本發(fā)明涉及到泥石流防治工程領(lǐng)域，尤其涉及一種計算泥石流平均流速的方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：泥石流的運動速度是泥石流的最重要的參數(shù)之一，是評估泥石流和防治泥石流災(zāi)害的重要參數(shù)。泥石流的運動速度一般包括泥石流的平均流速和表面速度。泥石流的平均流速是代表泥石流速度的主要特征速度，評估和防治泥石流的兩個重要參數(shù)之一的泥石流峰值流量，就是從泥石流的平均流速計算得來的。但野外條件很難觀測到泥石流的平均流速；相反的，泥石流運動的表面速度往往比較容易觀測測量，獲得表面速度值。如果能通過泥石流表面速度，以及表面速度與平均流速的關(guān)系獲得泥石流平均流速，也能滿足泥石流的評估和防治中的要求，從而解決問題泥石流的評估和防治問題。目前國內(nèi)外學(xué)者對泥石流的平均流速與表面流速的關(guān)系研究相對較少且以流速垂向分布規(guī)律為主，由bagnold的膨脹體模型得出的水石流平均流速與表面流速的關(guān)系有：vm/vs＝0.6(vm為水石流的平均流速，vs為水石流的表面流速，費祥俊，舒安平，泥石流運動機理與災(zāi)害防治，清華大學(xué)出版社，2004，104-108)；宏觀粘性模型的平均流速與表面流速的關(guān)系有：vm/vs＝0.67(費祥俊，舒安平，泥石流運動機理與災(zāi)害防治，清華大學(xué)出版社，2004，104-108)；由bingham模型得到的接近于粘性泥石流的粘塑性模型的平均流速與表面流速的關(guān)系有：vm/vs＝0.67(無流核)-1(全部為流核)(僅適用于層流運動，費祥俊，舒安平，泥石流運動機理與災(zāi)害防治，清華大學(xué)出版社，2004，104-108)；由固體顆粒摩擦與碰撞混合模型的平均流速與表面流速的關(guān)系有：vm/vs＝0.6(無流核)-1(全部為流核)，(費祥俊，舒安平，泥石流運動機理與災(zāi)害防治，清華大學(xué)出版社，2004，104-108)。由此可見泥石流的平均流速與表面流速的關(guān)系比較復(fù)雜，不僅范圍很大，從0.6到1；而且隨泥石流的性質(zhì)不同，差別也很大。此外，這些研究中沒有直接考慮泥石流的底部粗糙率、流深及泥石流性質(zhì)這3個關(guān)鍵因素，僅從泥石流運動的機理上可以看出這3個因素的作用：底部粗糙率越大，底部速度越小，底部速度的影響區(qū)越大，平均流速與表面流速的比值越小；泥石流流深越大，底部較小速度的影響范圍相對越小，平均流速與表面流速的比值越大；泥石流性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在泥石流的底部阻力：從清水到稀性泥石流，再到粘性泥石流，粘滯阻力隨粘性的增加逐漸增大，底部阻力也逐漸增大，底部速度也逐漸變小，平均流速與表面流速的比值逐漸減小。公開號為cn104794362a，公開日為2015年07月22日的中國專利文獻公開了一種泥石流斷面平均流速的測算方法及應(yīng)用，所述測算方法通過現(xiàn)場調(diào)查測量、實際取樣實測容重和室內(nèi)流變實驗等手段，分別確定泥石流流體容重、泥石流固體物質(zhì)容重、泥石流溝道或排導(dǎo)槽坡度、泥石流過流斷面水力半徑、泥石流溝道或排導(dǎo)槽外部糙率、和泥石流粘滯系數(shù)等參數(shù)，將獲取的參數(shù)代入泥石流斷面平均流速計算公式，從而獲得較為準確的泥石流斷面平均流速。該專利文獻公開的泥石流斷面平均流速的測算方法及應(yīng)用，綜合考慮了泥石流溝道或排導(dǎo)槽形狀變化引起的外部糙率變化和泥石流流體性質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)部糙率，能夠合理確定泥石流斷面平均流速，但是，整個測算方法涉及到的參數(shù)較多，測算難度較大，不適用于野外大尺度的實際計算。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種計算泥石流平均流速的方法及其應(yīng)用，本發(fā)明充分考慮了泥石流運動的底部粗糙率、流深與泥石流性質(zhì)，通過無量綱化將尺寸效應(yīng)消除，利于推演到實際發(fā)生的泥石流中，具有計算方便、計算準確度高的特點，適用于野外大尺度的實際計算，能夠為泥石流評估與防治提供關(guān)鍵的參考依據(jù)。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：一種計算泥石流平均流速的方法，其特征在于，包括以下步驟：a、現(xiàn)場調(diào)查確定泥石流屈服應(yīng)力τ0，單位pa；b、現(xiàn)場測量泥石流容重ρ，單位kg/m3；c、現(xiàn)場測量泥石流流深h，單位m；d、通過式1計算無量綱化的屈服應(yīng)力τ；τ＝τ0/(ρgh)(式1)其中，g為重力加速度，g＝9.8m/s2；e、現(xiàn)場測量泥石流的表面速度vs，單位m/s；f、現(xiàn)場測量泥石流運動的底床粗糙率n；g、通過式2計算泥石流的平均流速vm，單位m/s；vs/vm＝(18.63n2-3.53n+0.6)τ-0.07(式2)。所述步驟f中，泥石流運動的底床粗糙率n的取值范圍為0.02-0.09。本發(fā)明適用于稀性泥石流和粘性泥石流的平均流速計算。本發(fā)明適用于不同屈服應(yīng)力泥石流的平均流速計算。本發(fā)明的基本原理如下：泥石流的速度是泥石流評估與防治中最重要的參數(shù)之一。往往采用泥石流的平均流速作為特征量，作為泥石流評估與泥石流防治的重要依據(jù)。泥石流的平均流速很難測量，但是泥石流的表面速度能比較容易地測量到。如果能測量泥石流的表面速度，同時有表面速度計算平均流速的方法，就可以得到泥石流的平均流速，可以為泥石流的評估與防治提供重要的依據(jù)。泥石流的平均流速與表面速度之間的關(guān)系，受泥石流運動底床的粗糙率和泥石流性質(zhì)的影響：泥石流運動底床的粗糙率越大，泥石流的下部速度越小，泥石流的平均流速越小，平均流速與表面速度之比越小。無量綱化的泥石流屈服應(yīng)力(泥石流屈服應(yīng)力與泥石流容重、重力加速度、泥石流水深之比)可以表達泥石流的粘性性質(zhì)：泥石流的屈服應(yīng)力與泥石流容重越大，泥石流的粘性越強，泥石流的內(nèi)部阻力越大，泥石流的平均流速與表面速度之比越??；但是泥石流的屈服應(yīng)力的變化遠大于泥石流的容重變化，因此泥石流的屈服應(yīng)力與泥石流的容重之比越大，泥石流的粘性越強，泥石流的內(nèi)部阻力越大，泥石流的平均流速與表面速度之比越??；泥石流運動水深越大，泥石流下部受底床粗糙率的影響范圍相對越小，平均流速與表面速度之比越大。綜合分析可以得出：無量綱化的泥石流屈服應(yīng)力越大，泥石流的平均流速與表面速度之比越小。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在以下方面：一、本發(fā)明，“a、現(xiàn)場調(diào)查確定泥石流屈服應(yīng)力τ0；b、現(xiàn)場測量泥石流容重ρ；c、現(xiàn)場測量泥石流流深h；d、通過式1計算無量綱化的屈服應(yīng)力τ；e、現(xiàn)場測量泥石流的表面速度vs；f、現(xiàn)場測量泥石流運動的底床粗糙率n；g、通過式2計算泥石流平均流速vm”，作為一個完整的技術(shù)方案，本發(fā)明充分考慮了泥石流運動的底床粗糙率、流深與泥石流性質(zhì)，通過無量綱化將尺寸效應(yīng)消除，利于推演到實際發(fā)生的泥石流中，具有計算方便、計算準確度高的特點，適用于野外大尺度的實際計算，能夠為泥石流評估與防治提供關(guān)鍵的參考依據(jù)。二、本發(fā)明，將泥石流運動的底床粗糙率、流深與泥石流性質(zhì)綜合起來考慮得出的計算式，對于使用者更加方便，普適性好。三、本發(fā)明，以泥石流的流深、泥石流屈服應(yīng)力和容重、底床糙率等為基本參數(shù)，通過實驗研究得出泥石流平均流速與表面流速關(guān)系，對于泥石流防治及將來的理論研究有更好的指導(dǎo)作用，具有更高的防災(zāi)適用性。具體實施方式實施例1一種計算泥石流平均流速的方法，包括以下步驟：a、現(xiàn)場調(diào)查確定泥石流屈服應(yīng)力τ0，單位pa；b、現(xiàn)場測量泥石流容重ρ，單位kg/m3；c、現(xiàn)場測量泥石流流深h，單位m；d、通過式1計算無量綱化的屈服應(yīng)力τ；τ＝τ0/(ρgh)(式1)其中，g為重力加速度，g＝9.8m/s2；e、現(xiàn)場測量泥石流的表面速度vs，單位m/s；f、現(xiàn)場測量泥石流運動的底床粗糙率n；g、通過式2計算泥石流的平均流速vm，單位m/s；vs/vm＝(18.63n2-3.53n+0.6)τ-0.07(式2)?！癮、現(xiàn)場調(diào)查確定泥石流屈服應(yīng)力τ0；b、現(xiàn)場測量泥石流容重ρ；c、現(xiàn)場測量泥石流流深h；d、通過式1計算無量綱化的屈服應(yīng)力τ；e、現(xiàn)場測量泥石流的表面速度vs；f、現(xiàn)場測量泥石流運動的底床粗糙率n；g、通過式2計算泥石流平均流速vm”，作為一個完整的技術(shù)方案，本發(fā)明充分考慮了泥石流運動的底床粗糙率、流深與泥石流性質(zhì)，通過無量綱化將尺寸效應(yīng)消除，利于推演到實際發(fā)生的泥石流中，具有計算方便、計算準確度高的特點，適用于野外大尺度的實際計算，能夠為泥石流評估與防治提供關(guān)鍵的參考依據(jù)。實施例2一種計算泥石流平均流速的方法，包括以下步驟：a、現(xiàn)場調(diào)查確定泥石流屈服應(yīng)力τ0，單位pa；b、現(xiàn)場測量泥石流容重ρ，單位kg/m3；c、現(xiàn)場測量泥石流流深h，單位m；d、通過式1計算無量綱化的屈服應(yīng)力τ；τ＝τ0/(ρgh)(式1)其中，g為重力加速度，g＝9.8m/s2；e、現(xiàn)場測量泥石流的表面速度vs，單位m/s；f、現(xiàn)場測量泥石流運動的底床粗糙率n；g、通過式2計算泥石流的平均流速vm，單位m/s；vs/vm＝(18.63n2-3.53n+0.6)τ-0.07(式2)。所述步驟f中，泥石流運動的底床粗糙率n的取值范圍為0.02。實施例3一種計算泥石流平均流速的方法，包括以下步驟：a、現(xiàn)場調(diào)查確定泥石流屈服應(yīng)力τ0，單位pa；b、現(xiàn)場測量泥石流容重ρ，單位kg/m3；c、現(xiàn)場測量泥石流流深h，單位m；d、通過式1計算無量綱化的屈服應(yīng)力τ；τ＝τ0/(ρgh)(式1)其中，g為重力加速度，g＝9.8m/s2；e、現(xiàn)場測量泥石流的表面速度vs，單位m/s；f、現(xiàn)場測量泥石流運動的底床粗糙率n；g、通過式2計算泥石流的平均流速vm，單位m/s；vs/vm＝(18.63n2-3.53n+0.6)τ-0.07(式2)。所述步驟f中，泥石流運動的底床粗糙率n的取值范圍為0.04。將泥石流運動的底床粗糙率、流深與泥石流性質(zhì)綜合起來考慮得出的計算式，對于使用者更加方便，普適性好。實施例4一種計算泥石流平均流速的方法，包括以下步驟：a、現(xiàn)場調(diào)查確定泥石流屈服應(yīng)力τ0，單位pa；b、現(xiàn)場測量泥石流容重ρ，單位kg/m3；c、現(xiàn)場測量泥石流流深h，單位m；d、通過式1計算無量綱化的屈服應(yīng)力τ；τ＝τ0/(ρgh)(式1)其中，g為重力加速度，g＝9.8m/s2；e、現(xiàn)場測量泥石流的表面速度vs，單位m/s；f、現(xiàn)場測量泥石流運動的底床粗糙率n；g、通過式2計算泥石流的平均流速vm，單位m/s；vs/vm＝(18.63n2-3.53n+0.6)τ-0.07(式2)。所述步驟f中，泥石流運動的底床粗糙率n的取值范圍為0.09。本發(fā)明適用于稀性泥石流和粘性泥石流的平均流速計算。本發(fā)明適用于不同屈服應(yīng)力泥石流的平均流速計算。以泥石流的流深、泥石流屈服應(yīng)力和容重、底床糙率等為基本參數(shù)，通過實驗研究得出泥石流平均流速與表面流速關(guān)系，對于泥石流防治及將來的理論研究有更好的指導(dǎo)作用，具有更高的防災(zāi)適用性。本發(fā)明用于泥石流水槽驗證，泥石流平均流速與表面流速關(guān)系試驗數(shù)據(jù)參見表1。τ0(pa)nh(m)p(kg/m3)計算vm/vs實測vm/vs誤差(％)100.00940.03516600.750.741.95100.02140.03716600.710.72-1.38100.040.04316600.660.651.21100.0550.04616600.630.612.50200.00940.03616930.720.74-2.55200.02140.0416930.680.680.16200.040.04816930.630.65-2.71200.0550.05316930.600.60.401300.00940.03717170.700.674.92300.02140.04117170.660.72-7.80300.040.04317170.610.615-0.72300.0550.05217170.590.6-2.442400.00940.04317420.700.70-0.44400.02140.04517420.660.68-3.60400.040.04817420.600.600.61400.0550.05217420.570.570.044表1通過表1可以看出，公式2在泥石流試驗的驗證中與實測數(shù)據(jù)吻合度很好，最大誤差為-7.8％(僅1個，占6.25％)，其余誤差在4.92％(絕對值)以下。故該泥石流平均流速與表面流速比值的計算公式可靠度高，計算準確性好。當前第1頁12