泥石流动力特征计算.doc

3.3.2 泥石流的力学特征 (1)容重 泥石流静力学特征主要指泥石流体或浆体的容重、含水量、物质组成、流变特征、化学性 质及其静力特征等在一般地区出于泥石流的突发性、冲击力大等条件所限，难以直接测 得天然泥石流容重一般采用现场调查试验法进行泥石流容重的测定，即在现场请当地亲 眼看见泥石流暴发的居民多人，在需要测试的沟段，选取有代表性的堆积物搅拌成暴发时 泥石流流体状态，进行样品鉴定，然后分别测出样品的总质量和总体积，求出泥石流流体 容重在无法取得代表性样品时，根据《规范》中泥石流沟易发程度数量化评分标准，对 某泥石流沟进行泥石流沟易发程度数量化评分（详见表 4-3） ，按照《规范》中附表“数量 化评分（N）与重度、 （1＋Φ）关系” ，可以得到泥石流的容重本报告采用后一种方法， 查表得到泥石流的容重为 1.68t/m3 (2)泥石流流速 泥石流的流量是泥石流重要的特征值之一它不仅反映了泥石流的强度，规模和流体性质， 而且决定着防治泥石流工程建筑物的类型、结构和尺寸因此，泥石流的洪峰流量是泥石 流研究和防治工程中不可缺少的参数 流速 VC 按照铁道部推荐的稀性泥石流的计算公式进行计算:5 . 03211cCIRnaV式中： a1——泥石流中含沙量变化引起的流速修正系数，5 . 0111 Ha；R——水力半径(m)，2.5m； IC——泥石流水力坡度（‰） ，用沟床纵坡代替；n1——清水河床糙率系数；——泥石流泥沙修正系数， cHc   ；c——泥石流容重（t/m3） ，为 1.68t/m3；w——清水容重（t/m3） ，1.0t/m3；H——泥石流中固体物质重度（t/m3） 。

根据以上计算公式，泥石流的平均流速为 8.28m/s (3)泥石流流量 泥石流流量计算，目前主要有两种方法，一是雨洪法；二是形态调查法 ①雨洪法 假设泥石流与暴雨同频率、且同步发生，先按水文方法计算出断面不同频率下的小流域暴 雨洪峰流量 (计算方法查阅四川省水文手册)，然后选用堵塞系数，按下式计算泥石流流量：cpcD 1式中： cQ——频率为 P 的泥石流洪峰值流量（m3/s） ；pQ——频率为 P 的暴雨洪水设计流量（m3/s） ； ——泥石流泥沙修正系数，查《规范》附表，值为 0.71；c——泥石流容重（t/m3） ，为 1.68t/m3；w——清水的重度（t/m3） ，为 1.0；H——泥石流中固体物质重度；DC ——泥石流堵塞系数（见表 3-8） ，可查经验表为 1.5 表 3-8 泥石流阵流堵塞系数 DC 值表堵塞程度严重堵塞中等严重堵塞轻微堵塞无堵塞Dc 值>2.52.5～1.51.5～1.11.0按照雨洪法，利用泥石流流量公式计算所得的泥石流最大流量如下表（表 3-9）所示： 表 3-9 雨洪法计算最大流量沟名 项目某泥石流沟流域面积 F (km2)35沟长 L(km)11.25平均坡降 J(‰)222泥沙修正系数0.71设计频率 p(%)25暴雨洪峰流量 QP(m3/s)87.49 72.54泥石流峰值流量 Qc（m3/s）224.43186.06②形态调查法 在泥石流沟道中选择 2-3 个测流断面，仔细查找泥石流过境后留下的痕迹，然后测量这些 断面上的泥石流流面比降（若不能由泥痕确定，则用沟床比降代替） 、泥位高度 Hc（或水 力半径）和泥石流过流断面面积等参数。

用相应的泥石流流速计算公式，求出平均流速 Vc 后，即用下式求泥石流断面峰值流量 Qc：CCCQWV式中： Qc——泥石流断面峰值流量（m3/s） ；Wc——泥石流过流断面面积（m2） ，取流通区平均沟道宽 8 m，水力半径为 2.5 m，过流断 面面积为 20 m2；Vc——泥石流断面平均流速（m/s） ，为 8.28m/s 用上式计算的泥石流断面峰值流量 Qc 为 165.66 m3/s (4)一次泥石流过程总量计算 一次泥石流总量 Q 可通过计算法和实测法确定实测法精度高，但因往往不具备测量条件， 只是一个粗略的概算计算法根据泥石流历时 T（s）和最大流量 Qc（m3/s） ，按泥石流暴 涨暴落的特点，将其过程线概化成五角形，按下式计算 Q（m3） ，泥石流历时 T 取 1200 s： Q = 0.264TQc=KTQc 一次泥石流冲出的固体物质总量 QH（m3）：  wHwc H 根据该公式，在计算频率为 20 年一遇的情况下，某泥石流沟一次泥石流冲出的最大固体物 质总量为 41850m3；在计算频率为 50 年一遇的情况下，一次泥石流冲出的最大固体物质总 量为 50480m3。

(5)泥石流整体冲压力 泥石流冲击力是泥石流防治工程设计的重要参数 采用规范推荐的泥石流体整体冲压力计算公式：gaVccsin2式中： ——泥石流整体冲压力；c——泥石流容重，1.68t/m3；cV——泥石流流速，8.28m/s； a——建筑物受力面与泥石流冲击压力方向的夹角，取 90o；G——重力加速度；λ——建筑物形状系数，圆形建筑物取 1.0，矩形建筑物取 1.33，方形建筑物取 1.47本次 建筑物主要以矩形为主，λ 取 1.33 通过该公式的计算，泥石流的整体冲压力约 15.64×104Pa (6)泥石流体中大石块的最大流速 按照规范，用以下经验公式计算：5 . 0maxdaVs式中： Vs——泥石流中大石块的移动速度（m/s） ； α——全面考虑摩擦系数、泥石流容重、石块比重、石块形状系数、沟床比降等因素的参 数3.5≤α≤4.5，平均 α=4.0；dmax——泥石流堆积物中最大石块粒径（m） ，为 2.5m 通过计算，泥石流大石块的最大速度为 6.32m/s (7)泥石流中石块冲击力 泥石流中石块冲击力的计算参照以下公式（吴积善， 《泥石流及其综合治理》1993）：12γsinαdCQPVCCg gg式中： Pd——为泥石流中石块的冲击力（Pa） ； γ——动能折减系数，对于圆端正面撞击，采用 γ=0.3；Vc——泥石流平均流速（m/s） ，为 8.28m/s； Q——石块质量（kg） ，按最大粒径 2.5m 来算； ——受力面与泥石流冲击力方向的夹角，取 90°； C1、C2——巨石及拦挡圬工的弹性变形系数，C1+C2=0.005。

根据该公式，泥石流中石块的冲击力为 14.35Kpa (8)泥石流最大冲起高度与爬高 泥石流最大冲起高度H根据规范推荐公式为：gVHc 22 由于泥石流在爬高过程中受到沟床阻力的影响其爬高H为：gV gbVHcc22 8 . 02式中：b——为迎面坡的函数 通过计算，泥石流的最大冲起高度为 3.5m，爬高为 2.8m 根据以上的计算，将泥石流各动力参数的计算结果汇总于表 3-11 表 3-11 泥石流动力学参数计算结果参数结果参数结果泥石流平均流速 （m/s）8.28泥石流断面设计流量（形态调查法） (m3/s)229.46大石块运动速度 (m/s)6.3220 年一遇清水洪峰流量（雨洪法） （m3/s）72.54容重 （t/m3）1.6820 年一遇泥石流洪峰流量（雨洪法）（m3/s）186.06泥石流中石块冲 击力（Kpa）14.3520 年一遇一次泥石流可能最大冲出 量（雨洪法） （m3）41850泥石流整体冲压 力（Pa）15.64×10450 年一遇清水洪峰流量（雨洪法） （m3/s）87.49爬高（m）2.850 年一遇泥石流洪峰流量（雨洪法）（m3/s）224.43最大冲起高度 （m）3.550 年一遇一次泥石流可能最大冲出 量（雨洪法） （m3）50480(3)、泥石流动力学参数计算A、流速计算：据勘查所得泥石流流体水力半径、纵坡、沟床糙率及重度等参数计算；也 可按泥石流的性质和所在地域，选择适合的地区性经验公式计算。

泥石流流速是决定泥石流动力学性质的最重要参数之一目前泥石流流速计算公式为半经 验或经验公式，概括起来一般分为稀性泥石流流速计算公式、粘性泥石流计算公式和根据 泥石流中大石块运动速度推算泥石流流速等三种办法 a、 稀性泥石流流速计算公式VC =1/a·n1R32 ·IC21…………………………………(2—2—1)式中： VC —— 泥石流断面平均流速（m／s） ； 1/a =1 / (γH ·Φ＋1)1/2 -----泥石流中由含沙量变化而引起的流速修正系数， 查表 2—3--1…R —— 水力半径（m） ，一般可用平均水深 H（m）代替； IC —— 泥石流水力坡度（‰） ，一般可用沟床纵坡代替n1—— 清水河床糙率系数，查当地水文手册或查铁路桥渡勘测设计规范（TBJ17--86） 表 2—2--1； 泥石流河道河床清水糙率表河段特征河床物质组成及形态沟岸状况1 / n砂、土质河床，河底平 顺，沟床纵坡 120崩、坡积物或岩质沟岸，沟岸山坡 坡度 >320 ，坍塌很发育，有明显 堵塞痕迹≤25（15～35）人工堤防强制弯曲者35（30～40）砂、园砾石河床，边滩 沙州犬牙交错有矾石或丁坝挑流者30（25～35）参差不齐的卵石、园石河岸，或长 中密灌丛的河岸25（20～30）卵石、园石河床，河底 起不平，或长有水生植 物的沟床。

参差不齐的岩岸，或长灌木丛生的河岸20（15～25）参差不齐的岩岸，或长灌木丛生的 河岸15（12～20）山区峡谷 河段、弯 曲河段、 阻塞的复 式断面河 段卵石、块石、大漂石河 床，石梁、跌水、孤石 交错、或水生植物稠密， 阻水严重的沟床 0两岸时有岩咀突出，很不平顺，形 成强烈斜流、回水、死水的河岸12（10～15）b、粘性泥石流流速计算公式21 321cc ccIHnVcn——粘性泥石流的河床糙率，用内插法由表 2—2—2 查得表 2—2—2 粘性泥石流河床糙率cn糙率值序号 泥石流体特征沟床状况cncn11流体呈整体运动；石块粒径大小 悬殊，一般在 30～50cm，2～5m 粒径的石块约占 20％；龙头由大 石块组成，在弯道或河床展宽处 易停积，后续流可超越而过，龙 头流速小于龙身流速、堆积呈垄 岗状河床极粗糙，沟内有巨石和 挟带的树木堆积，多弯道和 大跌水，沟内不能通行，人 迹罕见，沟床流通段纵坡在100‰～150‰，阻力特征属 高阻型平均值 0.270cH100 (km2 )时： K = 0.0.0252；泥石流体中的固体物质流量 QH（m3）： QH＝ Q（γC -γW）/（γH –γW）…………………………………(2—2—7) C、 冲击力计算：可用附录 I 中公式计算泥石流整体冲击力、泥石流中大石块冲击力。

泥 石流中大石块冲击力的计算方法较多，计算结果可信度较低 a) 泥石流体整体冲击压力计算公式 F ＝( Υ·γc /g · Vc2 · sinα) · λ ………（2—2—8） 式中：F——泥石流体整体冲击压力（Pa） ； g——重力加速度（m／s2） ，取 g＝9.8m／s2； α——建筑物受力面与泥石流冲击力方向的夹角（°） ； λ——建筑物形状系数： 圆形建筑物 λ＝1.0，矩形建筑物 λ＝1.33， 方形建筑物：λ＝1.47D、 弯道超高与冲高计算：泥石流流动在弯曲沟道外侧产生的超高值和泥石流正面遇阻的 冲起高度 a)、泥石流的弯道超高 由于泥石流流速快，惯性大，故在弯道凹岸处有比水流更加显著的弯道超高现象 根据弯道泥面横比降动力平衡条件，推导出计算弯道超高的公式：122 lg3 . 2RR gVhc ……………………………………….（2—2—9）式中：Δh —— 弯道超高（m） ； R2 —— 凹岸曲率半径（m） ； R1 —— 凸岸曲率半径（m） ；b)、泥石流最。