基于流速的泥石流侧壁剪切力测算方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术公开基于流速的泥石流侧侧壁剪切侵蚀力测算方法与测量系统及、应用。针对现有技术缺少泥石流侧壁侵蚀能力测算方法，本方法从颗粒流力学出发，公开一种泥石流侧壁剪切力测算方法。方法基于包括泥石流沟道与泥石流流态在内的现场调查数据，利用数学模型计算完成。本发明专利技术还提泥石流侧壁剪切力测量系统、泥石流监测预警系统，以及各类应用技术方案。本发明专利技术测算方法科学性高，且易于在各类泥石流防治技术方案中应用，或者扩展为相应的泥石流防治技术方案；本发明专利技术亦解决了现有技术未能解决的技术问题，并丰富了现有泥石流颗粒流模型内容。容。

【技术实现步骤摘要】
基于流速的泥石流侧壁剪切力测算方法、系统及应用


[0001]本专利技术涉及一种泥石流流变特性与运动破坏特征测量方法，特别是涉及一种泥石流对沟道侧壁的剪切力测算方法，以及该方法实现的测量系统、监测预警系统以及应用，属于地质灾害防治工程
、流体运动力测量


技术介绍

[0002]泥石流是一类破坏性极为强烈的地质灾害。泥石流破坏性强烈的一个重要原因在于，泥石流形成起动后在沟道内前进运动过程中，会对沟床及沟岸内壁产生剧烈的侵蚀破坏能力，使沿程土石不断崩塌散落并被裹挟汇入泥石流体，不断增大泥石流发生规模与破坏程度，成为泥石流现场破坏力循环升级。同时，泥石流的侵蚀破坏能力一方面使沟道及两岸土石稳定性降低，在将来的强降雨中更易形成泥石流；另一方面使沟道逐渐加深加宽，造成两岸地表土体支离破坏，生态难以恢复。泥石流的侵蚀特征及侵蚀效应问题是泥石流动力学过程研究的基础性问题，在泥石流的防治技术、灾害评估中具有重要的指导与参考意义。
[0003]泥石流侵蚀特征研究的核心问题是对泥石流侵蚀力的测算。现有技术公开的泥石流侵蚀力测算主要集中在泥石流沟道底床侵蚀力测算，其原因部分地在于对沟床侵蚀力的测算可以在一定程度上从河流动力学中的起动拖曳力等问题中得到启示。而涉及到泥石流侧壁剪切力测算时，作为固液两相非均质流体的泥石流的侧向侵蚀动力特征远比单相均质水流的侧向侵蚀特征复杂，因而需要与水动力学完全不同的研究思路。现有技术对泥石流侧壁剪切特征的研究集中于侵蚀量、侵蚀速率等指标问题，如“泥石流沟岸堆积体侧蚀破坏过程实验和模拟研究”(严华，2020年09月)公开了泥石流侧向侵蚀速率的距离量化方法，尚未涉及侵蚀动力学核心问题的侵蚀力测算方案。
[0004]泥石流是特殊的液固两相流，可视为颗粒流的一种类型，即视为大量散粒材料的剪切流动。在泥石流颗粒流模型中，泥石流侵蚀破坏能力的主要指标便是泥石流运动过程中对沟道的剪切力。泥石流运动剪切力主要包括床面/底床剪切力与侧壁剪切力，前者指泥石流运动颗粒对沟道床底面的剪切力，后者指对沟岸内侧壁的剪切力。由此，泥石流的侧壁剪切力问题，可以转化为泥石流颗粒流模型中的侧壁剪切力问题。然而，现有技术对泥石流侧壁剪切力的研究尚处于理论分析与仪器测量阶段，未公开过测算泥石流侧壁剪切力的技术方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种泥石流对沟道侧壁剪切力测算方法，以及该方法的应用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术首先提供泥石流侧壁剪切测算方法，技术方案如下：
[0007]一种泥石流侧壁剪切力测算方法，其特征在于：现场调查获取基本数据，再依式1计算泥石流侧壁剪切力τ，
[0008][0009]式1中，τ—泥石流侧壁剪切力，Pa，
[0010]γ—泥石流容重，N/m3，基本数据确定，
[0011]h—泥石流流深，m，基本数据确定，
[0012]b—泥石流流宽，m，基本数据确定，
[0013]J—沟道坡降，％，基本数据确定，
[0014]v—泥石流表面平均流速，m/s，基本数据确定。
[0015]上述泥石流侧壁剪切力测算方法基于泥石流沟道相关基本数据计算泥石流侧壁剪切力τ。该计算方法是在构建泥石流沟道横断面运动力学分析函数模型的前提下，搭建室内实验系统，利用试验数据解算关键变量参数而得到。
[0016]本专利技术上述泥石流侧壁剪切力测算方法测算出的泥石流侧壁剪切力能够用于评估泥石流致灾程度、泥石流灾性演变速度与剧烈程度。故本专利技术提供如下相应的应用类技术方案。
[0017]上述泥石流侧壁剪切力测算方法在泥石流监测预警中的应用。
[0018]上述泥石流侧壁剪切力测算方法在泥石流致灾程度评估中的应用。
[0019]由于本专利技术上述泥石流侧壁剪切力测算方法是基于泥石流沟道现场数据实现，因而可以作为泥石流侧壁剪切力测量系统的核心技术。本专利技术同时提供如下的泥石流侧壁剪切力测量系统技术方案。
[0020]一种利用上述泥石流侧壁剪切力测算方法实现的泥石流侧壁剪切力测量系统，其特征在于：确定泥石流沟道测量断面，在测量断面布置测量设备并与上位机/计算中心信号连接；现场调查获取沟道基本数据输入所述上位机/计算中心，测量设备获取泥石流流态数据输入所述上位机/计算中心，上位机/计算中心依式1计算泥石流侧壁剪切力τ。
[0021]上述泥石流侧壁剪切力测量系统中，沟道基本数据与泥石流流态数据的划分可依据现场条件划分。一般地，沟道坡降J属于沟道基本数据；泥石流表面平均流速v、泥石流流深h、泥石流流宽b属于泥石流流态数据，凭常规监测设备可实时监测采集；泥石流容重γ需借助图像监测设备方能实现实时监测采集。
[0022]上述泥石流侧壁剪切力测量系统进一步地，也可以是一种泥石流水槽实验系统。通过将泥石流侧壁剪切力测算方法配置到现有泥石流水槽实验系统的上位机或计算中心，能够扩展现有泥石流水槽实验系统的功能。
[0023]由于泥石流侧壁剪切力实际表征运动中泥石流对沟岸侧壁的侵蚀破坏能力，因而泥石流侧壁剪切力测算结果能够用于评估泥石流沟岸土体面临的崩塌毁坏压力，能够作为泥石流危险程度的科学表征手段，因而本专利技术同时提供测量系统的如下技术方案。
[0024]上述泥石流侧壁剪切力测量系统在泥石流监测预警中的应用。
[0025]利用上述泥石流侧壁剪切力测量系统实现的泥石流监测预警系统。
[0026]上述泥石流侧壁剪切力测量系统在泥石流监测预警中的应用技术方案可以是，现场调查获取基本数据，根据基本数据测算监测断面处沟岸土体抗侵蚀力强度，将土体抗侵蚀强度与实时泥石流侧壁剪切力τ关系条件设置为泥石流监测预警系统监测条件，根据泥石流侧壁剪切力τ实时值是否满足监测条件确定泥石流监测预警结果。
[0027]本专利技术技术方案所称现场调查，包括了针对技术方案实施所在泥石流沟道现场的各种地质勘察\测绘、测量、模拟实验测试，以及历史灾害记录获取，以及有参照借鉴作用的经验数据获取等。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)针对现有技术缺少泥石流侧壁侵蚀能力测算方案，本方法从颗粒流力学原理出发，将该问题转化为泥石流侧壁剪切力测算问题，具体提供一种泥石流侧壁剪切力测算方法。解决了泥石流侵蚀动力特征研究的基础性核心问题，且是现有技术未能解决的技术问题。(2)本专利技术泥石流侧壁剪切力测算方法基于包括泥石流沟道与泥石流流态在内的现场调查数据，利用数学模型计算完成，科学性高，且易于在各类泥石流防治技术方案中应用，或者扩展为相应的泥石流防治技术方案。(3)提供了利用泥石流侧壁剪切力测算方法实现的多项产品或方法类技术方案，包括泥石流侧壁剪切力测量系统、泥石流监测预警系统，以及各测算方法技术方案的应用方案。(4)丰富了现有泥石流颗粒流模型内容。
具体实施方式
[0029]下面对本专利技术的优选实施例作进一步的描述。
[0030]实施例一
[0031]在搭建泥石流侧壁剪切力水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.泥石流侧壁剪切力测算方法，其特征在于：现场调查获取基本数据，再依式1计算泥石流侧壁剪切力τ，式1中，τ—泥石流侧壁剪切力，Pa，γ—泥石流容重，N/m3，基本数据确定，h—泥石流流深，m，基本数据确定，b—泥石流流宽，m，基本数据确定，J—沟道坡降，％，基本数据确定，v—泥石流表面平均流速，m/s，基本数据确定。2.权利要求1所述泥石流侧壁剪切力测算方法在泥石流监测预警中的应用，或者在泥石流致灾程度评估中的应用。3.利用权利要求1所述泥石流侧壁剪切力测算方法实现的泥石流侧壁剪切力测量系统，其特征在于：确定泥石流沟道测量断面，在测量断面布置测量设备并与上位机/计算中心信号连接；现场调查获取沟道基本数据输入所述上位机/计算中心，测量设备获取泥石流流态数据输入所述上位机/计算中心，上位机/计算中心依式1计算泥石流侧壁剪切力τ。4.根据权利要求3所述泥石流侧壁剪切力测量系统，其特征在于：所述沟道基本数据包括沟道坡降J数据，所述泥石流流态数据包括泥石流流深h、泥石流流宽b、泥石流表面平均流速v、泥石流...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾成，严炎，熊广林，刘定竺，王学林，严瑾，
申请(专利权)人：中铁二院工程集团有限责任公司中国国家铁路集团有限公司，
类型：发明
国别省市：