基于弯道超高计算泥石流流速的探讨

泥石流流速是难以实测和准确推算的重要参数。在分析既有各类弯道超高计算公式的基础上,探讨适用于各类泥石流的弯道超高计算模式,进而改进基于弯道超高的粘性泥石流、稀性泥石流和泥流的流速计算公式,用实例加以验证。     

弯道超高法在泥石流流速计算中的应用——以四川省汶川县G317国道磨子沟泥石流为例

选取四川省汶川至马尔康公路线的磨子沟作为试验对象,采用弯道超高法推算其泥石流流速。进而可以计算出该次泥石流的平均流量,为公路的改建工程提供设计依据。经过实地调查,用此方法计算磨子沟2005年8月17日暴发的泥石流流速为4.4m/s。同其他流速方法计算的结果相比较,前者值偏大,且偏向于工程安全值。弯道超高法可以解决泥石流观测的局限性和泥石流发生的不可重复性。此方法简便易行,对泥石流防治工程具有一定的实用价值。     

明渠弯道水流平均运动规律试验研究

利用高频粒子图像测速PIV(Particle Image Velocimetry)系统对明渠弯道水流进行了测量,在两种不同试验方式的配合下,不仅提供了大量高精度的平面二维流场数据,还成功重构了弯道水流的三维平均流速场,为深入研究弯道水流复杂的时均流动结构提供了试验依据。试验结果表明,由于弯道曲率不连续,水流主流区在弯道入口位于凸岸附近,随后在离心力的作用下逐渐转移至凹岸,并一直维持至弯道出口;凹岸顶托及环流运动导致不同横向位置处的纵向流速剖面近床面区域速度梯度及最大流速的位置沿程发生改变;弯道曲率越大,最大水深平均纵向流速转移至靠近凹岸一侧的位置离弯道入口越远;受上游直段二次流的影响,环流运动在弯道入口断面呈三涡结构,随后快速衰减为双涡结构;弯道主环流的强度沿程先增加后减小,涡核位置沿程往复摆动。     

康定雅拉河无名沟崩滑坡面泥石流峰值流速流量的沿程变化特征

在分析崩滑坡面泥石流的基本特征和其峰值流速流量一般规律的基础上，以康定雅拉河无名沟1995年的百年一遇泥石流为研究示范，在了解该流域的基本特征，分析该次泥石流的形成，容重、颗粒组成等基本特性的基础上，用弯道超高的理论和用古乡沟泥石流建立的流速计算公式，计算测量断面的流速及泥石流峰值流速沿程变化，用形态调查法分析计算不同断面的泥石流流量，并分析其沿程变化，通过分析可知崩滑坡面泥石流峰值流速与流量在整个流通过程是逐步变化的，在靠近物源区，流量随着物源的加入逐步增加，而流速随着能量的消耗逐渐减少，在靠近堆积区由于坡降的减小，流速与流量呈减小的趋势，崩滑坡面泥石流峰值流速泥石流流速也有一个相对的匀速段，但这个匀速段的长度较短，崩滑坡面泥石流峰值流量过程的沿程变化曲线接近于正态分布，此类泥石流防治中的拦挡措施要注意充分利用其在坡降减小的过程中流速和流量迅速降低的特征，而其排导措施要注意到此类泥石流的高阻力特征，注意保证排导槽的足够坡度。     

北京市密云区典型泥石流侵蚀过程分析

泥石流运动过程伴随着剧烈的侵蚀,导致其洪峰流量增加、规模增大、破坏性增强。本文通过对2016年8月12日北京市密云区龙潭沟景区曹庄子沟泥石流为例,通过野外调查和地形扫描分析了该场泥石流的动力侵蚀过程。结果表明:激发该场泥石流的降雨重现期达到20年一遇,为典型短历时、高强度降雨;泥石流体中缺乏粘性颗粒,主要以砂粒为主,但容重达到粘性泥石流标准,为典型高容重、低粘度泥石流体。泥石流侵蚀作用一开始并不剧烈,但随着泥石流运动,这种侵蚀作用增强,导致沟道侵蚀深度增加;沟道中弯道处和地形急变段受到泥石流侵蚀作用最为剧烈,尤其是地形急变段对泥石流的侵蚀作用具有加强效应;侵蚀率与流速同步变化,并且与泥石流体所产生的剪切力呈正相关关系。林木能够降低泥石流流速,消耗泥石流动能,进而减小泥石流破坏性。由于天然条件下的泥石流侵蚀过程研究较少,本文中侵蚀率与地形变化的关系以及泥石流体剪切力的正相关关系为泥石流防治规划设计和该类泥石流的预测预报提供了案例和思路。     

基于无人机航测黄河源弯曲河道泥沙亏损量计算

弯曲河流的河道冲淤变化在长时间尺度处于动态的平衡状况,其泥沙输移部分来自于凹岸冲刷与凸岸淤积的差值。2018年采用无人机航测获取黄河源典型弯曲河流(麦曲、哈曲、格曲和兰木错曲)连续弯道的低空影像数据,通过图像技术处理后生成高精度地形,进而提取单个弯道和连续弯道的断面地形,计算弯道凸、凹两侧断面面积和相邻断面间的差值。结果表明,凹岸侵蚀崩岸产生的泥沙量与凸岸点边滩淤积的泥沙量是不平衡的,即存在一个泥沙亏损量。对于单个弯道,兰木错曲单位河长的泥沙亏损量约为0.191 m^3,麦曲、哈曲和格曲单位河长的泥沙亏损量约为0.045 m^3,且相同河段的沿程亏损量具有不均匀性,其间接反映不同弯道横向的迁移速率具有差异性。     

不同近岸河床组成情况下岸坡崩塌试验

在弯道水槽中开展6组试验,分别用非黏性土及黏性土填筑河床,研究相同水力作用下近岸河床组成对黏性岸坡崩塌的影响规律。研究发现,在试验给定的岸坡及河床组成情况下,非黏性河床凹冲凸淤且总体表现为淤积,近岸河床及凹岸岸坡冲刷强度大,凸岸附近床面上泥沙掺混较明显;黏性河床及凹岸岸坡均被冲刷,河床主流区冲刷强度比近岸河床及凹岸岸坡大。相较于黏性河床,非黏性河床近凹岸处较易冲刷,水流结构重新调整,凹岸坡脚处水流流速及紊动能可增至2倍左右,环流强度可增至11倍,加速了岸坡崩塌及崩塌体的分解输移;非黏性河床近凹岸坡脚处变形以及凹岸岸坡崩塌量均相对较大,岸坡崩塌强度为河床淤积强度的2~4倍,崩塌物质可充分补给河床的泥沙来源;经水力冲刷后非黏性河床组成情况下形成的河道滩槽高差相对较小,河道横断面相对宽浅。     

四川宁南县白鹤滩6·28泥石流特征分析

2012年6月28日四川省凉山州宁南县白鹤滩镇矮子沟发生特大泥石流灾害,泥石流冲毁白鹤滩镇的一家酒楼,造成40人死亡失踪。经过现场调查,沟道内丰富的物源物质以及6月27日晚的局地强降雨是本次泥石流灾害发生的主要原因,同时确定了本次泥石流具有物源区与流通区相叠加的特征。通过现场取样分析计算获得本次泥石流的容重为1.71g/cm3,属稀性泥石流;利用泥石流弯道超高计算公式反算获得本次泥石流的流速约为7.4m/s,并由此计算出泥石流的整体冲击力。由于目前沟内还存在有大量潜在物源,因此建议采用一定的拦挡工程,同时加强汛期排查值守,完善预警预报制度,以防止类似悲剧再次发生。     

西藏帕隆藏布泥石流沟谷纵剖面形态统计分析

沟谷纵剖面形态既表征暴雨泥石流发育的地貌条件，又与水动力相关，是影响泥石流发肓的重要因素。西藏帕隆藏布是典型的冰川泥石流区，其干流然乌至迫龙段右岸分布59条各类泥石流沟。统计分析表明，从帕隆藏布下游段向上游段，这些泥石流沟谷纵剖面形态有由下凹抛物线形向上凸抛物线形演变的趋势，形态指数N有由大变小之趋势，反映帕隆藏布河谷地貌演化溯源传递的进程。按特大型、一般性、潜在型泥石流沟的顺序，有纵剖面形态由凹至凸、N值由大至小的总体趋势，反映泥石流活动性与纵剖面形态的关系。冰雪融水型泥石流与雨水型泥石流相比，N值较小，纵剖面形态偏凸，表明了其特殊性。     

邓池沟泥石流某些特征值研究

邓池沟位于四川省宝兴县境内，在历史上曾发生过几次大规模的泥石流。为了合理地评价邓池沟泥石流对宝兴水电站闸坝的影响，文章在调研基础上，根据国内外有关研究成果，结合邓池沟泥石流的具体特征，对邓池沟不同位置选择了不同的计算公式与评价方法，计算了表征泥石流运动特征的流速、流量和冲击力。结果表明邓池沟再次爆发泥石流将具有较高的流速、较大的流量和冲击力，将会对宝兴水电站闸坝产生严重的危害。     

地震灾区特大型泥石流基本特征值计算与分析

泥石流特征值是泥石流防治工程的主要设计依据,其取值直接关系到防治方案确定、方案的经济合理性、技术可行性、安全可靠性等。本文在以北川某特大型泥石流为例,在前期地质调查基础上,对泥石流基本参数进行了详细计算,包括泥石流容重、流量、流速、整体冲击力、冲起高度、弯道超高等,该结果可为当地的泥石流防灾减灾以及预测预报工作提供一定的理论指导。     

长江江都嘶马段岸崩灾害的形成机理与防治对策

江岸稳定性取决于最大崩塌临界机制的驱动力和抵抗力的平衡,二者的平衡又受控于岸边坡形态、岩土组成、水流浪涌特征、植被覆盖等。崩岸是长江嘶马弯道床演变的一个重要方面。通过对嘶马弯道遥感解译图像资料进行对比分析,查清研究区江岸岸线特征及其变迁历程。为了揭示北岸崩塌产生的原因,通过野外踏勘、测量与钻探等技术方法查明该区地质基础条件,并基于实时动态定位技术(Real Time Kinematic,RTK)的水下测量数据建立典型剖面,分析凸岸和凹岸的水流运动特征及其对边岸的影响。从地质基础和水动力条件2个方面揭示嘶马段江岸坍塌形成机理,即具有上细下粗二元结构的边岸地层是岸崩形成的基础,丁坝回流和弯道螺旋流的掏蚀作用是岸崩形成的重要条件。并基于江岸稳定性现状及其发展趋势,提出相应的江岸整治措施。     

北川县樱桃沟泥石流地质特征与动力学参数分析

樱桃沟泥石流位于汶川"5·12"大地震震中北川县,是一条典型的沟谷型泥石流。本文在分析樱桃沟泥石流沟流域和泥石流基本特征的基础上,对形成泥石流的地形、水源、物源等基本条件进行了论述,并基于动力学原理,详细计算了泥石流的重质、流速、流量、冲出量等动力学参数。结构表明,樱桃沟泥石流的流体密度为1.686 t/m3,流速为6.06 m/s,大块石的运动速度为6.45 m/s,泥石流整体冲压力为35.56 kPa,泥石流的最大冲起高度0.72 m,爬高1.15 m,弯道超高0.41 m。笔者以期为正确设置泥石流防治工程提供理论依据。     

凹岸崩塌体对急弯河道水力特性的影响

二元结构河岸下部非黏性土层持续冲刷侵蚀,上部黏性土体崩塌并堆积于凹岸坡脚,改变弯道水流结构并影响河岸二次侵蚀过程。为探究崩塌体对急弯河道水力特性的影响,以荆江石首河段为背景,建立弯道三维水流数学模型,模拟不同崩塌体尺寸下的弯道水流结构,并对比分析壁面剪切力的变化规律。结果表明：(1)崩塌体堆积于凹岸坡脚驱离水流动力轴线,减小凹岸次环流强度并改变环流方向。(2)崩塌体对弯道不同区域壁面剪切力的影响不同,其中,床面及凸岸坡面的平均壁面剪切力增大;凹岸坡面平均壁面剪切力在崩塌体头部及上游区域减小,在崩塌体尾部区域增大。(3)崩塌体越大,剪切力变化幅度越大,剪切力相对变化幅度为崩塌体截面积变化幅度的2%～10%。研究成果可为河道整治及岸线规划利用提供技术支撑。     

小秦岭金矿区碾头岔矿渣型泥石流特征值计算

泥石流的运动参数是泥石流研究的主要内容和防治设计的重要基础。以矿渣型泥石流为对象,通过地形测量和工程地质测绘查明,碾头岔地形陡峻,沟道顺直,为泥石流的形成提供了有利的地形条件。通过钻探、坑槽探发现可能的物源包括矿渣、坡面松散层及小型沟岸滑塌体。工程力学分析表明,采矿废渣在自重状态下的稳定性系数为1.022~1.063,处于欠稳定和基本稳定之间;在自重+暴雨状态下,稳定性系数介于0.889~0.947之间,属于不稳定状态,是研究区内的主要物源。根据降雨量数据计算出碾头岔沟最大洪峰流量大于30m~3/s。在此水动力条件下,预测了泥石流发生时流体重度值为22.80k N/m~3,泥石流流速为5.11m/s;估算了20年、50年和100年一遇洪水的泥石流流量分别为4.31m~3/s、44.6m~3/s和95.5m3~/s,计算得到泥石流整体冲击力为58.34k Pa,超高2.13m,泥石流堆积区的最大危险范围0.21km~2,为小秦岭金矿区矿渣型泥石流防治工程方案的设计提供了基础参数。     

弯道取水口河冰运动特性及导冰筏优化设置

采用DynaRICE二维河冰模型模拟弯道及其取水口附近的水面冰运动和堆积过程,探讨弯道取水口导冰筏的优化设计。该模型耦合了水动力方程和冰动力方程,分别采用有限元法和光滑粒子流体动力学法对水动力方程和冰动力方程进行求解。模拟得到弯道取水口处水流水力特性、不同角度导冰筏下河冰运动规律及其受力情况。结果表明河冰靠弯道凹岸一侧运动,并在取水口附近及其下游堆积,横向环流对河冰运动影响可忽略,取水口上游设置角度和长度合理的导冰筏可有效阻止河冰进入引水渠。但是,下游也需设置导冰筏来防止河冰在取水口下游堆积及向上游延伸到取水口。     

非匀质泥石流运动特征与峰值流量关系研究

对非匀质泥石流运动变化特征进行预测评价是泥石流防治工程规划和预警预报系统建设的重要内容,也是目前泥石流领域亟需完善的重点问题。通过对泥石流泥位和流速实测资料整理和分析,构建了非匀质泥石流运动特征值预测模型,该模型在前人成果的基础上,利用较少因子就能够判别研究区泥石流运动变化特征,并以陇南地区礼县下胡杨沟泥石流为例,通过FLO-2D流体模型对50年一遇(2%频率)和20年一遇(5%频率)降水条件下泥石流运动特征进行模拟。结果表明泥石流容重为1. 83 t ·m-3时,下胡杨沟20年一遇的泥石流运动特征值最小且差异性不大;当泥石流容重为1. 97 t ·m-3时,下胡杨沟50年一遇的泥石流运动特征值最大且差异性悬殊;当不同规模泥石流流量达到峰值时均产生较大的泥位深度。进一步将泥石流运动特征值模拟结果与实测断面相结合检验分析,并反推已发生泥石流事件的峰值流量,与实际情况都具有较好的一致性,表明采用本文预测模型计算的结果具有一定的可靠性,可为泥石流防灾减灾和泥石流监测预警示范区建设提供参考。     

弯道取水口河冰运动特性及导冰筏优化设置

采用DynaRICE二维河冰模型模拟弯道及其取水口附近的水面冰运动和堆积过程,探讨弯道取水口导冰筏的优化设计。该模型耦合了水动力方程和冰动力方程,分别采用有限元法和光滑粒子流体动力学法对水动力方程和冰动力方程进行求解。模拟得到弯道取水口处水流水力特性、不同角度导冰筏下河冰运动规律及其受力情况。结果表明河冰靠弯道凹岸一侧运动,并在取水口附近及其下游堆积,横向环流对河冰运动影响可忽略,取水口上游设置角度和长度合理的导冰筏可有效阻止河冰进入引水渠。但是,下游也需设置导冰筏来防止河冰在取水口下游堆积及向上游延伸到取水口。     

舟曲“8．8”三眼峪特大泥石流特征值分析

在对甘肃省舟曲县“8．8”特大泥石流调查的基础上,分析计算了三眼峪泥石流的静力学和动力学特征值。三眼峪泥石流重度介于2．O～2．15t／m^3之间,属于黏性泥石流;支沟大眼峪和小眼峪坡降大,谷底窄,泥石流流速比主沟流速大,最大流速达9．2m／s,流通区积蓄能量巨大;主沟最大流量位于大眼峪沟与小眼峪沟交汇处（峪门口）,流量达1830m^3／s,一次最大冲出量为152×10^4m^3,泥石流规模为特大型;三眼峪沟泥石流冲压力最大为小眼峪沟沟口断面处,冲击力为245kPa;实测泥石流堆积扇中石块最大粒径为11．2m,计算三眼峪沟泥石流中石块最大运动速度达15．06m／s。特征值分析结果可为舟曲泥石流灾后重建过程中工程设计提供重要依据。     

洪水致弯曲河道挡墙稳定性衰变

天然河道蜿蜒曲折,河湾处环流助长紊动、引发凹岸淘蚀冲刷,导致沿河公路挡墙水毁频发。针对弯道水流运动规律,对洪水条件下弯道挡墙进行受力分析;基于挡墙稳定性分析力学模型,推导了弯曲河道挡墙稳定系数计算公式,给出挡墙基底极限冲深计算方程。通过算例验证了在河湾平缓条件下弯道洪水冲击计算的合理性,并对挡墙稳定性衰减影响因素进行分析。结果表明：洪水上涨时,在墙底未发生冲刷条件下,随着弯道处洪水对挡墙的冲击荷载增大,挡墙稳定性提高;在墙底发生冲刷条件下,挡墙稳定性降低,墙底淘蚀可能导致挡墙倾覆失稳。洪水陡落时,挡墙稳定性随挡墙前后水位差增大而降低,挡墙的抗滑稳定系数衰减速度比抗倾覆稳定系数衰减速度更快,挡墙滑移失稳可能性较大。得出的挡墙稳定系数计算方法的结果与现场情况基本吻合,可为类似沿河挡墙的设计与研究提供理论参考。