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1、10申请公布号CN102116014A43申请公布日20110706CN102116014ACN102116014A21申请号201110003027222申请日20110109E02B1/00200601E02B7/0620060171申请人中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所地址610041四川省成都市人民南路四段九号72发明人程尊兰吴积善刘建康时亮74专利代理机构成都赛恩斯知识产权代理事务所普通合伙51212代理人张帆54发明名称一种滑坡泥石流坝溃口特征测算方法及其应用57摘要本发明公开了一种滑坡泥石流坝溃口特征测算方法。针对现有技术中对滑坡泥石流坝溃口平均宽度无恰当测算方法，并且对。
2、溃口残留高无测算方法的缺陷，本发明提供了一种滑坡泥石流坝溃口平均宽度和残留高度的测算方法及其应用。本方法首先通过实地调查测量或取样分析获得测算所需的基本数据，然后依相应公式分别计算溃口平均宽度与残留高两项特征值。本发明方法基于滑坡泥石流坝溃决的机理与特点，针对性解决滑坡泥石流坝溃口特征的测算问题，并且首次实现了对溃口残留高特征值的测算。测算值与实测值对比显示，测算结果误差均不大，可以满足工程实践要求。本发明方法可以应用于滑坡泥石流坝形成前或形成后对可能发生的溃决的溃口特征的测算。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图1页CN102116016。
3、A1/2页21一种滑坡泥石流坝溃口特征测算方法，其特征在于首先通过现场调查测量确定坝体及堰塞湖的基本数据，然后依公式1、2确定溃口平均宽度BC值与残留高HD值公式1公式2式中，H坝高M，现场调查测量确定B坝体有效宽度M，现场调查测量确定W堰塞湖容积M，现场调查测量确定V1坝体顺河方向1M的单宽体积M3，现场调查测量确定坝体物质的内摩擦角系数，现场调查测量确定D90坝体物质的粒径M，现场取样分析确定。2根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述坝体顺河方向1M的单宽体积V1是坝体鞍部顺河方向1M的单宽体积V1鞍，溃口平均宽度BC值与残留高HD值分别依公式3、4计算确定公式3公式43根据权利要求1或。
4、2所述的方法，其特征在于所述坝体物质的内摩擦角系数是坝体鞍部一带物质的内摩擦系数溃口平均宽度BC值依公式5计算确定公式54根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述V1鞍值是将坝体概化成梯形后依公式6计算确定公式6式中V1鞍坝体鞍部顺河方向1M的单宽体积M3，现场调查测量确定H坝高M，现场调查测量确定1、2坝体迎水坡、背水坡坡脚，现场调查测量确定L坝体鞍部概化后的坝顶宽M，现场调查测量确定B11M的单位宽度M。5根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述值的角是滑坡泥石流坝有代表性的局部堆积体的休止角。6根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述有代表性的局部堆积体的休止角是溃口两侧边坡的休止角。7。
5、根据权利要求1或2或4或5或6任一所述的测算方法的应用，其特征在于应用于滑坡泥石流坝形成后，具体是通过对已形成的滑坡泥石流坝实地调查测量获得测算所需的基本数据值，然后依公式分别测算滑坡坝可能形成的溃口平均宽度BC值与残留高HD值。权利要求书CN102116014ACN102116016A2/2页38根据权利要求1或2或4或5或6任一所述的测算方法的应用，其特征在于应用于滑坡泥石流坝形成前，具体是在根据某处坡体的不稳定性或泥石流沟的发展趋势，预测该地可能要形成滑坡坝泥石流坝后则结合实地调查测量数据对滑坡泥石流坝的规模与物质组成做出预期估算，获得测算所需基本数据值，然后依公式分别测算该地可能形成坝。
6、体溃决的溃口平均宽度BC值与残留高HD值。权利要求书CN102116014ACN102116016A1/6页4一种滑坡泥石流坝溃口特征测算方法及其应用技术领域0001本发明涉及一种滑坡泥石流坝溃口特征测算方法，特别是涉及一种滑坡泥石流坝溃口平均宽度和残留高度的测算方法及其应用，属于水利工程领域。背景技术0002滑坡泥石流坝系山区规模大或较大的滑坡、泥石流堵塞河流或沟道形成的滑坡堰塞坝或泥石流堰塞坝的统称，高度从几米到几百米不等，其上游积水形成堰塞湖，容积从几千立方米到几十亿立方米不等。坝体一旦溃决，大量湖水通过溃口迅速下泄，往往形成流量极大的非常洪水，对下游造成惨重的灾害。尤其大地震发生后，在。
7、震区会形成大量的滑坡坝，震后丰富的松散岩土物质在暴雨的激发下又会形成众多的泥石流坝及滑坡坝，对下游地区危险极大。0003为了降低甚至避免这类危害，在坝体形成后，就需要尽快对首次自然溃坝的形式做出预测，对溃口的特征值进行准确测算。滑坡泥石流坝基本上都属于局部逐渐溃决，溃口的特征值主要是指溃口的宽度与深度，前者一般用溃口的平均宽度BC表征，后者常用坝体的残留高HD表征因为坝高减去残留高便是溃口深度。测算出这两个特征值后就可以利用相关公式计算出溃坝峰值流量和最高水位及其在坝下游的演进，进而预测溃坝对下游危害的范畴和程度，为制订有效的防灾减灾预案提供科学依据。因此准确测算滑坡泥石流坝溃口的平均宽度BC。
8、和残留高HD两项特征值，对有效减轻溃坝洪水灾害具有十分重要的意义。0004对于溃口宽度测算方法，已存在一些溃口宽度计算公式，其中国内有黄河水利委员会公式、铁道科学研究所公式、白世录公式、清华大学水利系公式和谢任之公式等；国外有美国国家气象局、美国垦务局、VONGILLETTE和EROEEHILICH公式等。这些溃口宽度计算公式如果在泥石流滑坡坝中实际运用至少存在两点第一，严格地讲，这些公式仅适用于人工土石坝的溃口宽度或平均宽度计算，对于滑坡泥石流坝现场的应用并不适宜，计算误差很大，可一般超过100；第二，公式中有关坝体组成物质的抗冲能力的处理，都是根据坝体物质性状确定几种特定的系数K值，一般是。
9、根据土壤质地分为壤土类和粘土类两类。在已给出的K值系数中主要适用于人工土石坝的物料，均不能作为滑坡泥石流坝坝体自然堆积物的系数K值，公式难以应用；第三，即便是已有的系数K值，由于两种土质性状的K值可相差约0510倍，因此计算结果的BC值也可能相差约0510倍，公式实用性较受限。对于溃口残留HD值的测算方法，现有技术在公开发表的文献中未见到。发明内容0005本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种滑坡泥石流坝溃口平均宽度BC与残留高HD两个重要值的测算方法。该方法基于滑坡泥石流坝溃决的机理与特点，针对性解决滑坡泥石流坝溃口特征的测算问题，并且首次实现了对坝体溃口残留高HD特征值的测算。说明书。
10、CN102116014ACN102116016A2/6页50006为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种泥石流坝溃口特征测算方法，其特征在于首先通过现场调查测量确定坝体及堰塞湖的坝高H、坝体有效宽度B、堰塞湖容积W、坝体顺河方向的单宽体积V1、坝体物质的内摩擦角系数坝体物质的粒径D906个基本数据，然后依公式1、2确定溃口平均宽度BC值与残留高HD值0007公式10008公式20009式中，H坝高M0010B坝体有效宽度M0011W堰塞湖容积M0012V1坝体顺河方向的单宽体积M30013坝体物质的内摩擦角系数0014D90坝体物质的粒径M。0015上述方法根据滑坡泥石流坝溃决的机理和特点，。
11、其原理在于滑坡泥石流坝溃口的平均宽度BC值与残留高HD值的大小是是堰塞湖水冲刷能力与坝体抗冲能力之间抗衡的结果，因此影响湖水冲刷能力和坝体抗冲能力的因素也就是影响BC值与HD值大小的因素。0016影响湖水冲刷能力的主要因素包括三项第一、堰塞湖容积W。这是决定冲刷能力的物质基础；第二、堰塞湖坝前水深。由于超过95的滑坡泥石流坝溃决原因是堰塞湖水的漫顶溢流，因此坝前水深取决于坝高，两者基本接近，故采用坝高H代替堰塞湖坝前水深；第三，坝前湖水面宽。这是由于当坝顶开始冲刷下切出现溃口雏形后，邻近的湖水以负波形式向上游和两侧扩展，并呈漏斗状向溃口补水，两侧宽度越大，补水程度越高，流速越快，溃口扩展也越大。
12、。由于滑坡泥石流坝实际上是滑坡或泥石流堆积物堵塞河沟道的部分，因此坝体与滑坡、泥石流整个堆积体很难截然分割，只有采用与堰塞湖水相连接的部分作为有效坝体，这样坝前水面宽与有效坝长完全一致，故采用坝体有效宽度B。影响坝体抗冲能力的主要因素包括三项第一、坝体顺河方向的1M单宽体积V1，这是抗冲能力的物质基础；第二、坝体物质的抗剪强度。滑坡泥石流坝的坝体物质是散粒体，相当疏松，往往沙粒、砾石和块石含量高，粘粒含量相对较少，故凝聚力小或较小，加之坝体含水量高，因为刚堆积的泥石流坝体物质处于饱和状态，滑坡坝在湖水渗透的影响下，在浸润面以下也基本上处于饱和状态，故凝聚力很小，因此决定坝体物质抗剪强度的主要是。
13、内摩擦角故采用内摩擦系数第三、坝体物质的粒径D90。粒径越粗，尤其大块石含量越多，抗冲能力越强。0017以上述滑坡泥石流坝溃决形成的机理分析与参数选定为基础，首先分别建立起BC、HD与诸因素之间的基础关系式与然后将实地调查测量获得的31处滑坡泥石流坝首次自然溃决案例的详细数据在双对数纸上分别点绘与与与以及与的关系图，通过对关系图的分析结果建立相关式，同说明书CN102116014ACN102116016A3/6页6时将与知与知均转变为对数形式；最后采用最小二乘法进行拟合，建立起以滑坡泥石流坝溃口的平均宽度BC值与残留高HD值计算公式为核心的滑坡泥石流坝溃口特征测算方法。0018在优选条件下，上。
14、述方法可以做如下优化第一、由于滑坡泥石流坝的坝顶面大多由滑体或泥石流发生一侧向对岸倾斜，在发生一侧坝高和横断面面积往往大或较大，而溃口都分布在鞍部一带，故真正起抗冲作用的是坝体鞍部的物质，所以V1采用坝体鞍部顺河方向的单宽体积V1鞍值测算结果更为准确；第二、基于上述同一原理，坝体物质的内摩擦角系数也以取坝体鞍部一带物质的内摩擦系数时测算结果更为准确。因此在优化条件下，溃口平均宽度BC值的测算依公式3或公式5，残留高HD值测算依公式4。0019公式30020公式40021公式50022上述测算方法中，坝体有效宽度B值、坝高H值的确定都是先通过现场调查考察，确定或设定自然溃决时或前后的坝体和堰塞湖。
15、的实际位置和状况，包括淹没部分，然后用必要的仪器测量目标的距离、高差。坝体顺河方向的单宽体积V1值的确定一般是测定坝体鞍部概化后的坝顶宽L、坝体迎水坡的坡角1、背水坡的坡角2，再结合坝高H，依公式6计算确定。堰塞湖容积W值的确定首先通过现场调查测量确定溃决前堰塞湖的湖面位置，然后根据堰塞湖大小选用相应的方法计算确定。值的确定首先确定角，角可直接用仪器测定，或者根据滑坡、泥石流坝区有代表性的局部堆积体的休止角，尤其是溃口两侧边壁的休止角，并结合经验类比确定。0023公式60024本技术方案提供的滑坡泥石流坝溃口特征测算方法在实际中通常有两种应用方法应用方法一在滑坡泥石流坝形成后，立即通过调查测量。
16、获得测算所需的坝体与堰塞湖的6个基本数据，然后依公式分别测算可能形成的溃口平均宽度BC值与残留高HD值。这一应用方法，本质上是在坝体形成后实地测量获得测算所需的数据，准确性较高。但由于已形成的坝体有可能很快溃决有时甚至预案尚未完全完成实施，坝体就已溃决，预留给完成和实施溃坝洪水减灾预案的时间有限。应用方法二根据某处坡体的不稳定性或泥石流沟的发展趋势，预测该地可能要形成滑坡坝或泥石流坝，并通过现场调查与测量对滑坡坝或泥石流坝的规模与物质组成做出预期估算，获得测算所需基本数据。然后依公式分别测算该地可能形成坝体溃决的溃口平均宽度BC值与残留高HD值。本技术方案的这一应用方法，本质上是在坝体尚未形成。
17、前作出溃口平均宽度和残留高的测算，目的是提前做好溃坝洪水减灾预案，一旦形成坝体就可快速启动预案有效减灾。相对于前一种应用方法，本应用方法对溃口特征测算结果的准确性可能相对较低，但提前预估灾害程度、为预案制定和实施留下充足时间，对有效降低溃决引起的损失在实际工作生产中却能发挥很重要的作说明书CN102116014ACN102116016A4/6页7用。该应用方法的前提是对滑坡泥石流坝的规模和物质组成有正确的预期估算。0025与现有技术相比，本发明的有益效果是第一、本技术方案提供的滑坡泥石流坝溃口特征测算结果包括了溃口平均宽度BC和残留高HD两个重要值，特别是溃口残留高HD值的测算不仅在滑坡泥石流。
18、坝领域，甚至在人工土石坝领域的现有技术中都是首次出现的；第二、本技术方案提供的测算方法以滑坡泥石流坝溃决的机理和特点为依据，采用滑坡泥石流坝及其首次自然溃决的31处案例的实测数据建立起BC值和HD值的测算方法，这在国内外是首次实现，其测算结果比借用人工土石坝的计算公式要合理准确得多；第三、本技术方案在测算平均宽度BC值时选用了内摩擦系数在测算残留高HD值时选用了坝体物质粒径D90，这两个基本数据均根据现场调查测量或取样分析获得，数据来源客观。因此本技术方案的测算结果相对于以往借用人工土石坝溃口宽度计算公式中根据坝体物质性状确定几种特定系数K值用于计算的结果更合理、准确；第四、本技术方案提供的测。
19、算方法经检验，溃口平均宽度BC的计算值与实测值的误差，除2个案例外，均小于30，大部分小于10，平均为103；溃口残留高HD值误差均小于30，大部分小于20，平均值为94，都不算大。故本技术方案提供的测算方法基本上可以满足工程实践要求。附图说明0026图1是滑坡泥石流坝概化示意图。0027图2是图1的II剖面示意图。0028图3是图1的IIII剖面示意图。具体实施方式0029下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。0030实施例一0031如图1图3所示，用本发明方法测算四川省汶川县银杏坪沟泥石流坝溃口平均宽度BC值与残留高HD值。0032四川省汶川县银杏坪沟处于512汶川地震区震中附。
20、近，沟内因地震影响形成松散固体物质丰富。2010年8月14日凌晨3时在大暴雨的激发下，暴发大规模泥石流，并堵塞岷江多形成泥石流坝。00331现场数据获取0034在对银杏坪沟现场仔细调查的基础上，通过实地测量确定影响滑坡泥石流坝的6个因子值，即坝体与堰塞湖的6个基本数据为0035坝高H12M、有效坝长B117M、坝体鞍部一带物质的内摩擦系数D9012M。由于坝体鞍部形态起伏较大，经处理概化为梯形后，坝体鞍部坝顶宽L43M、坝体迎水坡坡脚116、坝体背水坡坡脚210。00362确定V1值0037根据上述数据依公式6计算确定坝体鞍部顺河方向1M的单宽体积V11176M3。00383确定W值0039上。
21、游堰塞湖容积W因坝体较低、湖面较小，故采用湖区有代表性的横断面面积与横断面之间的距离即湖长求得。根据湖区地形和坝高，选择了3个有代表性横断面，分说明书CN102116014ACN102116016A5/6页8别是坝前断面、湖区中间河谷由窄变宽处的断面、堰塞湖上游末端断面。坝前断面与湖区中间断面之间的距离L1750M，后者与末端断面之间的距离L2585M。经测定并通过延伸处理三处断面面积分别为坝前断面S19420M2、湖区中间河谷由窄变宽处的断面S22995M2、堰塞湖上游末端断面S3910M2。根据上述数据，依下式计算确定堰塞湖容积W值，有004000414确定BC值、HD值将H12M、W15。
22、51517M3、V11176M3、B117M、D90004212M分别代入公式4、5，计算确定溃口平均宽度BC295M、残留高HD74M。00435测算值与实测值的比较0044该泥石流坝发生溃决后，实地调查与测量得到溃口平均宽度BC值为350M，残留高HD值为80M。与前期测算结果比较，平均宽度BC测算误差为157，残留高HD测算误差为75。两项测算值误差均小于200，在研究领域内不算大，可以满足工程实践需要。0045实施例二0046用本发明方法测算四川省茂县石坪滑坡坝溃口平均宽度BC值和残留高HD值。0047四川省茂县位于岷江上游，区内南新镇石坪古滑坡变形明显，前缘和后侧均出现开裂。尤其受5。
23、12汶川大地震影响，坡体裂缝显著地加宽、加长和增多，有可能再次发生大规模滑坡，并会堵断岷江，形成堰塞湖。00481现场数据获取0049在古滑坡现场完成调查测量，根据坡体的勘探资料与对前缘岷江河谷的量测，预期估算再次发生滑坡后滑坡坝高H60M、有效坝长B312M、坝体鞍部一带物质的内摩擦系数D9012M、坝体鞍部处概化为梯形后坝顶宽L120M、坝体迎水面坡脚125、坝体背水面坡脚214。00502确定V1值0051根据上述数据依公式6计算确定坝体鞍部顺河方向1M的单宽体积V119527M3。00523确定W值0053上游堰塞湖由于坝体高、湖面大，堰塞湖容积W采用其所在七星关与大宗渠两幅15000。
24、0的地形图求得。该地形图等高距为20M，因为坝体鞍部轴线处最低高程为142114M，坝顶高程为148114M，则地形图上的湖体范围内有1440M、1460M、1480M共3条等高线。为了确定湖面面积，在1480M与1500M两条等高线之间按一般方法，对照实地地形，内插一条148114M等高线，并让诸等线通过坝体迎水面，使每条等高线封闭，然后用求积仪测定每条等高线所包围的面积。最后计算确定堰塞湖容积W105108M3。00544确定BC值、HD值0055将H60M、W105108M3、V119527M3、B312M、D9012M分别代入公式4、5，则有0056说明书CN102116014ACN102116016A6/6页900570058由此测算，石坪滑坡坝可能形成的滑坡坝一旦发生溃决，溃口平均宽度BC1248M，残留高HD270M。说明书CN102116014ACN102116016A1/1页10图1图2图3说明书附图CN102116014A。