与细颗粒含量呈反变关系,可选择反映颗粒级配特征的下限粒径d io作为细颗粒含量的指标。
由于各组次泥石流的d io值不完全相同,这里只好取各组次的平均值,蒋家沟粘性泥石流平均d io=O.O11mm浑水沟粘性泥石流平均d io=O.O32mm综上分析,泥石流内部阻一;* 二:关系密切。
应用蒋家沟及浑水沟的力1/n c与水力泥沙综合因子实测资料,在对数坐标上点绘1/n c与©的关系图,发现两沟的点据能够很好地集中在一条直线的两侧,其线性关系令人满意,如图1所示。
对图1的关系进一步拟合分析,得到如下综合阻力参数公式⑸«L枫%」式中d io单位为mm将式(5)关系代入式(4),得到粘性泥石流流速公式―丄為•壯U]加⑹叫L % _式(6)作为粘性泥石流流速公式,其形式并不复杂,而且式中所包涵的影响参数比较全面,与同类公式相比具有更加普遍意义和实用价值。
3.2流速公式的验证应用甘肃武都地区三条粘性泥石流沟的资料对式(6)进行检验,结果表明按式(6)计算的泥石流流速与实测值相吻合的程度令人满意,如图2所示。
此外,图2同时还点绘有别于前文建立式(6)时的1966年蒋家沟实测资料,我们发现蒋家沟点群也均集中在45°线的两侧,基本说明式(6)可以用于不同地区的泥石流流速计算。
鉴于目前所收集到的实测资料十分有限,以上的验证只是初步的,今后有待于进一步丰富完善。
O and Fig.2 Verification of velocity of viscous debris1/n c flow4粘性泥石流的流量泥石流流量作为泥石流治理工程规划设计的重要参数,可以基于式( 6)所示的泥石流流速公式进行计算根据泥石流流量连续律,可得粘性泥石流沟单宽流量计算公式““严丄嘉二1瑟空f 审 ⑺叫 L % 」对于一般泥石流沟,泥石流流量不仅取决于流速的大小, 而且还与沟道断面 形态密切相关。
如定义泥石流沟断面形态参数或称沟相关系系数 M 为断面湿周P 与水力半径R 之比,即M=P/R=A/F 2 (8)根据流量连续方程,可得泥石流流量为图1取1/ n c 关系 图2粘性泥石流流速公式的验证结果Fig.1 Relati on ship betweenQ=AU=M R UQ/M=RU C (9)5应用计算5.1流速与流量计算为便于应用,现列举体积浓度S=0.36、下限粒径d i°=0.032mm勺粘性泥石流沟进行计算说明。
作为一种简化处理,假定具有宽浅特征的泥石流沟床宽度B=20m和纵坡J=0.06保持不变,则将式(6)中的泥深h可以近似用水力半径R 代替来计算泥石流流速U C。
首先将泥深取值为h=0.5、1.0、1.5、2.0m,依次列表计算R、M U C及F2Uc(=Q /M),然后绘制出R〜U C及R〜Q关系线,分别如表1和图3所示。
因此,只要已知该泥石流沟的流量Q流速U C及水力半径R中的任意一个参数,即可利用图3所示的关系线求得其他两个变量。
例如,Q=100m/s,由图3查得泥石流沟的水力半径R=113m再由R〜U C关系求得流速U C = 3. 94m/s;如此类推,可求得Q=50r i/s时水力半径R=0 69m流速U=3.30m/s,这表明,在相同浓度和纵坡的前提下,尽管泥石流流量变幅很大,但由于断面水力半径的调整,造成泥石流的运动流速变幅却比较小。
表1v105.2流速计算方法的改进我们仍以蒋家沟泥石流为例进行计算分析,提出对粘性泥 石流流速公式(6)进一步完善 的方法。
通过分析更多的蒋家沟 实测资料,结果发现当泥石流容 重减小时,颗粒组成相应变化 用固定的d io 平均值,作为细颗 粒泥沙特征粒径计算流速结果 误差有所加大。
因此建议当 y m2. 12时,仍采用d i0=O.O11mm 当 T < 2.12 时 经资料分析d io 有所增加,建议 采用如下关系按上式取d 1O 值,我们又用蒋家沟较早时期的观测资料对式(6)进行校核计算,验算结果表明,计算泥石流流速的平均误差为芳.82%,其中误差在10%以内的比例达到80%^上,表明修正后 的流速公式计算结果令人满意。
值得说明的是,式(10)只适用于蒋 家沟泥石流流速计算,对于其他泥石流沟尚需具体问题具体分析。
6结语(1)根据修正的曼宁公式,通过分析大量的实测资料,提出粘性泥石流综合阻力参数公式 (5)及流速公式(6),而且流速公式(6)具有考虑影响因子 全面、结构形式不复杂、使 用方便等特点,经检验表明该流速公式可靠度令人 满意,可用于粘性泥石流运动流速计算。
(2)基于流速计算公式( 6),提出泥石流沟流量的计算方法,即流量公式(9)。
(3)通过算例,分析泥石流沟水力半径、流速和流量三者的关系,由此提 出流速与流量计算应用方法及流速计算的改进方法, 本项研究成果对泥石流治理 工程规划设计提供了可靠的依据。