泥石流动力特征计算1.docx

1、泥石流动力特征计算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（

2、N）与重度、（1 +）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 ：11 1,0.5式中：a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;1n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m3 清水容重（t/m3

3、）, m3H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 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；泥石流容重（t/m3 ），为m3清水的重度(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 ),

4、可查经验表为。表3-8 泥石流阵流堵塞系数DC值表堵塞稈度严重堵塞中等严重堵塞轻微堵塞无堵塞De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面积F (km2)35沟长L(km)平均坡降J( %。)222泥沙修正系数设计频率p(%)25暴雨洪峰流量QP(m3/s)泥石流峰值流量Qe (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，贝U用沟床比降代替) 、泥位高度He (或水 力半径)和泥石流过流断面面积等参数。

5、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 Qe：式中： Qe 泥石流断面峰值流量( m3/s)；We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；Ve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 Qe为m3/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

6、 (m3,泥石流历时T取1200 s :Q = =KTQe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；c 泥石流容重， m3；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；入一一建筑物形状系数，圆形建筑物取，矩形建筑物取，方形建筑物取。本次建筑物

7、主要 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X 104P&(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);a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WaW，平均a =； dma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 s。1993）：（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 式中： Pd 为泥石流中石块的冲击力（ Pa）；丫 动能折减系数，对于圆端正面撞击，采用丫 =;Vc泥石流平均流速（

8、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= 根据该公式，泥石流中石块的冲击力为。（8） 泥石流最大冲起高度与爬高泥石流最大冲起高度 H 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 H 为： 式中： b 为迎面坡的函数。通过计算，泥石流的最大冲起高度为，爬高为。3-11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泥石流断面设计流量（形态调查速法）(m/s)(m3/s)大石块运

9、动速度20年一遇清水洪峰流量（雨洪法）(m/s)(m3/s)容重20年一遇泥石流洪峰流量（雨洪法）（t/m3）(m3/s)泥石流中石块冲击力（Kpa）20年一遇一次泥石流可能取大冲出量（雨洪法）（m341850泥石流整体冲压力（Pa）X 10450年一遇清水洪峰流量（雨洪法）（m3/s）爬高（m50年一遇泥石流洪峰流量（雨洪法）(m3/s)最大冲起高度（m50年一遇一次泥石流可能最大冲出量（雨洪法）（m350480（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

10、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1 2 1VC =1/a n R3 IC 2 （2 2 1）式中：VC 泥石流断面平均流速（s）;1/a =1 / （ 丫 H + 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23-1R 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（0），般可用沟床纵坡代替。1n 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-

11、86)表22-1 ； 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 （5075）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15250。50 （4055）卵、砾石河床，河底较平顺，沟床纵坡3060。有坍塌的土岸或岩质沟岸，沟 岸山坡坡度15250。45 （3550）卵、砾石河床，河底不平顺，沟床纵坡60120。有坍塌的土岸或岩质沟岸，坍塌较发育，沟岸山坡坡度25320。40

12、 （3045）卵、碎、块石河床，河 底不平顺，沟床纵坡。60120。崩、坡积物或岩质沟岸，沟岸山坡坡度25320。坍塌发育，有堵塞痕迹。35 （2540）卵、碎、块石河床，河底松散堆积，很不平崩、坡积物或岩质沟岸，沟岸山坡坡度320。，坍塌很发育， 25 （1535）顺，沟床纵坡120。有明显堵塞痕迹。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 （3040）有矶石或丁坝挑流者30 （2535）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 （2030）参差不齐的岩岸，或长灌木

13、丛生的河岸20 （1525）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 （1220）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 （1015）b、粘性泥石流流速计算公式nc粘性泥石流的河床糙率，用内插法由表 222查得表222 粘性泥石流河床糙率nc序号泥石流体特征沟床状况糙率值1流体呈整体运动；石块粒径大 小悬殊，一般在3050cm 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

14、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H c 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拌十分均匀；石块粒径沟床较稳定，河床物质较0.1m vHc v一般在10cm左右，挟有个别均匀，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，流水沟两侧较平顺，3程中龙头紊动十分强烈，浪花但干而粗糙；流通段沟底0.5m v血v13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

15、扩散呈叶片状征属中阻型或高阻型2.0m vHc v4.0m泥石流铺床后原河床粘附v H c v 0.5m流体搅拌十分均匀；石块粒径层泥浆体，使干而粗糙一般在10cm左右，挟有个别的河床变得光滑平顺，利4623m的大石块；龙头和龙身于泥石流体运动，阻力特v Hc v 2.0m4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20飞溅；停积后浆体与石块不分Hv c v 4.0m离，向四周扩散呈叶片状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 泥石流中大

16、石块的移动速度推算泥石流流速（m/s）;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，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 23 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

17、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（ ms）。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。式中：QC 频率为 P 的泥石流洪峰值流量（ m3s）；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

18、式计算，或用下式QB= r x i x 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=;泥百流地区多在以下为宜。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= ；F 流域面积（平方公里）（1十）一一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 o式中 ：=（丫 C - 丫 W / （丫 H 丫 c） （ 2 2 5）丫 C 泥石流重度（t /m3; 丫 W 清水的重度（t/m

19、3;丫 H 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 223;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 咼，沟槽堵塞严重，阵流间隔时间长中等沟槽较顺直，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。

20、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 = ；泥石流体中的固体物质流量 QH(m3):QH Q (丫 C - 丫 W / (丫 H - 丫 W (2 27)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 = (

21、 Y 丫 c /g Vc2 sin a) 入 (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;a建筑物受力面与泥石流冲击力方向的夹角()；入 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=。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：h 2.3瞪畀g Rl . （229）式中: h 弯道超高（m ；R2 凹岸曲率半径

22、（m ； ri 凸岸曲率半径（m ；b）、泥石流最大冲起高度(2210)c）泥石流在爬高过程中由于受到沟床阻力的影响，其爬高厶 H:（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

23、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（丫 c）的确定泥石流流体重度（丫 c）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（丫 c）的线性关系，制成备查表直接查找，参见表23-12） 、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，

24、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。Gc丫 c V . （23-1 ）式中：丫 c 泥石流流体重度，t / m3Gc 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23 1 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

25、/m3)1 + ?1/a4473102457410346751044776105487710649781075079108518010952811105382111548311255841135685114578611558871165988117608911861901196291120639212164931226594123669512467961256897126699812770991287110012972101130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