[发明专利]一种泥石流预测研究方法

摘要

本发明涉及一种流体作用、位移、变形和泥石流灾害预测研究方法，其属于流体力学基础理论及其应用技术和流体灾害预测科学研究领域。它主要包括⑴流体产生的作用及其与位移和变形之间的关系，⑵大气降雨对山坡产生的作用，⑶泥石流动量的定量计算，⑷泥石流灾害的预测研究。本发明的有益效果是基于作用学，确定了研究流体作用、降雨作用、泥石流灾害预测方面的新理论与新方法，为基础理论的发展与完善奠定了基础，为流体力学、泥石流灾害预测学的发展与完善奠定了基础，为泥石流灾害预测与防治创造了更有效的理论方法。

主权项

一种泥石流预测研究方法，其特征在于，包括如下步骤：⑴流体产生的作用及其与位移和变形之间的关系①流体对作用面产生的作用和作用面的位移，当流体仅仅对一个固定的受作用面进行作用时，流体对受作用面产生的作用力是F=ρ[Q2S+Qg(t+Δt)sinα]]]>式中，F表示流体对受作用面产生的作用力，Q表示流体在作用前一定距离远处的流量，ρ表示流体的密度，S表示流体的横断面面积，g表示重力加速度，t表示作用前流体的加速运动时间，Δt表示流体对受作用面S产生作用的时间，α表示流体运行路线的倾角；受作用面运行环境的性质分别由两个参数表述，虚度即可动性质参数和实度即不可动参数，分别记为E和T，则作用面的位移量为x1=∫0t(∫0tEFρdt)dt=∫0t{∫0tE[Q2S+Qg(t+Δt)sinα]dt}dt;]]>作用面的位移损失量为x2=∫0t(∫0tTFρdt)dt=∫0t{∫0tT[Q2S+Qg(t+Δt)sinα]dt}dt;]]>②流体对受作用物体的作用和受作用物体的位移与变形，驱使物体运动的推动力的总和为F=ρ[Q2S+(Qgt+mg-ρabg)sinα]L=ma]]>式中，F表示流体对受作用体产生的作用力，Q表示流体的流量，ρ表示流体的密度，S表示流体的横断面面积，g表示重力加速度，α表示流体运行路线的倾角，t表示流体对物体作用的时间，L表示受作用体的长度，m表示物体的质量，a表示物体在流体作用下的运动加速度；物体在流体和重力作用下产生的位移量是x=∫0t(∫0tEFρdt)dt=∫0t{∫0tE[Q2S+(Qgt+mg-ρabLg)sinα]Ldt}dt=v0t+12at2]]>式中，E表示代表可动程度或畅通程度的物体运行环境的性质参数，v0表示物体的初速度，a表示物体的加速度，t表示物体在流体作用下的运动时间；③流体产生的冲刷作用与冲刷变形河流对长度为x的河道产生的冲刷作用力是F=ρ(Q2S+Qgtsinα)x]]>式中，F表示流体对单位河床受作用面产生的作用力，Q表示流体的流量，ρ表示流体的密度,S表示流体的横断面面积，g表示重力加速度，t表示对单位河床受作用面产生作用的时间，α表示流体运行路线的倾角；长度为x的河道产生的冲刷变形量为V=∫0t{∫0t[ρAE(Q2S+Qgtsinα)xdt]}dt]]>式中，A表示x段河道的受冲刷的面积，E表示河流冲刷下河道的可变形性质，ρ表示河床中流体的密度，t表示河床受冲刷的时间；⑵大气降雨对山坡产生的作用由坡流折向的动力学方程为F={ρwS[kqx2+(h-y)2h2+b2(b-x)2+y2]2+ρkqx2+(h-y)2h2+b2(b-x)2+y2gtcosθ}cosαcosγ+f]]>式中，ρ表示水的密度，h表示峰谷地形高度差，q表示降雨量，x和y分别表示坡流点P的位置坐标，g表示重力加速度，θ表示重力与坡流方向线之间的夹角，S表示坡流断面面积，w表示单位面中雨滴占有率的雨滴分布密度，α表示山谷倾向线与重力方向线之间的夹角，γ表示坡流方向线与谷流方向线之间的夹角；f表示坡流折向为谷流的折向阻力；可知，来自两侧山坡的坡流折向汇聚成谷流，谷流对沟谷单位面的冲刷力为F=∫0l(k1F1+k2F2)dl]]>式中，F1表示来自左坡坡流产生的作用力，F2表示来右坡坡流产生的作用力，l表示山沟里端与坡流折向点之间的距离，k1和k2分别表示两侧坡流作用力的折向系数；⑶泥石流动量的定量计算假设任意坡点P处单位面积的泥石流生成率为Eˊ，通过研究得知，山坡上任意单位受作用面上的坡面物质在驱动作用力F=ρwS[kqx2+(h-y)2h2+b2(b-x)2+y2]2+ρkqx2+(h-y)2h2+b2(b-x)2+y2gtcosθ]]>的驱动下产生的泥石流动量为I=∫0tE{ρws[kqx2+(h-y)2h2+b2(b-x)2+y2]2+ρkqx2+(h-y)2h2+b2(b-x)2+y2gtcosθ}dt]]>所以，水平面积为S的整个汇水区域生成泥石流的总动量为⑷泥石流灾害的预测研究①降雨预测大气降水是泥石流生成的驱动因素，是泥石流生成的先决条件，因此，要提前预测泥石流的发生，首先必须提前准确预测降雨量和雨点密度w、云层高度等指标；大气降水状况规定了泥石流灾害发生的时间，降雨量的规模也是控制泥石流灾情大小的主导因素；②地形研究地形测量和汇水系统、汇水面积确定是泥石流预测研究中的重要任务，通过地形测量，可以确定泥石流灾害有可能发生的地形和汇水条件，并且能够初步确定哪些地区有可能发生泥石流灾害、哪些地区不可能发生泥石流灾害，还能确定定量预测泥石流所需要的地形指标；③坡谷物性研究坡谷物性研究的主要任务是确定山坡和沟谷的物质组成和存在状态，确定在以不同水流量下的泥石流生成率E值和与渗透性有关的坡流率k值，这项任务可通过实地测试研究来完成；④泥石流灾害点确定受灾点是指位于泥石流运行路线上的居民点、城镇、房屋、工厂、企事业单位、其他经济设施、车站，铁路、公路、路基、桥梁、水电站、引水渠道及过沟建筑物、水库、矿山等等与生命财产息息相关的地点，只要这些地点存在于泥石流生成和运行的区域之中，就会遭受泥石流的冲击破坏，确定受灾点是预测泥石流灾情的重要指标，受灾点可通过区域勘查研究确定；⑤泥石流的预测根据天气预测泥石流灾害发生的时间，通过地形勘察和沟谷物性调查确定石流发生的地点；但要准确确定需要在实地调查数据基础上通过定量计算来最终确定，结合天气预报、通过实地调查和科学计算，可以准确确定泥石流灾害的强度和其发生的时间与地点，泥石流灾害的强度划分和灾情大小的预测可根据公式计算得到的结果数据进行。