1.本发明涉及到泥石流防治工程技术领域，尤其涉及一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法。
背景技术：2.当泥石流沟道中含有一个或多个堰塞体，在强降雨及上游汇流作用下极易失稳形成溃决型泥石流，并引发流量放大效应，造成的风险损失远高于一般的泥石流灾害。
3.沟道中的堰塞体失稳直接导致了溃决型泥石流的流量放大。若能预测泥石流沟道中天然堰塞体上游流体和降雨侵蚀的作用下失稳溃决，就能更合理的计算溃决型泥石流的流速以及流量特征参数。因此对泥石流沟道中堰塞体的稳定性和动力学特征进行研究，为溃决型泥石流灾害的防治提供技术支持，具有重要理论价值和现实意义。
4.公开号为cn112418697a，公开日为2021年02月26日的中国专利文献公开了一种堰塞湖稳定性评价方法，其特征在于：所述堰塞湖稳定性评价方法包括以下步骤：
5.s1：先采用无量纲堆积体指数法dbi进行堰塞体稳定性初步评判；
6.s2：针对步骤s1中得到的结果进行分析：dbi＜2.75，则堰塞体稳定；dbi＞3.08，则堰塞体不稳定；2.75＜dbi＜3.08，则堰塞体介于稳定与不稳定之间；
7.s3：评价堰塞体的稳定性要结合地质条件，合理选取堰塞体物质的物理力学指标和渗流场参数；
8.s4：可以采用基于极限平衡理论体系的简化毕肖普法，用简化毕肖谱法计算时考虑了土条间的作用力，可得到堰塞体的稳定性评价结论；
9.s5：对堰塞湖进行严密监测，根据专业人员的意见对堰塞湖的威胁进行正确科学的评价，及时对下游人民群众进行疏散；
10.s6：然后，对于高危堰塞湖进行疏导和分流，一般是用炸药和人工挖开个小口，疏导水流。
11.该专利文献公开的堰塞湖稳定性评价方法，用简化毕肖谱法计算时考虑了土条间的作用力，可得到堰塞体的稳定性评价结论；采用无量纲堆积体指数法dbi进行堰塞体稳定性初步评判，使得在后续的判断过程中，有了一个可以参考的初步依据，从而简化了操作步骤，减轻了工作人员的劳动负担。但是，由于没有考虑堰塞体在降雨及汇流作用下的启动破坏的动力学特征，因此准确度较低，普适性较差。
技术实现要素：12.本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，本发明考虑了泥石流沟道内形成的天然堰塞体在降雨及汇流作用下的启动破坏的动力学特征，选择坡表颗粒进行力学平衡分析，提高了计算准确度，能够为溃决型泥石流灾害的危险性评估及防治提供更合理准确的依据，具有良好的普适性。
13.本发明通过下述技术方案实现：
14.一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
15.s1、获取堰塞体的基本资料，建立堰塞体在漫顶冲刷时的受力模型；
16.s2、计算坡面流体对堰塞体沿坡面向下的启动应力τ；
17.s3、计算堰塞体对坡面流体沿坡面向上的抵抗应力τf；
18.s4、判别堰塞体稳定性，将沿坡面向上的抵抗应力τf与沿坡面向下的启动应力τ的比值定义为稳定性系数fs，当沿坡面向下的启动应力τ大于沿坡面向上的抵抗应力τf时，判断为堰塞体失稳。
19.所述步骤s1中，获取堰塞体的基本资料具体是指通过野外调查获取堰塞体重度γs、堰塞体坡面倾角θ、堰塞体内摩擦角堰塞体颗粒直径d、启动水深h和水的重度γw。
20.所述步骤s1中，建立堰塞体在漫顶冲刷时的受力模型具体是指对堰塞体颗粒进行受力分析，建立受力模型，堰塞体颗粒受力包括水下重力g
′
、坡面摩擦力f、流体对堰塞体颗粒的拖拽力fd和扬压力fy。
21.所述步骤s2中，沿坡面向下的启动应力τ通过式1进行计算；
22.τ＝fd+g
′
sinθ
ꢀꢀ
式1
23.式中：
24.τ为沿坡面向下的启动应力，kpa；
25.fd为流体对堰塞体颗粒的拖拽力，kpa；
26.g
′
为水下重力，kpa；
27.θ为堰塞体坡面倾角，
°
；
28.其中，流体对堰塞体颗粒的拖拽力fd通过式2进行计算，水下重力g
′
通过式3进行计算；
[0029][0030][0031]
式中：
[0032]cd
为阻力系数，取0.712，无量纲；
[0033]
d为堰塞体颗粒直径，m；
[0034]
γw为水的重度，kn/m3；
[0035]
v为漫顶流体流速，m/s；
[0036]
g为重力加速度，取9.8m/s2；
[0037]
γs为堰塞体重度，kn/m3。
[0038]
所述步骤s3中，沿坡面向上的抵抗应力τf通过式4进行计算；
[0039]
τf＝f+fysinθ
ꢀꢀ
式4
[0040]
式中：
[0041]
τf为沿坡面向上的抵抗应力，kpa；
[0042]
f为坡面摩擦力，kpa；
[0043]fy
为扬压力，kpa；
[0044]
θ为堰塞体坡面倾角，
°
；
[0045]
其中，坡面摩擦力f通过式5进行计算，扬压力fy通过式6进行计算；
[0046][0047][0048]
式中：
[0049]
d为堰塞体颗粒直径，m；
[0050]
γs为堰塞体重度，kn/m3；
[0051]
γw为水的重度，kn/m3；
[0052]
θ为堰塞体坡面倾角，
°
；
[0053]
为堰塞体内摩擦角，
°
。
[0054]
所述步骤s4中，稳定性系数fs通过式7进行计算；
[0055][0056]
式中：
[0057]
fs为稳定性系数；
[0058]
τf为沿坡面向上的抵抗应力，kpa；
[0059]
τ为沿坡面向下的启动应力，kpa。
[0060]
所述漫顶流体流速v采用临界启动流速公式计算获得；
[0061][0062]
式中：
[0063]
v为漫顶流体流速，m/s；
[0064]
f为经验系数，无量纲；当f＝10.01时，为个别泥沙启动；当f＝10.7时，为少量泥沙启动；当f＝11.7时，形成泥石流；
[0065]
ε为床面泥沙颗粒相对暴露度系数，取值为0-1，无量纲；
[0066]
λ为床面砂粒间的摩擦系数，取值为0.63，无量纲；
[0067]
θ为堰塞体坡面倾角，
°
；
[0068]
d为堰塞体颗粒直径，m；
[0069]
k为糙率尺寸，m；根据床沙级配中的代表粒径确定；
[0070]
h为启动水深，m。
[0071]
本发明的基本原理如下：
[0072]
通过室内试验研究了堰塞体的主要溃决模式及溃决过程的动力学特征。漫顶破坏模式概括为漫顶溢流—溃口连通—快速下切—坝体稳定四个阶段。上游水流启动，堰塞体上游水位逐渐升高至漫顶状态，水流漫顶溢流开始堰塞体冲刷堰塞体下游坡面，最开始在坝顶和下游坡面的过渡区冲刷，参见图2；过渡区被冲刷后，向上游方向成溯源侵蚀冲刷，向下游形成冲刷下切，形成小型冲沟，并以下切为主，横向扩展较小，参见图3；一旦溯源冲刷至坝后水体处，则溃口连通，堰塞体后水体开始下泄，溃口此时向两个方向同时快速扩展，即横向展宽，垂向下切，同时溃口两侧土体发生破环，出现陡坎和坝坡失稳现象，参见图4；
随着堰塞体后蓄水量逐渐减小，溃口处断面流量到达峰值之后，流量迅速减小，溃口展宽减缓直至趋于稳定，参见图5。
[0073]
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
[0074]
1、本发明，s1、获取堰塞体的基本资料，建立堰塞体在漫顶冲刷时的受力模型；s2、计算坡面流体对堰塞体沿坡面向下的启动应力τ；s3、计算堰塞体对坡面流体沿坡面向上的抵抗应力τf；s4、判别堰塞体稳定性，将沿坡面向上的抵抗应力τf与沿坡面向下的启动应力τ的比值定义为稳定性系数fs，当沿坡面向下的启动应力τ大于沿坡面向上的抵抗应力τf时，判断为堰塞体失稳，作为一个完整的技术方案，较现有技术而言，考虑了泥石流沟道内形成的天然堰塞体在降雨及汇流作用下的启动破坏的动力学特征，选择坡表颗粒进行力学平衡分析，提高了计算准确度，能够为溃决型泥石流灾害的危险性评估及防治提供更合理准确的依据，具有良好的普适性。
[0075]
2、本发明，基于力学平衡分析的理论推导而来，经过了室内物理试验的验证，并与野外实测数据作对比，对溃决型泥石流堰塞体稳定性确定具有较高的科学参考价值。
[0076]
3、本发明，计算公式简单，计算所需参数少，且参数易于获取，能够适用于在缺少前期大量勘察工作情况下的溃决型泥石流流量计算。
附图说明
[0077]
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：
[0078]
图1为本发明的流程框图；
[0079]
图2为本发明堰塞体漫顶初始示意图；
[0080]
图3为本发明堰塞体下切侵蚀示意图；
[0081]
图4为本发明堰塞体快速下切示意图；
[0082]
图5为本发明堰塞体漫顶破坏示意图；
[0083]
图6为本发明堰塞体颗粒受力分析示意图；
[0084]
其中：f、坡面摩擦力，fy、扬压力，fd、流体对堰塞体颗粒的拖拽力，n、坡面支持力，g＇、水下重力。
具体实施方式
[0085]
实施例1
[0086]
参见图1-图6，一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，包括以下步骤：
[0087]
s1、获取堰塞体的基本资料，建立堰塞体在漫顶冲刷时的受力模型；
[0088]
s2、计算坡面流体对堰塞体沿坡面向下的启动应力τ；
[0089]
s3、计算堰塞体对坡面流体沿坡面向上的抵抗应力τf；
[0090]
s4、判别堰塞体稳定性，将沿坡面向上的抵抗应力τf与沿坡面向下的启动应力τ的比值定义为稳定性系数fs，当沿坡面向下的启动应力τ大于沿坡面向上的抵抗应力τf时，判断为堰塞体失稳。
[0091]
本实施例为最基本的实施方式，考虑了泥石流沟道内形成的天然堰塞体在降雨及汇流作用下的启动破坏的动力学特征，选择坡表颗粒进行力学平衡分析，提高了计算准确度，能够为溃决型泥石流灾害的危险性评估及防治提供更合理准确的依据，具有良好的普
适性。
[0092]
实施例2
[0093]
参见图1-图6，一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，包括以下步骤：
[0094]
s1、获取堰塞体的基本资料，建立堰塞体在漫顶冲刷时的受力模型；
[0095]
s2、计算坡面流体对堰塞体沿坡面向下的启动应力τ；
[0096]
s3、计算堰塞体对坡面流体沿坡面向上的抵抗应力τf；
[0097]
s4、判别堰塞体稳定性，将沿坡面向上的抵抗应力τf与沿坡面向下的启动应力τ的比值定义为稳定性系数fs，当沿坡面向下的启动应力τ大于沿坡面向上的抵抗应力τf时，判断为堰塞体失稳。
[0098]
进一步的，所述步骤s1中，获取堰塞体的基本资料具体是指通过野外调查获取堰塞体重度γs、堰塞体坡面倾角θ、堰塞体内摩擦角堰塞体颗粒直径d、启动水深h和水的重度γw。
[0099]
进一步的，所述步骤s1中，建立堰塞体在漫顶冲刷时的受力模型具体是指对堰塞体颗粒进行受力分析，建立受力模型，堰塞体颗粒受力包括水下重力g
′
、坡面摩擦力f、流体对堰塞体颗粒的拖拽力fd和扬压力fy。
[0100]
进一步的，所述步骤s2中，沿坡面向下的启动应力τ通过式1进行计算；
[0101]
τ＝fd+g
′
sinθ
ꢀꢀ
式1
[0102]
式中：
[0103]
τ为沿坡面向下的启动应力，kpa；
[0104]
fd为流体对堰塞体颗粒的拖拽力，kpa；
[0105]g′
为水下重力，kpa；
[0106]
θ为堰塞体坡面倾角，
°
；
[0107]
其中，流体对堰塞体颗粒的拖拽力fd通过式2进行计算，水下重力g
′
通过式3进行计算；
[0108][0109][0110]
式中：
[0111]cd
为阻力系数，取0.712，无量纲；
[0112]
d为堰塞体颗粒直径，m；
[0113]
γw为水的重度，kn/m3e
[0114]
v为漫顶流体流速，m/s；
[0115]
g为重力加速度，取9.8m/s2；
[0116]
γs为堰塞体重度，kn/m3。
[0117]
本实施例为较佳实施方式，基于力学平衡分析的理论推导而来，经过了室内物理试验的验证，并与野外实测数据作对比，对溃决型泥石流堰塞体稳定性确定具有较高的科学参考价值。
[0118]
实施例3
[0119]
参见图1-图6，一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，包括以下步骤：
[0120]
s1、获取堰塞体的基本资料，建立堰塞体在漫顶冲刷时的受力模型；
[0121]
s2、计算坡面流体对堰塞体沿坡面向下的启动应力τ；
[0122]
s3、计算堰塞体对坡面流体沿坡面向上的抵抗应力τf；
[0123]
s4、判别堰塞体稳定性，将沿坡面向上的抵抗应力τf与沿坡面向下的启动应力τ的比值定义为稳定性系数fs，当沿坡面向下的启动应力τ大于沿坡面向上的抵抗应力τf时，判断为堰塞体失稳。
[0124]
所述步骤s1中，获取堰塞体的基本资料具体是指通过野外调查获取堰塞体重度γs、堰塞体坡面倾角θ、堰塞体内摩擦角堰塞体颗粒直径d、启动水深h和水的重度γw。
[0125]
所述步骤s1中，建立堰塞体在漫顶冲刷时的受力模型具体是指对堰塞体颗粒进行受力分析，建立受力模型，堰塞体颗粒受力包括水下重力g
′
、坡面摩擦力f、流体对堰塞体颗粒的拖拽力fd和扬压力fy。
[0126]
所述步骤s2中，沿坡面向下的启动应力τ通过式1进行计算；
[0127]
τ＝fd+g
′
sinθ
ꢀꢀ
式1
[0128]
式中：
[0129]
τ为沿坡面向下的启动应力，kpa；
[0130]
fd为流体对堰塞体颗粒的拖拽力，kpa；
[0131]g′
为水下重力，kpa；
[0132]
θ为堰塞体坡面倾角，
°
；
[0133]
其中，流体对堰塞体颗粒的拖拽力fd通过式2进行计算，水下重力g
′
通过式3进行计算；
[0134][0135][0136]
式中：
[0137]cd
为阻力系数，取0.712，无量纲；
[0138]
d为堰塞体颗粒直径，m；
[0139]
γw为水的重度，kn/m3；
[0140]
v为漫顶流体流速，m/s；
[0141]
g为重力加速度，取9.8m/s2；
[0142]
γs为堰塞体重度，kn/m3。
[0143]
进一步的，所述步骤s3中，沿坡面向上的抵抗应力τf通过式4进行计算；
[0144]
τf＝f+f
y sinθ
ꢀꢀ
式4
[0145]
式中：
[0146]
τf为沿坡面向上的抵抗应力，kpa；
[0147]
f为坡面摩擦力，kpa；
[0148]fy
为扬压力，kpa；
[0149]
θ为堰塞体坡面倾角，
°
；
[0150]
其中，坡面摩擦力f通过式5进行计算，扬压力fy通过式6进行计算；
[0151][0152][0153]
式中：
[0154]
d为堰塞体颗粒直径，m；
[0155]
γs为堰塞体重度，kn/m3；
[0156]
γw为水的重度，kn/m3；
[0157]
θ为堰塞体坡面倾角，
°
；
[0158]
为堰塞体内摩擦角，
°
。
[0159]
进一步的，所述步骤s4中，稳定性系数fs通过式7进行计算；
[0160][0161]
式中：
[0162]
fs为稳定性系数；
[0163]
τf为沿坡面向上的抵抗应力，kpa；
[0164]
τ为沿坡面向下的启动应力，kpa。
[0165]
所述漫顶流体流速v采用临界启动流速公式计算获得；
[0166][0167]
式中：
[0168]
v为漫顶流体流速，m/s；
[0169]
f为经验系数，无量纲；当f＝10.01时，为个别泥沙启动；当f＝10.7时，为少量泥沙启动；当f＝11.7时，形成泥石流；
[0170]
ε为床面泥沙颗粒相对暴露度系数，取值为0-1，无量纲；
[0171]
λ为床面砂粒间的摩擦系数，取值为0.63，无量纲；
[0172]
θ为堰塞体坡面倾角，
°
；
[0173]
d为堰塞体颗粒直径，m；
[0174]
k为糙率尺寸，m；根据床沙级配中的代表粒径确定；
[0175]
h为启动水深，m。
[0176]
本实施例为最佳实施方式，计算公式简单，计算所需参数少，且参数易于获取，能够适用于在缺少前期大量勘察工作情况下的溃决型泥石流流量计算。
[0177]
下面结合具体实例对本发明进行详细说明：
[0178]
七盘沟位于汶川县城西南约5km处威州镇七盘沟村，七盘沟流域内整体地势南东高北西低，属龙门山华夏系构造体系之中南段的九顶山华夏系构造带内，又属于甘孜一松潘地槽褶皱带与扬子地台之间隙褶皱亚系，为构造剥蚀和部分冰川刨蚀深切割高中山区地貌。七盘沟泥石流沟流域面积达54.2km2，主沟长15.1km，海拔高度1300-4200m，相对高差约2900余米，主沟纵坡降192
‰
。支沟呈树枝状，沟道弯曲较多。研究区属暖温带季风气候区，
属岷江上游半干旱河谷地区，气候垂直分带明显，总体气候干燥，降水量少而集中，因季节分配不均，干雨季分明，雨季集中于5-9月，冬干明显，常有春旱和夏伏旱发生。研究区主要出露地层有第四系、泥盆系、震旦系和燕山期、印支期与华里西期火成岩。由于茂汶断层从流域内穿过，流域内岩层破碎，极易产生崩塌滑坡。汶川地震后，七盘沟流域发育有大量的崩塌滑坡及松散堆积物，2013年7月7日至11日汶川县境内连降暴雨，导致了七盘沟溃决型泥石流。七盘沟泥石流属于典型的级联溃决型泥石流，由于沟道内存在的四个较大规模堰塞体的蓄水拦挡作用，使得沟道内物质的势能不断增加，堰塞体最终发生溃决，从而形成大规模高强度溃决型泥石流。
[0179]
1、获取七盘沟堰塞体的基本资料，参见表1；
[0180]
表1
[0181][0182]
2、七盘沟堰塞体稳定性计算，计算结果和实际情况比对参见表2；
[0183]
表2
[0184][0185]
3、判别堰塞体稳定性，将沿坡面向上的抵抗应力τf与沿坡面向下的启动应力τ的比值定义为稳定性系数fs，当沿坡面向下的启动应力τ大于沿坡面向上的抵抗应力τf时，判断为堰塞体失稳。
[0186]
从表2可知，采用本发明判断为堰塞体失稳的红石潮堰塞体、小沟沟口堰塞体、黄泥槽堰塞体和老鹰岩堰塞体均发生了溃决，与实际情况相符，说明本发明计算准确度高，能够为溃决型泥石流灾害的危险性评估及防治提供更合理准确的依据。
技术特征：1.一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、获取堰塞体的基本资料，建立堰塞体在漫顶冲刷时的受力模型；s2、计算坡面流体对堰塞体沿坡面向下的启动应力τ；s3、计算堰塞体对坡面流体沿坡面向上的抵抗应力τ
f
；s4、判别堰塞体稳定性，将沿坡面向上的抵抗应力τ
f
与沿坡面向下的启动应力τ的比值定义为稳定性系数fs，当沿坡面向下的启动应力τ大于沿坡面向上的抵抗应力τ
f
时，判断为堰塞体失稳。2.根据权利要求1所述的一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，其特征在于：所述步骤s1中，获取堰塞体的基本资料具体是指通过野外调查获取堰塞体重度γ
s
、堰塞体坡面倾角θ、堰塞体内摩擦角堰塞体颗粒直径d、启动水深h和水的重度γ
w
。3.根据权利要求1所述的一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，其特征在于：所述步骤s1中，建立堰塞体在漫顶冲刷时的受力模型具体是指对堰塞体颗粒进行受力分析，建立受力模型，堰塞体颗粒受力包括水下重力g＇、坡面摩擦力f、流体对堰塞体颗粒的拖拽力f
d
和扬压力f
y
。4.根据权利要求1所述的一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，其特征在于：所述步骤s2中，沿坡面向下的启动应力τ通过式1进行计算；τ＝f
d
+g
′
sinθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式1式中：τ为沿坡面向下的启动应力，kpa；f
d
为流体对堰塞体颗粒的拖拽力，kpa；g＇为水下重力，kpa；θ为堰塞体坡面倾角，
°
；其中，流体对堰塞体颗粒的拖拽力f
d
通过式2进行计算，水下重力g＇通过式3进行计算；通过式3进行计算；式中：c
d
为阻力系数，取0.712，无量纲；d为堰塞体颗粒直径，m；γ
w
为水的重度，kn/m3；v为漫顶流体流速，m/s；g为重力加速度，取9.8m/s2；γ
s
为堰塞体重度，kn/m3。5.根据权利要求1所述的一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，其特征在于：所述步骤s3中，沿坡面向上的抵抗应力τ
f
通过式4进行计算；τ
f
＝f+f
y
sinθ
ꢀꢀꢀꢀ
式4式中：
τ
f
为沿坡面向上的抵抗应力，kpa；f为坡面摩擦力，kpa；f
y
为扬压力，kpa；θ为堰塞体坡面倾角，
°
；其中，坡面摩擦力f通过式5进行计算，扬压力f
y
通过式6进行计算；通过式6进行计算；式中：d为堰塞体颗粒直径，m；γ
s
为堰塞体重度，kn/m3；γ
w
为水的重度，kn/m3；θ为堰塞体坡面倾角，
°
；为堰塞体内摩擦角，
°
。6.根据权利要求1所述的一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，其特征在于：所述步骤s4中，稳定性系数fs通过式7进行计算；式中：fs为稳定性系数；τ
f
为沿坡面向上的抵抗应力，kpa；τ为沿坡面向下的启动应力，kpa。所述漫顶流体流速v采用临界启动流速公式计算获得；式中：v为漫顶流体流速，m/s；f为经验系数，无量纲；当f＝10.01时，为个别泥沙启动；当f＝10.7时，为少量泥沙启动；当f＝11.7时，形成泥石流；ε为床面泥沙颗粒相对暴露度系数，取值为0-1，无量纲；λ为床面砂粒间的摩擦系数，取值为0.63，无量纲；θ为堰塞体坡面倾角，
°
；d为堰塞体颗粒直径，m；k为糙率尺寸，m；根据床沙级配中的代表粒径确定；h为启动水深，m。
技术总结本发明公开了一种溃决型泥石流堰塞体稳定性计算方法，属于泥石流防治工程技术领域，其特征在于，包括以下步骤：S 1、建立堰塞体在漫顶冲刷时的受力模型；S2、计算坡面流体对堰塞体沿坡面向下的启动应力τ；S3、计算堰塞体对坡面流体沿坡面向上的抵抗应力τ
技术研发人员：常鸣 朱习松 范宣梅 姚林林 刘本银
受保护的技术使用者：华能西藏雅鲁藏布江水电开发投资有限公司
技术研发日：2022.06.29
技术公布日：2022/11/1
