[發(fā)明專利]一種小流域溝道堆石體失穩(wěn)的計算方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710333473.7
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN106951725A
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 唐川;樂茂華;卜祥航;周偉;朱靜;李為樂;常鳴
• 申請（專利權(quán)）人: 成都理工大學(xué)
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 成都天嘉專利事務(wù)所(普通合伙)51211
• 代理人: 趙凱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種小流域溝道堆石體失穩(wěn)的計算方法。

背景技術(shù)

地震后，流域內(nèi)發(fā)育的崩塌、滑坡為泥石流的活動提供了豐富的松散固體物質(zhì)來源，使泥石流成為震后最為活躍的災(zāi)害，泥石流頻發(fā)給災(zāi)區(qū)重建和人民生活帶來嚴(yán)重威脅。在這些泥石流中，小流域泥石流往往因流域面積小，常被人們忽略或未引起足夠的重視，卻造成較大的災(zāi)害損失。

小流域泥石流的動力過程是一個非常復(fù)雜的能量耗散過程，主要表現(xiàn)在這類泥石流的溝道內(nèi)存在堵塞體，它起著類似于壩體的“攔沙蓄水”作用，從而使得溝道內(nèi)物質(zhì)積聚的勢能比一般型泥石流大得多。當(dāng)溝道內(nèi)堵塞體后的水深達(dá)到足夠使其潰決時，巨大的勢能轉(zhuǎn)換為強烈的水流動能，沖刷搬運溝道內(nèi)固體物質(zhì)，從而形成成災(zāi)快、規(guī)模大、破壞力強的特殊泥石流。泥石流溝道內(nèi)堵塞體的失穩(wěn)在潰決型泥石流的動力過程中起著主導(dǎo)作用。

小流域中溝道堆石體失穩(wěn)是一個復(fù)雜的水文、水力和地質(zhì)現(xiàn)象，其作為一類特殊的巖土體系統(tǒng)，具有特定的物質(zhì)組成、形成方式和結(jié)構(gòu)特征，在降雨徑流和上游水流的侵蝕沖刷作用下，極易發(fā)生失穩(wěn)潰決，對溝道造成突發(fā)性高強度洪水沖蝕，是小流域泥石流起動的重要條件。在汶川地震前，我國境內(nèi)發(fā)生的潰決型泥石流大多分布在新疆和西藏地區(qū)，且多為冰湖潰決型泥石流；汶川地震后，震區(qū)某些泥石流溝道內(nèi)形成的大型堆石體，在暴雨作用下，極易激發(fā)形成規(guī)模巨大、危險性高的潰決型泥石流。

然而，目前針對小流域中溝道堆石體失穩(wěn)的判別還沒有較好的計算方法，現(xiàn)有的模型并不能很好地滿足對泥石流動力過程中復(fù)雜特征的研究。

公開號為CN 104374894A，公開日為2015年02月25日的中國專利文獻(xiàn)公開了一種小流域不同地貌單元水蝕過程精細(xì)模擬試驗方法，其特征在于，其試驗方法步驟如下：1)形成與原型流域之間滿足系統(tǒng)相似性要求的水蝕過程精細(xì)模擬試驗的模型流域，并布置試驗裝置；首先按照試驗要求從野外取土，裝土1m不過篩，置于試驗土槽內(nèi)打碎填裝、壓實并控制土壤干容重在1.42-1.59g/cm³；2)然后，填筑模型表層土，將取來的土過篩，分層充填、壓實并控制土壤容重；3)其次，選取較為完整的坡面，用白鐵皮格成1m寬坡面徑流小區(qū)，徑流小區(qū)旁架設(shè)用于觀測坡面水蝕過程的測橋；4)再次，在模型的上方安裝下噴式降雨器，以模擬不同時長、不同強度、不同降雨過程的降雨；在降雨器上懸掛三維激光掃描儀，用以定量觀測每次降雨前后流域地貌形態(tài)變化，計算每次降雨流域侵蝕量及其空間分布；5)最后，在流域主溝、支溝上方不同部位架設(shè)三角鐵支架，支架上安裝高速攝像機，高速攝像機通過網(wǎng)線和計算機相連，通過計算機管理軟件，采集溝道水流流速場；流域主溝溝口、支溝溝口分別安裝流量監(jiān)測傳感器，自動監(jiān)測支溝流量含沙量過程，與該儀器系統(tǒng)配套的數(shù)據(jù)采集器和計算機管理軟件可以實現(xiàn)流量過程的實時觀測，到此完成試驗裝置的布置；6)在人工模擬降雨實施之前向模型流域灑水，使表層土壤趨于飽和；打開懸掛在降雨器上的三維激光掃描儀，掃描降雨前的初始地形；將試驗區(qū)遮蓋并用固定于試驗區(qū)旁的雨量桶率定下噴式降雨器的設(shè)定雨強，用自計雨量計和雨量筒對降雨過程中的降雨強度、降雨量及降雨過程進(jìn)行記錄；7)打開降雨器，降雨器以率定雨強進(jìn)行連續(xù)降雨，從坡面產(chǎn)流開始計時，以3分鐘為時間間隔，在坡面觀測斷面處使用染色劑測量坡面流流速，使用鋼尺量測坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況；采用吸耳球法采集坡面徑流，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量；8)支溝溝口流速含沙量采用流量監(jiān)測傳感器，自動采集流量含沙量過程，主溝溝口流量、含沙量一方面采用流量監(jiān)測傳感器，自動采集，另一方面對流量、含沙量進(jìn)行人工取樣觀測，每間隔3分鐘取10s長時段的樣；9)溝道水流高速攝像機設(shè)定測量間隔同樣為3分鐘，溝道產(chǎn)流后，當(dāng)與坡面流速測定時間同步時，每隔3分鐘，根據(jù)事先率定的雨強和示蹤粒子大小的關(guān)系，選擇設(shè)定雨強的示蹤粒子，將示蹤粒子通過圓管拋灑到溝道觀測斷面，在采集系統(tǒng)上點擊開始，采集溝道水流流速場；10)降雨結(jié)束后，再次打開三維掃描儀，掃描降雨后的地形，通過對降雨前后地形變化數(shù)據(jù)的對比分析，確定在降雨條件下，泥沙的侵蝕、搬運和沉積狀況及空間。

該專利文獻(xiàn)，通過控制不同的降雨強度和降雨過程，觀測不同地貌部位水流水動力學(xué)特征，進(jìn)而實現(xiàn)不同立地條件、不同降雨條件下流域水土流失過程的模擬，但是，該實驗過程并未經(jīng)過詳細(xì)的物理機制探討和嚴(yán)格的理論推導(dǎo)，僅是對實驗現(xiàn)象進(jìn)行觀察和總結(jié)，難以適應(yīng)實際工程需要。

發(fā)明內(nèi)容