泥石流动力特征计算(1)

1、泥石流的力学特征 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（ND与重度、（1

2、 +）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 ：10.51-式中：a泥石流中含沙量变化引起的流速修正系数，aR水力半径（m）, 2.5m；IC 泥石流水力坡度（为），用沟床纵坡代替;1n清水河床糙率系数;泥石流泥沙修正系数,c 泥石流容重（t/m3 ），为m3;w 清水容重（t/m3）, m

3、3h 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,是雨洪法；二是形态调查法。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：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）;泥石流泥沙修正系数，查规范附表，值为;c 泥石流容重（t/m3 ），为m3;w 清水白重度(t/m3),为;H 泥石流中固体物质重度；DC 泥石流堵塞系数(见表 3-8),可

4、查经验表为。表3-8 泥石流阵流堵塞系数DC值表堵塞程序严重堵塞中等严重堵塞轻微堵塞无堵塞Dc值按照雨洪法，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回积F (km2)35沟长L(km)平均坡降J( %o)222泥沙修正系数设计频率p(%)25暴雨洪峰流量QP(m3/s)流峰值流S Qc (m3/s)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

5、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 8 m,水力半径为2.5 m,过流断面面积为20 m2；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m3/s。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12

6、00 s：Q = =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。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；c 泥石流容重，m3；Vc 泥石流流速，8.28m/s ；a 建筑物受力面与泥石流冲击压力方向的夹角，取90o；G 重力加速度；建筑物形状系数，圆形建筑物取，矩形建筑物取，方形建筑物取。本次建筑物主要

7、以矩形为主，入取。通过该公式的计算，泥石流的整体冲压力约X104Pa。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) ；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。 a 55 (5075)直，河宽顺，沟床纵坡 30山坡坡度150。逐渐扩 展，断面 较规则， 水流通砂、土质河床，河底/、 很平顺，沟床纵坡 3060。平顺的土岸，略有坍塌，沟岸 山坡坡度15250。50 (4055)畅，没有卵、砾石河床，河底较有坍塌的土岸或岩质沟岸，沟45 (3550)堵塞。平顺，沟床纵坡30岸山坡坡度15250。60。

8、卵、砾石河床,河底/、有坍塌的土岸或岩质沟岸，坍40 (3045)平顺，沟床纵坡60塌较发育，沟岸山坡坡度251200320。卵、碎、块石河床，河崩、坡积物或岩质沟岸，沟岸35 (2540)底/、平顺，沟床纵坡。山坡坡度25320。坍塌发育，60120。有堵塞痕迹。卵、碎、块石河床，河崩、坡积物或岩质沟岸，沟岸25 (1535)底松散堆积，很/、平山坡坡度320。，坍塌很发育，顺，沟床纵坡120。有明显堵塞痕迹。山区峡谷河段、弯曲河段、砂、园砾石河床，边滩沙州犬牙交错人工堤防强制弯曲者35 (3040)有矶石或丁坝挑流者30 (2535)阻塞的复式断面河卵石、园右河床，河底 起/、平，或长有水

9、生植 物的沟床。参差不齐的卵石、园右河岸，或长中密灌丛的河岸25 (2030)仪参差不齐的岩岸，或长灌木丛生的河岸20 (1525)卵石、块石、大漂后河床，石梁、跌水、孤石交错、或水生植物稠密，阻水严重的沟床00参差不齐的岩岸，或长灌木丛生的河岸15 (1220)两岸时有岩咀突出，很/、平顺，形成强烈斜流、回水、死水的河岸12 (1015)b、粘性泥石流流速计算公式表 222nc 粘性泥石流的河床糙率，用内插法由表 222查得。序号泥石流体特征沟床状况糙率值粘性泥石流河床糙率nc1流体呈整体运动；石块粒径大 小悬殊，一般在3050cmi 25m粒径的石块约占20%;龙 头由大石块组成，在弯道或

10、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%, 阻力特征属图阻型平均值Hc 2m 时,流体呈整体运动，石块较大，河床比较粗糙，凹凸/、平，Hc 1.5m 时，烈，有黑色烟雾及火花；龙头10 20和龙身流速基本一致；停积后15呈垄岗状堆积平均流体搅廿分均匀；石块粒径沟床较稳定，河床物质较0.1m Hc 一般在10cm左右，挟后个别均匀，粒径10cm左右；受0.5m23m的大石块；龙头和龙身洪水冲刷沟底不平而且粗23物质组成差别不大；在运动过糙，流

11、水沟两侧较平顺，3程中龙头紊动十分强烈，浪花但十而粗糙；流通段沟底0.5m Hc 13飞溅；停积后浆体与石块不分纵坡55%70%,阻力特2.0m10离，向四周扩散呈叶片状征属中阻型或高阻型2.0m Hc 4.0m泥石流铺床后原河床粘附H c 0.5m流体搅廿分均匀；石块粒径一层泥浆体，使十而粗糙一般在10cm左右，挟后个别23m的大石块；龙头和龙身的河床变得光滑平顺，利 于泥石流体运动，阻力特Hc2.0m464物质组成差别不大；在运动过征属低阻型26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Hc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

12、60 ,形成区不太集中。河床堵塞情 况一般，流体多呈稠浆一稀粥状轻微沟槽顺直均匀，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 而少无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，按式计(226)Q = = K TQc式中K值的变化随流域面积(F)的大小而变化: 当 F 5 (km2 ) 时:F = 5 10 (km2 )时:F = 10 100 （km2 ）时： K =;泥

13、石流体中的固体物质流量QH（ m3） ：Q+ Q C - yVV / H - T W （2 27）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 =（ Y 丫 c /g Vc2 sin a） 人（228）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; 建筑物受力面与泥石流冲击力方向的夹角（ ）;入一一建筑物形状系数：圆形建筑物入=,矩形建筑物入=,方形建筑物：入=。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

14、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着的弯道超高现象 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：Vc2 ,R2h 2.3lg gR1 .（229）式中：A h 弯道超图（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Vc2H 2g （2210）c）泥石流在爬高过程中由于受到沟床阻力的影响，其爬高A H:bVc22g0.8g (2211)（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

15、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（Y c）的确定泥石流流体重度（YC）的确定，目前测试手段还不能解决

16、，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（Y C）的线性关系，制成备查表直接查找，参见表2-3-12）制现场仿制：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。GcY c V .（23-1 ）式中：Y c泥石流流体重度，t /m3;Gc 样品的总质量，t ；V 样品的总体积，m33）、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

17、体运动状况。然后按表 23-2的特征确定泥石流流体重度。表232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丫 C (t/m3)表231数量化评分（N）与重度、（1 + ?）关系对照表（?h=评分重度?c(t/m3)1 + ?1/a评分重度?c(t/m3)1 + ?1/a评分重度?c(t/m3)1 + ?1/a447310245741034675104477610548771064978107507910851801095281110538211154831125584113568511457861155887116598811760891186190119629112063921

18、2164931226594123669512467961256897126699812770991287110012972101130注：？-为泥石流中含沙量的修正好系数3、泥沙级配取样分析1)、体积法在需要试验的沟段，选择有代表性的试验点，取样坑的边长取23倍最大粒径、深取12个最大粒径，清除表层杂质，取出其全部土、砂、石，从中挑出粒径大于200mmz上的石块单个分别称重，其余按粒径分别按 200150mm 150100mm 10050mm 5020mm20mmz下分成若干级，每级分组称重，计算分组粒径，并绘制颗粒级配曲线。按粒径与重量关系的理论公式：D(cm)= 3，G(kg)(232)求

19、算泥砂粒径(也可以直接查表)，然后求得所需特征值。2)、方格网法 在取样地段，选出代表性沟段画出100个1mK 1m的小方格，取每个小方格交点上的一石块（剔除个别大孤石）来作统计。量取每个石块的三轴向尺寸（长、宽、高） ，计算三边尺寸 的几何均值dcp vLbh或算术平均值dcp L b 外,作为该石块的平均直径。然后按粒 径大小分成若干个粒径组，称出各粒径组的质量与总质量之比，绘制颗粒级配曲线，求算 颗粒级配曲线并求得所需特征值。取泥石流浆体，使用标准粘度计或旋转粘度计和泥浆静切力计测试。1.形态调查法形态调查法指根据沟床内以往发生过的泥石流痕迹，测量泥位高和过流断面面积，计 算平均流速和流

20、量，再根据其发生的日期，确定其经验频率，推算设计流量的方法。这种 方法在无或少资料区经常采用，在有资料区也是作为相互效核验证的主要方法。其流量计 算式和经验频率计算式如下：Qc=Uc式中：Qc为调查断面的泥石流流量（米3/秒）；Uc为通过查断面的泥石流平均流速（米/秒）；。为调查断面的过程面积（米2）。P=ni/（n+1）*100%（这个式子在这里起什么作用？）式中:P为本次泥石流出现的经验频率（） ;n为调查期的总年数；ni为n年中按泥石流流量 大小排列所得到的本次泥石流的序号。在有比较清晰泥痕和比较好断面的情况下，这种方法的计算结果是最可靠的。2.配方法配方法是在清水流量中配上土体含量，使

21、其成为泥石流流量的方法。但需假定土体是在水体产流和汇流过程中通过冲刷同步加入，泥石流的频率和洪水的频率一致，洪水全部变成泥石流。这种方法的计算步骤是，先按水文方法计算出断面的不同频率的小流域暴雨洪峰流量，再根据不同情况计算泥石流流量。不考虑泥石流土体的天然含水量，其计算公式如下 :QC = (1+ 6 c)Qw6 c= ( 丫 c-w 丫)( Y s- Y c)式中:Qw为某一频率的暴雨洪峰设计流量(米3/秒)。Qc为Qw同频率的泥石流流量(米 3/秒)；小为泥石流流量增加系数;rc为泥石流体容重(克/厘米3;吨/米3);Yw为清水容重 (克/厘米 3; 吨/米 3);Ys 为土体实体容重(克

22、/厘米 3; 吨/米 3考虑泥石流土体的天然含水量，其计算公式为 :QC = (1+ OQw6 c / = ( 丫 c-1 ) / 丫 S(1+Pw)- 丫 c(1+ Y s Pw)式中：小c /为考虑泥石流土体的天然含水量的流量增加系数，Pw为泥石流土体的天然含水量 (%): 其它符号同前。考虑堵塞，其计算公式为 :QC = (1+ 6 c)QwDwQC = (1+ 小 c，)QwDw3 ，地区性经验公式式中 :D ，为泥石流堵塞系数，其它符号同前。前人根据对某一地区泥石流流量观测资料的统计分析，建立了一些地区经验性公式，这些公式大多也是在配方法的基础上建立起来的，适合于该地区同类型泥石流沟

23、的泥石流流量计算，也可作为类似地区的参考。4. 实测法在经常暴发泥石流的沟谷，对泥石流流量进行实地观测，同时进行雨量观测，利用流量与降雨的关系，并以降雨的频率作为这次泥石流出现的频率进行统计分析，来求算设计泥石流流量。但是，这些间接计算方法都不能算是可靠的，也不能推广到各种类型的泥石流和各个泥石流形成流域中，因此，在选用这些公式时，应当考虑不同地区、不同类型、不同性质的泥石流特点， 其计算结果与现场调查和历史资料进行比较， 然后确定应选用的数据。泥石流及其综合治理1. 流量泥石流峰值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、规程和流体的性质，而且决定着防治泥石流工程建筑物的类型、结

24、构和尺寸因此，泥石流峰值流量是泥石流研究和防治工程中不可缺少的参数，故引起国内外泥石流专家所关注本世纪50 年代我国大量采用苏联学者的计算方法以适应公路和铁路建设的迫切需要当时一般采用配方法和形态调查法进行峰值流量的估算但这些方法之间误差很大，通过修改参比改进了一些，但其计算结果偏差仍顾大确定泥石流最大流量Qc 最可靠的方法是直接测量自然界里奔流着的泥石流或泥石流遗留的痕迹可是这样确定泥石流最大流量时，首先，要确定泥石流最高泥位时的断面面积和相应的平均流速断面与流速的测定又受泥石流频率的影响，要取得其参数比较困难配方法：此法根据泥石流体中水和固体物质的比例，用在一定设计标准下可能出现的洪水流量

25、加上按比例所需的团体物质体积配合而成的泥石流流量此法的基木表达式为：Qc=Qb(1+小).1Qc为泥石流流量Qb为清水设计流量小为泥石流修正系数，6=(y c- y b) / (y + yc)Y c为泥石流容重丫 b为水的容重丫 h泥石流中泥沙比重配方法是目前泥石流流量计算的基本方法采用配方法进行泥石流流量计算，对于稀性泥石流来说，与实际结果差别不大，对于粘性泥石流来说，特别是塑性泥石流，推求值远小于实测值因此国内外许多学者都在配方法的基础上，再乘上一个系数，来表示某种原因而引起的站性泥石流流量的增值(1) 考虑补给沙石体含水量的配方法，Q（c= Qb （1 十 P）2式中， P 为考虑补给固

26、体物质含水量的泥石流流量修正系致P=(1-Cvb)/ C VB - (1- C VB)C/E= ( Y H- Y c) / ( H- H-1 )e为泥石流补给区中固体物质的体积比原始水量或天然含水量，可以实测也可以采用当地水文气象站资料。该法是假定在给定的设计容重下，水在形成泥石流的过程中起决定性的作用因此，其缺点未能考虑到固体物质的补给规律以及泥石流形成过程中水和固体物质遭遇的情况，所以计算结果偏小但此法比式(1) 要精确，因为式(2) 不仅考虑了固体的补给量，而旦还考虑了补给沙石体中的水的含量(2 )考虑堵塞条件下的配力法泥石流在通过卡口、急弯、纵坡突然变缓的情况下的沟段，常常发生泥石流停

27、积堵塞、加积增大而又开始流动，成为泥石流流量增大的重要原因一殷表达式为：Qc=Q (1 + 小)q式中， q 为泥石流堵塞系数( 其值为 l 一) ，其中微弱堵塞1，一殷堵塞1 5 一 1 9，较严重堵塞2 0 一 2 5，严重堵塞2 6) 据云南东川大白泥沟19601952 年观测资料的分析， 求得帖性泥石流的堵塞修正系数q 与堵塞时间 t 的经验关系q = O.式中， t 为堵塞时间，即阵性泥石流之间的断流时间根据上述资队求得泥石流堵塞系数q与产生泥石流流量Qc的经验关系为：q =5. 8/适用于粘性阵流.关于泥石流堵塞现象的成因很多它与泥石流浆体的性质、组成、规模和固体物质来源的方式及数

28、量等因素有关由于泥石流堵塞后又溃决，使泥石流流量值增大，其变化的大小随泥石流堵塞的时间长短而定，其堵塞程度随泥石流流量大小而变泥石流流量与堵塞系数之间的关系反映了泥石流流体堵塞加积， 最后溃决的基本规律：即泥石流流量小、堵塞加积大时才可能达到溃决的流量，流量大、堵塞加积小时，即堵塞系数小，泥石流体溃决便开始运动，当流量达到某种程度时，不需要加积增大，就可能在河床中顺畅通过2形态调查法（ 又称泥鹰调查法）从形态调查求算泥石流峰值流里的方法，系按照泥石流在河槽岸边上遗留的最高痕迹，测该处河床横断面积，乘上选用适合的泥石流流速公式计算的相应的流速值其表达式如下：Qc =Wc*Vc式中，Wc为泥石流过

29、流断面面积：Vc为泥石流流速.泥石流形态调查法与洪水调查相同泥石流过流断面最好选择在冲淤变化不大的顺直河段一般说来，泥石流河段冲淤变化很大，计算过流断面时，必须考虑冲淤的影 M向，否则误差偏大.泥石流流速计算方法的选择见下节.3. 综合成因法综合成因法， 是 70 年代中期苏联和中国首先提出的一种泥石流峰值流量计算法 本 法的优点，是从成因上综合分斩暴雨泥石流的各要素，采用泥石流综合系数或累积系数以修正雨洪清水流量，比较符合实际或接近所发生的泥石流最大峰值流量C. M弗莱施曼的综合成因法（1973年）系分析了当时采用泥石流流量计算法发现其结 果部小于实测值.例如，当泥石流的容重丫c为1. 5t/m3阻塞系数取最高值q = 5时，据式（66）求出的泥石流流量Qc大于清水设计流里QB约7倍，而实际的峰值流量远大于 上述数果 （表 6 1） TOC o 1-5 h z 根据 1966 年蒋家沟泥石流的观测果同形成泥石流的清水计算流量的比果，也部在12 33 之间，比按堵塞严重情况下的泥石流峰果流量