[发明专利]一种小流域沟道堆石体失稳的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及到地质灾害防治工程技术领域，尤其涉及一种小流域沟道堆石体失稳的计算方法。

背景技术

地震后，流域内发育的崩塌、滑坡为泥石流的活动提供了丰富的松散固体物质来源，使泥石流成为震后最为活跃的灾害，泥石流频发给灾区重建和人民生活带来严重威胁。在这些泥石流中，小流域泥石流往往因流域面积小，常被人们忽略或未引起足够的重视，却造成较大的灾害损失。

小流域泥石流的动力过程是一个非常复杂的能量耗散过程，主要表现在这类泥石流的沟道内存在堵塞体，它起着类似于坝体的“拦沙蓄水”作用，从而使得沟道内物质积聚的势能比一般型泥石流大得多。当沟道内堵塞体后的水深达到足够使其溃决时，巨大的势能转换为强烈的水流动能，冲刷搬运沟道内固体物质，从而形成成灾快、规模大、破坏力强的特殊泥石流。泥石流沟道内堵塞体的失稳在溃决型泥石流的动力过程中起着主导作用。

小流域中沟道堆石体失稳是一个复杂的水文、水力和地质现象，其作为一类特殊的岩土体系统，具有特定的物质组成、形成方式和结构特征，在降雨径流和上游水流的侵蚀冲刷作用下，极易发生失稳溃决，对沟道造成突发性高强度洪水冲蚀，是小流域泥石流起动的重要条件。在汶川地震前，我国境内发生的溃决型泥石流大多分布在新疆和西藏地区，且多为冰湖溃决型泥石流；汶川地震后，震区某些泥石流沟道内形成的大型堆石体，在暴雨作用下，极易激发形成规模巨大、危险性高的溃决型泥石流。

然而，目前针对小流域中沟道堆石体失稳的判别还没有较好的计算方法，现有的模型并不能很好地满足对泥石流动力过程中复杂特征的研究。

公开号为CN 104374894A，公开日为2015年02月25日的中国专利文献公开了一种小流域不同地貌单元水蚀过程精细模拟试验方法，其特征在于，其试验方法步骤如下：1)形成与原型流域之间满足系统相似性要求的水蚀过程精细模拟试验的模型流域，并布置试验装置；首先按照试验要求从野外取土，装土1m不过筛，置于试验土槽内打碎填装、压实并控制土壤干容重在1.42-1.59g/cm³；2)然后，填筑模型表层土，将取来的土过筛，分层充填、压实并控制土壤容重；3)其次，选取较为完整的坡面，用白铁皮格成1m宽坡面径流小区，径流小区旁架设用于观测坡面水蚀过程的测桥；4)再次，在模型的上方安装下喷式降雨器，以模拟不同时长、不同强度、不同降雨过程的降雨；在降雨器上悬挂三维激光扫描仪，用以定量观测每次降雨前后流域地貌形态变化，计算每次降雨流域侵蚀量及其空间分布；5)最后，在流域主沟、支沟上方不同部位架设三角铁支架，支架上安装高速摄像机，高速摄像机通过网线和计算机相连，通过计算机管理软件，采集沟道水流流速场；流域主沟沟口、支沟沟口分别安装流量监测传感器，自动监测支沟流量含沙量过程，与该仪器系统配套的数据采集器和计算机管理软件可以实现流量过程的实时观测，到此完成试验装置的布置；6)在人工模拟降雨实施之前向模型流域洒水，使表层土壤趋于饱和；打开悬挂在降雨器上的三维激光扫描仪，扫描降雨前的初始地形；将试验区遮盖并用固定于试验区旁的雨量桶率定下喷式降雨器的设定雨强，用自计雨量计和雨量筒对降雨过程中的降雨强度、降雨量及降雨过程进行记录；7)打开降雨器，降雨器以率定雨强进行连续降雨，从坡面产流开始计时，以3分钟为时间间隔，在坡面观测断面处使用染色剂测量坡面流流速，使用钢尺量测坡面径流的流宽、流深和沟道发育情况；采用吸耳球法采集坡面径流，通过烘干法计算对应时段的含沙量；8)支沟沟口流速含沙量采用流量监测传感器，自动采集流量含沙量过程，主沟沟口流量、含沙量一方面采用流量监测传感器，自动采集，另一方面对流量、含沙量进行人工取样观测，每间隔3分钟取10s长时段的样；9)沟道水流高速摄像机设定测量间隔同样为3分钟，沟道产流后，当与坡面流速测定时间同步时，每隔3分钟，根据事先率定的雨强和示踪粒子大小的关系，选择设定雨强的示踪粒子，将示踪粒子通过圆管抛洒到沟道观测断面，在采集系统上点击开始，采集沟道水流流速场；10)降雨结束后，再次打开三维扫描仪，扫描降雨后的地形，通过对降雨前后地形变化数据的对比分析，确定在降雨条件下，泥沙的侵蚀、搬运和沉积状况及空间。

该专利文献，通过控制不同的降雨强度和降雨过程，观测不同地貌部位水流水动力学特征，进而实现不同立地条件、不同降雨条件下流域水土流失过程的模拟，但是，该实验过程并未经过详细的物理机制探讨和严格的理论推导，仅是对实验现象进行观察和总结，难以适应实际工程需要。

发明内容