申请/专利权人：中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所

申请日：2019-04-16

公开（公告）日：2023-01-13

公开（公告）号：CN110083898B

主分类号：G06F30/13

分类号：G06F30/13;G06F30/25;G06F30/28

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.01.13#授权;2019.08.27#实质审查的生效;2019.08.02#公开

摘要：本发明提供了一种窗口坝调控粘性泥石流颗粒粒径评价方法，包括：获取泥石流原始物料中以及经窗口坝调控后泥石流的颗粒级配曲线，并分别确定原始物料及调控后泥石流的特征粒径；根据粒度分析方法对泥石流颗粒级配曲线进行分析，并将其转化成φ制条件下的泥石流颗粒级配曲线，分别读取原始物料及调控后泥石流的特征粒径：计算泥石流综合平均粒径比：根据计算出的泥石流综合平均粒径比评价窗口坝是否对粘性泥石流起到调节作用。本发明综合考虑了泥石流容重、颗粒级配、窗口坝开口宽度、窗口坝开口高度、窗口坝开口率等主要因素对泥石流颗粒粒径比值变化情况的影响，使得设计开口参数更接近实际工程中的应用情况，针对性更强，其适用性也更强。

主权项：1.一种窗口坝调控粘性泥石流颗粒粒径评价方法，其特征在于，包括步骤1，获取泥石流原始物料中以及经窗口坝调控后泥石流的颗粒级配曲线，并分别确定原始物料及调控后泥石流的特征粒径dmax、d16、d50、d84，泥石流容重γc，窗口坝开口宽度b、窗口坝开口高度h、窗口坝开口率λ；步骤2，根据粒度分析方法对泥石流颗粒级配曲线进行分析，并将其转化成φ制条件下的泥石流颗粒级配曲线，分别读取原始物料及调控后泥石流的特征粒径φ16、φ50、φ84，采用以下公式进行泥石流特征值φ值的转化计算：φ＝-log2D式1其中，D为泥石流固体颗粒的直径，φ16、φ50、φ84分别表示质量累计含量为16％、50％、84％时的粒度；步骤3，根据下式计算泥石流综合平均粒径比：R＝-1.966+0.256bdmax+0.177hb+1.012λ+2.751Cv式2式中：R为泥石流综合平均粒径比，bdmax为窗口坝的相对开口宽度，hb为窗口坝开口高宽比，λ为开口率，Cv为泥石流体积浓度；步骤4，根据步骤3计算出的泥石流综合平均粒径比评价窗口坝是否对粘性泥石流起到调节作用。

全文数据：窗口坝调控粘性泥石流颗粒粒径评价方法技术领域本发明涉及泥石流灾害防治工程技术领域，具体地说是窗口坝针对粘性泥石流颗粒粒径调控性能的评价方法。背景技术泥石流是山区常见的一种饱含大量泥沙、石块和巨砾的多相混合体在重力作用下沿坡面流动的突发性自然灾害现象，由于其在运动过程中具有高容重、高流速、大流量、冲击力大、突发性强等特点，因而具有很强的破坏力。粘性泥石流粗颗粒含量多，细颗粒含量高，是泥石流类型中最常见也是危害最大的类型，在我国青藏高原、川滇横断山及云贵高原、秦巴山区、东南沿海和华中低山丘陵地区都有广泛分布，加之近年来基础设施的建设不断大力向西部山区扩展，在降雨的作用下更易形成大量有危害性的粘性泥石流沟，为此进行粘性泥石流沟灾害的治理工作是未来工作的重点内容之一。目前，我国泥石流灾害的防治主要是通过在泥石流沟中修建拦砂坝，通过拦砂坝对泥石流的拦挡来达到防灾减灾的效果，但由于实体坝透过性差，很容易被泥石流淤积填满，从而失去其对泥石流的拦挡消峰功能，为此开始发展各种透过型拦砂坝。粘性泥石流粘度大，水砂难以分离，一般的透过型拦砂坝对其进行调控时容易引发各种问题，如拦砂坝因坝体结构强度不足发生坝体结构破坏、或因泥石流水砂难以分离而发生泥石流在拦砂坝库内过渡淤积问题等。窗口坝是透过型拦砂坝的一种，它是在实体坝上设置一些大开口，是一种兼具有排导和拦挡作用的综合型拦砂坝型，已在我国泥石流防治工程中得到大量使用。对泥石流颗粒粒径的调节作用是透过型拦砂坝的主要功能之一。透过型拦砂坝通过其坝体开口限制泥石流中粗颗粒的过流，而允许小于某一粒径的固体物质通过，从而达到调节泥石流固体颗粒粒径，改变泥石流性质，降低泥石流危害等作用。关于透过型拦砂坝调节泥石流颗粒粒径效果的研究，目前主要对泥石流的颗粒级配、各颗粒百分含量进行定性分析，其定量分析也主要是结合d50进行分析，而对于粘性泥石流而言，其颗粒级配曲线一般呈现多峰值，采用d50无法准确反映泥石流颗粒级配的整体情况，故适用效果不佳。且有关窗口坝对粘性泥石流颗粒粒径调节效果的定量化分析更是几乎处于空白阶段。因此，本发明提出窗口坝对粘性泥石流颗粒粒径调控效果的评价方法，可以为窗口坝调控粘性泥石流的颗粒情况和窗口坝开口参数的设计提供依据，以适应工程需要。本发明基于沉积环境研究中的粒度分析理论，结合室内水槽模型试验数据，通过泥石流颗粒粒径进行两次转化，给出了窗口坝对粘性泥石流颗粒粒径调控能力的定量计算方法的经验公式，以期能为后期实际工程的设计提供参考。发明内容针对现有技术的不足，提出了一种充分考虑泥石流容重、泥石流颗粒级配，窗口坝开口宽度，开口高度、开口率等因素及其相关关系的窗口坝调控粘性泥石流颗粒粒径效果的评价方法。为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种窗口坝调控粘性颗粒粒径评价方法，包括：步骤1，获取泥石流原始物料中以及经窗口坝调控后泥石流的颗粒级配曲线，并分别确定原始物料及调控后泥石流的特征粒径dmax、d16、d50、d84，泥石流容重γc，窗口坝开口宽度b、窗口坝开口高度h、窗口坝开口率λ；步骤2，根据粒度分析方法对泥石流颗粒级配曲线进行分析，并将其转化成φ制条件下的泥石流颗粒级配曲线，分别读取原始物料及调控后泥石流的特征粒径φ16、φ50、φ84，采用以下公式进行泥石流特征值φ值的转化计算：φ＝-log2D式1其中，D为泥石流固体颗粒的直径；步骤3，根据下式计算泥石流综合平均粒径比：R＝-1.966+0.256bdmax+0.177hb+1.012λ+2.751Cv式2式中：R为泥石流综合平均粒径比，bdmax为窗口坝的相对开口宽度，hb为窗口坝开口高宽比，λ为开口率，Cv为泥石流体积浓度；步骤4，根据步骤3计算出的泥石流综合平均粒径比评价窗口坝是否对粘性泥石流起到调节作用。这样，便可根据是否具有调节使用，将所述计算方法应用于窗口坝对泥石流颗粒粒径调控效果的评价，以及指导窗口坝开口参数的设计。优选地，步骤3中的泥石流综合平均粒径比的计算公式通过下式方式确定：步骤31，采用下式分别计算原始物料及调控后泥石流的泥石流平均粒径：其中，MZ为φ制下的平均粒径，φ16、φ50、φ84分别表示质量累计含量为16％、50％、84％时的粒度；步骤32，采用下式分别对原始物料及调控后泥石流的泥石流综合平均粒径进行转化计算：其中，L为毫米粒径下的平均粒径，定义为综合平均粒径，单位mm；步骤33，采用下式进行泥石流综合平均粒径比的计算：其中，R为综合平均粒径比，Ld为换算后的调控后窗口坝下游泥石流综合平均粒径，Lo为换算后的泥石流原始物料的综合平均粒径；步骤34，根据步骤33中得到的R，采用多元线性函数、多元对数函数、多元指数函数对影响泥石流颗粒粒径调节的各因素进行回归分析，通过比较公式的可决系数及与原始数据的相关程度，从所述多种函数中选取R的最优函数表达式，得到各因素参数的最优值，从而得到泥石流综合平均粒径比的计算公式。优选地，所述步骤4具体包括：当泥石流综合平均粒径比大于或者等于1时，则表明窗口坝对粘性泥石流没有起到调节作用；当泥石流综合平均粒径比小于1时，说明窗口坝对粘性泥石流有调节作用，且比值越小，调节作用越明显。优选地，Cv依据现场调查和或室内测试和或行业规范确定，可根据泥石流容重γc确定。优选地，Cv通过下式确定：其中，γc为泥石流容重，单位tm3，野外调查结合相关规范确定；γw为泥石流中水的容重，单位tm3，取值1.0；γs为泥石流中土体的实体容重，单位tm3，野外调查结合相关规范确定。在步骤1之前还包括：对拟进行泥石流防治工程的泥石流沟进行泥石流灾害防治工程勘察，在明确该地区泥石流容重大于1.80tm3的前提下，适用本发明方法。采用本发明中的方法，可以为合理确定窗口坝对粘性泥石流颗粒粒径调节效果提供评价指标，为防灾减灾事业所服务。本发明的创新之处在于：1将沉积环境研究中的粒度分析理论应用于窗口坝对粘性泥石流颗粒粒径调节效果的评价中，能充分反映泥石流颗粒各个区间范围泥石流颗粒含量对泥石流级配的影响，能较为准确的反映泥石流颗粒粒径的集中趋势。2首次通过对粒径进行两次转化，可以避免φ制粒径中出现的负值情况，能将其结果应用于结果评价，能得出合理的反映窗口坝对泥石流颗粒粒径的作用效果。3与现有技术相比，本发明综合考虑了泥石流容重、颗粒级配、窗口坝开口宽度、窗口坝开口高度、窗口坝开口率等主要因素对泥石流颗粒粒径比值变化情况的影响，使得设计开口参数更接近实际工程中的应用情况，针对性更强，其适用性也更强。附图说明图1示意性地示出了窗口坝主视图；图2示意性地示出了毫米粒径下泥石流颗粒粒径级配曲线图；图3示意性地示出了采用φ制粒径下泥石流的颗粒级配曲线图。具体实施方式以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例一如图1、图2、图3所示。本发明方法应用于四川省阿坝州某泥石流沟的窗口坝闭塞类别判别。某泥石流沟位于四川省阿坝州境内，属岷江的一级支流，流域面积64.3km2，主沟长度约16.2km，主沟床平均纵坡比降为169.04‰。沟内曾暴发大规模泥石流造成严重的经济损失和人员伤亡。为避免泥石流对当地村民的生命财产安全及沟口企业园区的正常运行造成威胁，对泥石流沟进行了灾害的治理工作，修建了一系列的泥石流防治工程，其中位于泥石流沟中游坡度急变区的主沟3#控制型拦砂坝是典型的窗口坝。图1是3#窗口坝的正视图。3#窗口坝坝体采用钢筋混凝土材料制作。经实测，窗口坝坝顶轴线全长54.2m，坝底轴线全长30.8m，溢流口上顶全长29.2m，溢流口下底全长24.3m，溢流口高2.3m，有效拦蓄高度为6.0m，窗口坝开口采用单一矩形开口，孔尺寸为0.6×0.8m，呈两排上7孔下6孔布置，单排开口之间横向净间距3.2m，竖向净间距均为2.0m，呈“品”状布置。由于3#坝位于泥石流沟下游坡度急变区，上游沟床坡度0.04，下游沟床坡度0.15，是该地区的一座控制型拦砂坝，其设置目的主要是利用拦砂坝控制拦挡上游来流，对泥石流颗粒粒径进行调节，同时对泥石流的过流流量起调控等作用，避免上游泥石流中大块石直接过流对下游造成严重冲刷破坏。通过野外调查实地考察，进行确定P＝5％20年一遇时泥石流容重γc＝1.93tm3，泥石流属粘性泥石流。对该窗口坝上下游及物源处分别取多处泥石流样品进行颗分以及泥石流马尔文实验，获取泥石流颗粒级配曲线如图2所示，将其进行φ制转换，可以得到φ制粒径下泥石流的颗粒级配曲线如图3所示，可以读出φ16＝3.071、φ50＝-1.371、φ84＝-4.092，即可得到上游泥石流的平均粒径再通过公式将其换算至毫米制综合平均粒径可得到Lo＝1.738mm；同样方法得到制粒径下泥石流的颗粒级配曲线，读出φ16＝3.523、φ50＝1.092、φ84＝-3.800，即可得到上游泥石流的平均粒径再通过公式将其换算至毫米制综合平均粒径Ld＝0.829mm；最后将上述参数值带入公式5得到泥石流综合平均粒径比R为0.474小于0.5，判定窗口坝对泥石流颗粒粒径发挥了较好的粒径调节功能。实施例二如图1所示。本发明方法应用于四川省汶川县某泥石流沟的窗口坝开口参数设计。某泥石流沟位于汶川县境内，系岷江左岸一级支流。该沟流域形态近似为菱形，流域面积7.16km2，流域纵向长度4.32km，平均宽度1.66km。主沟纵长4583m，主沟平均纵坡降388‰。该沟是该区域泥石流活动十分频繁的老泥石流沟，由于该地区，岷江河道狭窄，呈发生较大规模的泥石流造成岷江堵塞形成堰塞湖，并严重威胁沟口映汶高速公路及G213线路的正常行车安全。为避免该泥石流沟因爆发泥石流造成堵江，并保护沟口映汶高速公路及G213线路的正常行车安全，拟在该沟内修建多座窗口坝。修建窗口坝的主要作用是利用窗口坝的梯级调控作用，首先通过中上游窗口坝对泥石流沟内泥石流固体物质进行充分拦挡，再利用窗口坝库内泥石流淤积作用进行回淤缓坡，减小泥石流过流流速、密度和规模，最后通过下游的窗口坝对泥石流进行拦挡，起降低泥石流流量，减轻泥石流危害作用。窗口坝1#坝设计所处位置位于该沟中游地区，其设计目的主要在于拦截泥石流中粗大颗粒，发挥窗口坝的粒径调节功能，故需通过该窗口坝将泥石流综合平均粒径比降低至0.6以下。按照工程设计要求，按照P＝5％20年一遇的设计标准进行设计。通过野外调查与室内测试，P＝5％时泥石流中土体实体容重γs＝2.72tm3，泥石流容重γc＝2.02tm3，适合本发明方法；确定泥石流中最大颗粒粒径dmax＝0.55m沟内经泥石流搬运的巨石除外。根据工程项目背景、泥石流来流情况以及沟道断面情况，确定窗口坝1#坝坝体主体结构的基本参数，窗口坝坝体采用混凝土材料制作，设计窗口坝有效坝高9.2m，泥石流过流范围内窗口坝有效坝高以下横断面面积192.28m2。设计窗口坝开口全部采用单一矩形开口，开孔个数16个，开孔尺寸为0.8×1.2m，呈三排上5孔、中6孔、下5孔布置，单排开口之间横向净间距1.8m，竖向净间距均为1.5m，呈“品”状布置。由上述数据可计算得到泥石流泥沙体积浓度Cv＝0.59，窗口坝相对开口宽度bdmax＝1.45，开口高宽比hb＝1.50，开口率λ＝0.08，将所得结果代入式2、式6，对窗口坝整体进行计算可得到R＝-1.966+0.256bdmax+0.177hb+1.012λ+2.751Cv＝0.384，R值小于0.6，可认为该种窗口坝开口能对粘性泥石流起到较好的泥石流颗粒粒径降低作用，窗口坝开口宽度、窗口坝开口高度、窗口坝开口率能满足设计要求。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种窗口坝调控粘性泥石流颗粒粒径评价方法，其特征在于，包括步骤1，获取泥石流原始物料中以及经窗口坝调控后泥石流的颗粒级配曲线，并分别确定原始物料及调控后泥石流的特征粒径dmax、d16、d50、d84，泥石流容重γc，窗口坝开口宽度b、窗口坝开口高度h、窗口坝开口率λ；步骤2，根据粒度分析方法对泥石流颗粒级配曲线进行分析，并将其转化成φ制条件下的泥石流颗粒级配曲线，分别读取原始物料及调控后泥石流的特征粒径φ16、φ50、φ84，采用以下公式进行泥石流特征值φ值的转化计算：φ＝-log2D式1其中，D为泥石流固体颗粒的直径；步骤3，根据下式计算泥石流综合平均粒径比：R＝-1.966+0.256bdmax+0.177hb+1.012λ+2.751Cv式2式中：R为泥石流综合平均粒径比，bdmax为窗口坝的相对开口宽度，hb为窗口坝开口高宽比，λ为开口率，Cv为泥石流体积浓度；步骤4，根据步骤3计算出的泥石流综合平均粒径比评价窗口坝是否对粘性泥石流起到调节作用。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中的泥石流综合平均粒径比的计算公式通过下式方式确定：步骤31，采用下式分别计算原始物料及调控后泥石流的泥石流平均粒径：其中，MZ为φ制下的平均粒径，φ16、φ50、φ84分别表示质量累计含量为16％、50％、84％时的粒度；步骤32，采用下式分别对原始物料及调控后泥石流的泥石流综合平均粒径进行转化计算：其中，L为毫米粒径下的平均粒径，定义为综合平均粒径，单位mm；步骤33，采用下式进行泥石流综合平均粒径比的计算：其中，R为综合平均粒径比，Ld为换算后的调控后窗口坝下游泥石流综合平均粒径，Lo为换算后的泥石流原始物料的综合平均粒径；步骤34，根据步骤33中得到的R，采用多元线性函数、多元对数函数、多元指数函数对影响泥石流颗粒粒径调节的各因素进行回归分析，通过比较公式的可决系数及与原始数据的相关程度，从所述多种函数中选取R的最优函数表达式，得到各因素参数的最优值，从而得到泥石流综合平均粒径比的计算公式。3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：当泥石流综合平均粒径比大于或者等于1时，则表明窗口坝对粘性泥石流没有起到调节作用；当泥石流综合平均粒径比小于1时，说明窗口坝对粘性泥石流有调节作用，且比值越小，调节作用越明显。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Cv依据现场调查和或室内测试和或行业规范确定，可根据泥石流容重γc确定。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Cv通过下式确定：其中，γc为泥石流容重，单位tm3，野外调查结合相关规范确定；γw为泥石流中水的容重，单位tm3，取值1.0；γs为泥石流中土体的实体容重，单位tm3，野外调查结合相关规范确定。

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