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.docxVIP

1、第17卷第3期2006年9月中国地质灾害与防治学报TheChineseJournalofGeologicalHazardandControlVol.17No.3Sep.2006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丁明涛口，陈宁生I,韦方强|,齐云龙'（1.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川成都610041；2,中国科学院研究生院，北京100039）摘要：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，为公路的改我工程提供设计依据。经过实地调查,用此方法计算号子沟2005年

2、8月17B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。育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。关键词：弯道超高；泥石流；流速；四川省汶川县磨子沟文章编号：1003-8035（2006）03-0147-03中图分类号：P642.23;U412.2文献标识码：A1引言泥石流流速是泥石流流量、泥石流冲击力计算的基础。同时也是泥石流冲、淤变化的基本参数和泥石流防治工程设计必不可少的参数。对于观测设施齐全的泥石流沟，直接进行人工观测或采用仪器设备进行泥石流流速的测定是科

3、学准确的。然而由于泥石流往往发生在偏远的山区，受泥石流研究和观测水平以及当地经济条件的限制，我国大多数泥石流沟并没有安装任何观测仪器和设备。因此，常采用间接方法推算泥石流流速成为一条重要的途径。在泥石流运动过程中，弯道超高是一种十分普遍的现象。国内学者对弯道超高已有一定的研究。何杰等对粘性泥石流的弯道超高进行了研究，并以滇东北蒋家沟支沟一大凹子沟为研究对象。以1994年6月16日的一场泥石流的弯道超高测量分析为例进行验证，获较好效果；游勇对泥石流现象造成的弯道超高进行了研究，指出泥石流弯道超高理论计算值与实测值之间有一定的偏差。其主要原因是由于各个流速计算公式本身存在较大偏差。本文选取317国

4、道的四川汶川县磨子沟作为试验对象，针对2005年8月17日发生的一次泥石流，进行流速计算。并采用其它流速计算公式进行比较。2泥石流弯道超高法简介在泥石流运动过程中，弯道超高是十分普遍的现象。它是泥石流在弯道运动时，由于凹岸的流速较凸岸大，导致凹岸的泥深较凸岸深，结果形成一种超高现象。弯道超高的数值是泥石流防治工程和相关的道路桥梁工程设计需要的参数之一。2.1日本超高计算公式日本学者水山高久（1981）,提出了弯道超高的计算公式，具有一定的实用价值：式中，弯道超高.即弯道外侧泥深与弯道内侧泥深的差值（m）。泥石流具有直进性。其超高泥深值大于水深值。根据日本建设省的实验和野外调查资料，取泥深值为清

5、水水深值的2倍；Bc河床泥石流表面宽度（m）;R河流中线的曲率半径；Ut泥石流在接近弯道处的流速。如果已知某泥石流沟的相关参数，就可以利用其弯道超商计算公式（1）反推该沟泥石流发生时的峰值流速。在实际情况下，泥石流河道的宽度一般都很小。可以采用两岸角速度相等的计算公式。如果泥石流河道宽度大于30m,则应该采取凹岸、凸岸角速度不相等的计算公式。本文仅讨论角速度相等时的流速收携日期:200604-11；修回日期:2006-04-19作者简介：丁明涛（1981），男（汉），山东日照人，硕士研究生，主要从事泥石流灾害预测预报的学习和研究。中国地质灾害与防治学报ZHONGGUODIZHIZAIHAIYU

6、FANGZHIXUEBA0计算公式，并加以实例应用。2.2弯道凹岸、凸库角速度相等的流速计算传统算法对于角速度相等的泥石流体的计算，是建立在已知凹、凸岸速度的基础上。利用弯道流速与半径的关系：上三1%凹岸的泥石流流速较凸岸的大，产生的动能差和弯道超高的势能差相等，建立一个等式：2fAh=V：-吐（3）由于流速的分布是直线的，所以平均流速可以表述为最大流速与最小流速的平均值。因此由以上（2）.（3）式联立可得：p=（扣g红q）+（4）式中a,是弯道凹岸的内径；a?为弯道凸岸的外径（图1,2）。图2弯道超高剖面图Fig.2ProfileofSuperelevationinbendmethod3实例

7、应用磨子沟位于317国道线里程K4+350处，地理坐标N31°3r（X）E103。33'06"。位于汶川县城以西5km处。公路线从该泥石流堆积扇前缘通过，泥石流沟与公路成正交。3.1磨子沟流域特征磨子沟流域面积3.8km2，主沟长3.4km,主沟沟床平均纵比降438知；沟口海拔1378m,流域最高海拔2880m,相对高差1502m。沟道形态呈V型，磨子沟流域形态为漏斗状（图3）。经实地勘测，该沟泥石流堆积扇的沟床宽度多变化于510m,沟床流通性能较好。磨于沟坡降较大，径流的侵蚀作用较强，径流的侵蚀结果使坡面的残坡积物失稳而产生滑崩。这些特征也同时决定了在暴雨情况下，

8、降水与泥石流活动的特殊表现。Fig.3SketchmapoftheMoziValleycatchment1海拔高程度；2沟道河液；3-公路（C317）；4-弯道断面测关3.2流速计算磨子沟于2005年8月17日发生的泥石流在弯道上留下明显的泥痕。而且当地的居民对泥石流沟床和泥石流的泥深记忆犹新。2005年10月26日，我们进行实地勘查，并测量该泥石流沟的相关参数（图4）o获得的第一手试验资料，可为下一步的流速计算提供依据。根据上文弯道超高法的介绍，可以对断面弯道孤的弦长L,弦切角a,沟床宽度，两岸泥石流泥痕的高度和超高及泥石流沟道断面面积进行测量。测量数值见表1。由于磨子沟河道的宽度在510m

9、（D<30m）之间，因此可以采用角速度相等的计算公式。由弯道超高法角速度相等公式计算可得，此次泥石流的平均流速（V。）为4.4m/s,而且此次泥石流的平均流量为68.2m，/s。第3期丁明涛，等：弯道超尚法在泥石流流速计算中的应用以四川省汶川HG317国道磨于沟泥石流为例149图4弯道超高图示Fig.4SketchmapofSuperelevationinbend图4弯道超高图示Fig.4SketchmapofSuperelevationinbend«c剖面图B-B»1弯itt断面基本参敷测值与流速计H值TaMe1Measuredvaluesofbasicparame

10、tersandcaluclatedvaluesofflowvelocity参数弯道弦长L（m）弦切角aC）沟床坡度O断面面积（m2）超高AfZ(m)内径at(m)外径*（m）(m/»)Vi(m/»)平均流速Vo（m/s）平均流量故值12.5281815.50.510.34.468.23.3结果比较在野外取得土样，最近一次泥石流重度大约为1.5g/cm判定该次泥石流为稀性。现采用稀性泥石流流速计算公式：Vc=（竺）x旺x/t,nQ式中：K泥石流断面平均流速（m/s）;Mr泥石流沟糙率系数,从相关图表中查取；/c泥石流水力坡度，一般可用河床纵坡代替；R断面的

11、水力半径，从实测断面中分析；a阻力系数，可以查表计算获得c根据公式（5）,相关参数的取值依据现场取得的数据获得，将其代入公式（5）,可得该次泥石流的流速值（表2）。表2相关套败值与流速计算值Table2Interrelatedparametervalueandcalculatedflowvelocityvalue参数河床纵城（/,）沟道偷率系数（虬）阻力系数（a）水力半径（R）流速（yf）散值0.446.01.281.463.6由以上公式算得流速（K）与由弯道超高法算得流速（峋）相差18%。但V。值偏大，偏向于工程安全值。建议公路改建时宜采用由弯道超商法算得的流速值。进行工程设计，以确保公路安

12、全运行。4结论与讨论4.1采用弯道超高法计算泥石流的流速具有一定的实际可行性，特别是对于那些特征（如弯道特征、发生泥石流后的泥痕）比较明显的泥石流沟。4.2弯道超高法不必区分稀性还是粘性泥石流，就可以直接进行计算。4.3弯道超高法存在一定的局限性（公式适用的范围是该沟弯道比较明显、泥痕清楚等，如磨子沟泥石流）；弯道超高法与其他方法计算的流速有一定的偏差。4.4今后，应从以F两方面做进一步探讨：4.4.1沟道的冲、淤问题。难点在于由冲刷造成的泥痕与由于淤积而形成的泥痕很难区分。4.4.2需进一步分析研究由弯道超高值算得的流速与实测流速之间的偏差。致谢本文使用的磨子沟泥石流资料数据，来源于中国科学

13、院成都山地灾害与环境研究所岩土力学专业实验室。对其全体同仁的支持和帮助表示衷心的感谢！参考文献：1 何杰，陈宁生.粘性泥石流夸道超高在流速计算中的应用J.成都理工学院学报，2001,10（4）:425-428.2 游勇.呢石流弯道超商浅析J.四川水利,1994.（1）：18-20.3 中国科学院-水利部成都山地灾害与环境研究所.中国泥石流M.北京：商务印书馆，2000.167-168.（下转第164页）中国地质灾害与防治学报ZHONGCUODIZHIZAIHAIYUFANGZHIXUEBAO泥石流的形成。因此小江断裂对该区泥石流的分布起到r区域控制作用，滑坡沿断裂破碎带往往成群成带分布；沿断裂

14、带发育的各种软弱结构面（如断层面、岩层面、节理面、片理面及不整合面等）控制了沟谷发育方向、滑动面空间展布及滑坡范围。如常见的顺层滑坡的滑动面绝大部分是由岩层层面或泥化夹层等软弱结构面构成的;地质构造集中发育区域，尤其是活动断裂影响区.一般是高地球应力分布的区域，该区域内高应力作用使得岩石块体不稳定，有利于滑坡、崩塌、泥石流及地震的产生，其中地震地质灾害尤为频繁且破坏性大，造成的损失巨大C3结论3.1活动断裂带往往标志其为区域性的现代地壳活动带。它集中了现代地尧应力（区域构造应力场）作用，破坏山体稳定，降低强度，其地壳稳定性极差，易形成地震带.并且往往形成地表地质灾害的集中分布带。3.2活动断裂

15、带构造变形复杂存在各种软弱结构面，岩体破碎，岩性软弱，稳定条件差，为滑坡、崩塌等地质灾害的发生提供了基本的条件；也为泥石流提供了丰富的物质来源。3.3活动断裂带，不论其出露于地表抑或隐伏于地下，都是现代地充的差异活动带，地壳差异运动塑造了形态和景观迥异的三种基本地貌单元类型：巨型断块降升山区、差异活动断块山区以及断块沉降盆地、断陷谷地，这种趋异活动为现代一切地表物理地质作用提供了必需的基本条件。此外，截然不同的地貌单元之间，明显地是以活动断裂（带）为界，并且与活动构造分区界线大体一致，在分界地带地壳表层的稳定条件差.地质灾害频繁,3.4鉴于昆明市地质灾害的形成与分布主要受活动断裂的控制，为此其

16、防灾减灾应以活动断裂附近区域为主，搬迁活动断裂附近的居民，不能搬迁的居民，政府应投入资金进行地质灾害的工程治理.体现以人为本的思想，尽最大努力保障人民生命财产的安全。参考文献：1许学汉.活动断裂与地质灾害J.水文地质工程地质，1990,（4）:26-28.2云南省地质矿产局.云南省区域地质志M.1987.3宋方敏，汪一聒，等.小江活动断裂带M.北京：地震出版社,1998.4云南地震工程研究院.高晚-海口一级公路重点工程场地地震安全性评价报告R,2OO3.5张阿根，刘毅，龚士良.国际地面沉降研究壕述JJ.上海地质.2000,（4）:1-7.(上接第149页)Applicationofsuper-

17、elevation-in-bendmethodincurrentvelocitycalculationofdebrisflowAcasestudyofMoziValleydebrisflowatHighwayG317,Wenchuan,SichuanDINGMing-tao1'2,CHENNing-sheng*,WEIFang-qiang1,QIYun-long1(1.InstituteofMountainHazardandEnvironment,ChineseAcademyofSciences.Chengdu610041China:2.GraduatedSchoolofChinese

18、AcademyofSciences,Beijing100039,China)Abstract:Thesupper-elevation-in-bendmethodisamodeltocalculatethecurrentvelocityofdebrisflow.Inthisarticle,theMoziValley,locatingalongtheWenchuan-MaerkangHighway,ischosenasexperimentalarea.Firstthesupperelevation-in-bendmethodtocalculateitscurrentvelocityofdebrisflowisintroducedinonlertomodeltheaveragefluxandtoofferthebasisf