滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法、应用

滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法、应用
1.本技术是申请号为2020110499011、申请日为20200929、名称为滑坡堰塞坝溃口深度测算方法、滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量测算方法的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及一种堰塞坝溃决特征指标的测算方法，特别是涉及一种滑坡堰塞坝溃口深度测算方法与一种滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量测算方法，属于地质灾害监测防治技术领域、地质灾害应急响应技术领域。


背景技术：

3.河谷山体在崩塌、滑坡、泥石流等灾害的作用下，横向阻塞山谷、河谷或河床形成堰塞坝，导致上游段壅水形成堰塞湖。堰塞湖在世界各地广泛分布。统计数据显示，堰塞坝从形成至发生溃决往往历时较短，短则1天，长则1周。因而自堰塞坝形成开始，围绕其展开的救援治理工作都必须得到快速响应。堰塞坝溃决时，常形成汹涌洪水，引发较大洪水灾害。这使得快速科学合理计算堰塞坝溃决洪水峰值流量十分重要。
4.滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量是地质灾害危险性评估和工程防治中的关键参数。在滑坡堰塞坝形成后，需要尽快对自然溃坝的形式做出预测，即对溃口的特征值进行准确计算，主要溃口特征值为溃口深度和溃口底宽。在确定这两个特征值之后，即可依据相关公式计算出溃决洪水峰值流量、水位、流速及其在下游河道的演进过程，进而预测溃坝洪水在下游的危害范围和程度，为制定有效的防灾减灾预案提供科技支撑。
5.申请号为2019106536250、名称为“堰塞湖危险性分级和溃决型泥石流及山洪险情预警方法”的中国发明专利申请公开了一种堰塞湖溃决峰值流量计算方法，是基于堰塞坝溃决数学模型根据时间步长的迭代计算出不同时刻下的溃决流量，选择出最大值，即峰值流量。该方法计算工作量大、硬件设备要求较高，难以在除特定的灾害监测实验位点以外的灾害现场及时实施应用。除此技术以外，现有的堰塞坝溃决洪水峰值流量计算方法多是通过历史滑坡堰塞坝溃决洪水资料建立，通常堰塞坝高度、堰塞坝溃口深度、堰塞坝库容和堰塞坝溃决水量共4个参数中的1个或2个参数，大多未考虑坝体的易侵蚀性对溃决洪水峰值流量的影响。此外，现有滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量计算公式多存在量纲不和谐问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量测算方法。
7.为实现上述目的，本发明首先提供一种滑坡堰塞坝坝体易侵蚀性判断方法，其技术方案如下：
8.一种滑坡堰塞坝坝体水流易侵蚀性判断方法，用于判断水流对滑坡堰塞坝坝体侵蚀的容易程度，其特征在于：以坝体物质中值粒径d
50
为指标，若d
50
《0.50mm，判定为高度易侵蚀性，若0.50mm≤d
50
≤20mm，判定为中度易侵蚀性，若d
50
》20mm，判定为低度易侵蚀性。
9.上述滑坡堰塞坝坝体水流易侵蚀性判断方法中，水流易侵蚀性是指水流对滑坡堰塞坝坝体产生侵蚀作用的容易程度。在滑坡堰塞坝溃决发生与演变过程中，坝体的易侵蚀性高低直接影响溃口形态的变化，进而影响到溃决的严重程度、溃决峰值流量的变化、下游区域受灾程度。
10.以上述滑坡堰塞坝坝体水流易侵蚀性判断方法为基础，本发明同时提供一种滑坡堰塞坝溃口深度测算方法，其技术方案如下：
11.一种滑坡堰塞坝溃口深度测算方法，其特征在于：首先，现场调查，获取基本调查数据、判断坝体水流易侵蚀性，所述基本调查数据包括堰塞坝高度hd、堰塞坝库容v
l
；其次，根据坝体水流易侵蚀性依表1确定3个计算系数ξ、α、β的取值，
12.表1
13.坝体水流易侵蚀性λξαβ高度0.274.5540.2830.433中度0.125.6410.0470.532低度0.070.72470.4040.612
14.最后，依式1计算滑坡堰塞坝溃口深度hb[0015][0016]
式中，hb—滑坡堰塞坝溃口深度，单位m，
[0017]hr
—单位长度，取值1.00m，
[0018]
hd—堰塞坝高度，单位m，基本调查数据确定，
[0019]vl
—堰塞坝库容，单位m3，基本调查数据确定，
[0020]
ξ、α、β—计算系数，依表1确定。
[0021]
以上述滑坡堰塞坝坝体水流易侵蚀性判断方法为基础，本发明同时提供一种滑坡堰塞坝溃口底宽度测算方法，其技术方案如下：
[0022]
一种滑坡堰塞坝溃口底宽度测算方法，其特征在于：首先，现场调查，获取基本调查数据、判断坝体水流易侵蚀性，所述基本调查数据包括堰塞坝库容v
l
；其次，根据坝体易侵蚀性依表1确定计算系数λ的取值，
[0023]
最后，依式2计算滑坡堰塞坝溃口底宽度wb[0024]
wb＝λv
l1/3
ꢀꢀꢀꢀ
式2
[0025]
式中，wb—滑坡堰塞坝溃口底宽度，单位m，
[0026]vl
—堰塞坝库容，单位m3，基本调查数据确定，
[0027]
λ—计算系数，依表1确定。
[0028]
本发明上述滑坡堰塞坝溃口深度测算方法与滑坡堰塞坝溃口底宽度测算方法，是在滑坡灾害发生并形成滑坡堰塞坝后，快速测算可能的溃决事件中溃口形态特征指标的方法。测算方法是在滑坡堰塞坝溃决过程中在考虑了坝体易受水流侵蚀性的前提下对溃口形态特征变化测算方法。故，本发明将上述技术方案合并，提供一种滑坡堰塞坝溃口深度形态特征测算方法，其技术方案如下：
[0029]
一种滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法，在滑坡灾害发生并形成滑坡堰塞坝后测
算溃口形态特征指标，其特征在于：所述溃口形态特征指标包括滑坡堰塞坝溃口深度hb与溃口底宽度wb，
[0030]
首先，现场调查，获取基本调查参数、判断坝体易侵蚀性，所述基本调查参数包括堰塞坝高度hd、堰塞坝库容v
l
、溃口左岸坡比m
l
、溃口右岸坡比mr；所述判断坝体易侵蚀性是以坝体物质中值粒径d
50
为指标，若d
50
《0.50mm，判定为高度易侵蚀性，若0.50mm≤d
50
≤20mm，判定为中度易侵蚀性，若d
50
》20mm，判定为低度易侵蚀性；
[0031]
其次，测算滑坡堰塞坝溃口深度hb与溃口底宽度wb；
[0032]
分别依式1、式2计算滑坡堰塞坝溃口深度hb与溃口底宽度wb[0033][0034]
wb＝λv
l1/3
ꢀꢀꢀꢀ
式2
[0035]
式1、式2中，hb—滑坡堰塞坝溃口深度，单位m，
[0036]
wb—滑坡堰塞坝溃口底宽度，单位m，
[0037]hr
—单位长度，取值1.00m，
[0038]
hd—堰塞坝高度，单位m，基本调查数据确定，
[0039]vl
—堰塞坝库容，单位m3，基本调查数据确定，
[0040]
λ、ξ、α、β—计算系数，依表1确定。
[0041]
上述滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法的优化方案包括：进一步地，所测算的溃口形态特征指标还包括溃口断面形状结合参数q，具体是依
[0042]
式3计算确定溃口断面形状结合参数q，
[0043][0044]
式3中，q—溃口断面形状结合参数，无量纲参数，
[0045]
wb—滑坡堰塞坝溃口底宽，单位m，
[0046]ml
、mr—溃口左右岸坡比，基本调查数据确定。
[0047]
更进一步地，所测算的溃口形态特征指标还包括溃口初始水深特征参数wu，具体是，依式4计算确定溃口初始水深特征参数wu，
[0048][0049]
式4中，wu—溃口初始水深特征参数，无量纲参数。
[0050]
以及更进一步地，所测算的溃口形态特征指标还包括溃口水深特征参数w，具体是依式5计算确定溃口水深特征参数w，
[0051][0052]
式5中，w—溃口水深特征参数w，无量纲参数。
[0053]
借助滑坡堰塞坝溃口底宽度wb与滑坡堰塞坝溃口深度hb两项变量，能够很好地将溃口断面形状与溃口水深两项指标特征化，从而为计算溃决中的峰值流量q提供了简洁而
有效的中间量。利用上述5项指标对溃口形态特征的综合表征与测量，本发明同时提供一种滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量测算方法，用于测算可能的溃决事件中溃决洪水锋值流量规模，其技术方案如下：
[0054]
利用本发明上述滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法实现的滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量测算方法，其特征在于：
[0055]
首先，现场调查，获取基本调查参数、判断堰塞坝坝体易侵蚀性，所述基本调查参数包括堰塞坝高度hd、堰塞坝库容v
l
、溃口左岸坡比m
l
、溃口右岸坡比mr；
[0056]
其次，测算滑坡堰塞坝溃口深度hb；
[0057]
再次，测算滑坡堰塞坝溃口底宽度wb；
[0058]
再次，依式3计算确定溃口断面形状结合参数q；
[0059]
再次，依式4、式5计算确定溃口水深特征参数w；
[0060]
最后，依式6计算确定滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量q
[0061][0062]
式6中，q—滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量，单位m3/s，
[0063]
g—重力加速度，单位s/m2。
[0064]
基于上述滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量测算方法的实现方案，本发明提供如下应用方案：
[0065]
上述滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法的应用，其特征在于：是在滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量测算中的应用。
[0066]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种快速判断滑坡堰塞坝坝体水流易侵蚀性的方法。该方法只需一个现场采集指标，便可以将滑坡堰塞坝坝体易受水流侵蚀性划分为高度、中度、低度三个水平，能够为测算溃决过程中与溃口形态变化有关的指标提供基础。本发明同时提供一种滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法，其核心是滑坡堰塞坝溃口深度与一种滑坡堰塞坝溃口底宽度的测算方法。此两项方法均借助坝体水流易侵蚀性指标将特定计算系数引入到测算方法中，从而在测算过程中充分考虑了堰塞坝的水流易侵蚀性对溃口形成与演化的影响。利用溃口底宽度wb与溃口深度hb能够很好地将溃口断面形状与溃口水深两项指标特征化的技术有效性，因而延伸两项滑坡堰塞坝溃口形态特征指标，分别是溃口断面形状结合参数q与溃口水深特征参数w。该5项指标能够实现对溃口形态特征的综合表征与度量。本发明最终提供一种滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法的应用方案，是一种滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量测算方法。该方法充分考虑滑坡堰塞坝坝体的易侵蚀性、库容和坝高对滑坡堰塞坝溃决峰值流量的影响，采用半解析公式计算滑坡堰塞坝溃决峰值流量。与现有技术测算结果相比，采用本方法测量的峰值流量更接近灾害现场测量值。整体上，本发明提供了一系列建立在快速划分滑坡堰塞坝坝体水流易侵蚀性水平基础上的涉及滑坡堰塞坝溃决过程重要指标的测算方案。各测算方案均是针对性地解决在发生滑坡堵江形成滑坡堰塞坝后，如何在充分考虑坝体水流侵蚀性特征的前提下对溃决事件中的重要指标进行快速测算的技术问题。通过引入受水流易侵蚀性水平控制的计算系数，各项技术方案将坝体易受水流侵蚀性特征纳入到计算过程，从而对溃口形态与溃决洪水锋值流量的测算更具科学原理。整套测算方法所需基本参数少、计算量小、计算过程简
洁、数据采集与计算硬件要求低，能够充分满足滑坡堰塞坝形成与溃决事件中快速响应的防灾减灾措施需要。
附图说明
[0067]
图1是滑坡堰塞坝溃口形状示意图。
具体实施方式
[0068]
下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。
[0069]
实施例一
[0070]
2018年10月，长江上游金沙江某处发生1次滑坡，滑坡体堵江形成堰塞湖。该滑坡堰塞坝溃决可能对下游沿岸居民和交通等基础设施造成危害，为制定有效的防灾减灾预案，需要科学合理测算滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量。
[0071]
首先，现场调查，获得基本调查数据。现场调查包括了针对工程所在山洪泥石流沟道现场的各种测绘、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。
[0072]
基本调查数据包括坝体物质中值粒径d
50
＝5.2mm，并据此判断坝体属中度水流易侵蚀性；滑坡堰塞坝高度hd＝61.00m；依据该滑坡堰塞坝的高度hd，结合滑坡坝上游数字高程地形，确定滑坡堰塞坝库容v
l
＝249000000m3。由于溃口左右岸坡比m
l
、mr不能现场确定，故依经验均取值1.0。图1是滑坡堰塞坝溃口形状示意图。
[0073]
其次，依表1确定4个计算系数λ＝0.12、ξ＝5.641、α＝0.047、β＝0.532。
[0074]
再次，将hr＝1.00m、hd、v
l
、λ、ξ、α、β代入式1计算确定滑坡堰塞坝溃口深度hb＝23.68m，将v
l
、λ代入式2计算确定滑坡堰塞坝溃口底宽度wb＝75.49m。
[0075]
再次，将wb、m
l
、mr代入式3计算确定q＝37.75。
[0076]
再次，将hb、q代入式4计算确定溃口初始水深特征参数wu＝0.5601，将wu＝0.5601代入式5计算确定溃口水深特征参数w＝0.3920。
[0077]
最后，将g＝9.81m/s2、q、m
l
、mr、w代入式6计算确定q＝8304m3/s。
[0078]
对比测算：采用现有技术(pierce mw,thornton ci,abt sr(2010).prediction peak outflow from breached embankment dams.colorado state university daryl b.simons building at the engineering research center fort collins,co)对本滑坡堰塞湖的溃决事件进行测算。计算滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量q＝16556m3/s
[0079]
结果验证：该滑坡堰塞坝在形成当月发生溃决，现场观测到的溃决洪水峰值流量约10000m3/s。对比可见本研究计算相对误差小于现有技术。

技术特征：
1.滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法，在滑坡灾害发生并形成滑坡堰塞坝后测算溃口形态特征指标，其特征在于：所述溃口形态特征指标包括滑坡堰塞坝溃口深度h
b
与溃口底宽度w
b
；首先，现场调查，获取基本调查参数、判断坝体易侵蚀性，所述基本调查参数包括堰塞坝高度h
d
、堰塞坝库容v
l
、溃口左岸坡比m
l
、溃口右岸坡比m
r
；所述判断坝体易侵蚀性是以坝体物质中值粒径d
50
为指标，若d
50
<0.50mm，判定为高度易侵蚀性，若0.50mm≤d
50
≤20mm，判定为中度易侵蚀性，若d
50
>20mm，判定为低度易侵蚀性；其次，测算滑坡堰塞坝溃口深度h
b
与溃口底宽度w
b
；根据坝体水流易侵蚀性依表1确定4个计算系数λ、ξ、α、β的取值，分别依式1、式2计算滑坡堰塞坝溃口深度h
b
与溃口底宽度w
b
，表1坝体水流易侵蚀性λξαβ高度0.274.5540.2830.433中度0.125.6410.0470.532低度0.070.72470.4040.612w
b
＝λv
l1/3
ꢀꢀꢀꢀ
式2式1、式2中，h
b
—滑坡堰塞坝溃口深度，单位m，w
b
—滑坡堰塞坝溃口底宽度，单位m，h
r
—单位长度，取值1.00m，h
d
—堰塞坝高度，单位m，基本调查数据确定，v
l
—堰塞坝库容，单位m3，基本调查数据确定，λ、ξ、α、β—计算系数，依表1确定。2.根据权利要求1所述滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法，其特征在于：所述溃口形态特征指标还包括溃口断面形状结合参数q，依式3计算确定溃口断面形状结合参数q，式3中，q—溃口断面形状结合参数，无量纲参数，w
b
—滑坡堰塞坝溃口底宽，单位m，m
l
、m
r
—溃口左右岸坡比，基本调查数据确定。3.根据权利要求2所述滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法，其特征在于：所述溃口形态特征指标还包括溃口初始水深特征参数w
u
，依式4、式5计算确定溃口初始水深特征参数w
u
，式4中，w
u
—溃口初始水深特征参数，无量纲参数。4.根据权利要求3所述滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法，其特征在于：所述溃口形态
特征指标还包括溃口水深特征参数w，依式5计算确定溃口水深特征参数w，式5中，w—溃口水深特征参数w，无量纲参数。5.根据权利要求2所述滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法，其特征在于：溃口左右岸坡比m
l
、m
r
均取值1.0。6.根据权利要求3所述滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法，其特征在于：溃口左右岸坡比m
l
、m
r
均取值1.0。7.根据权利要求4所述滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法，其特征在于：溃口左右岸坡比m
l
、m
r
均取值1.0。8.根据权利要求1～7任一所述滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法的应用，其特征在于：是在滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量测算中的应用。

技术总结
本发明公开滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法、应用。针对现有技术缺陷，本发明滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法首先以坝体物质中值粒径为指标判断坝体水流易侵蚀程度，再解决溃决过程中考虑了坝体易受水流侵蚀性的对溃口形态特征变化表征与测算的技术问题。优选方案中，溃口形态特征指标进一步包括溃口断面形状结合参数、溃口初始水深特征参数、溃口水深特征参数。通过测算溃口形态特征组合指标，本发明提供滑坡堰塞坝溃口形态特征测算方法在滑坡堰塞坝溃决洪水峰值流量测算中的应用技术方案的应用方案。本发明技术方案测算原理科学、所需计算量小、数据采集与计算硬件要求低，能够充分满足滑坡堰塞坝形成与溃决事件中快速响应的防灾减灾措施需要。速响应的防灾减灾措施需要。速响应的防灾减灾措施需要。


技术研发人员：陈华勇 王涛 陈宁生 邓明枫 江耀 陈剑刚 游勇
受保护的技术使用者：中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所
技术研发日：2020.09.29
技术公布日：2023/9/20