[发明专利]一种基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法

权利要求书

1.一种基于泥石流固体颗粒粒径的震区泥石流容重计算方法，所述震区的泥石流沟包括沟道和在沟道上运动的泥石流体，其特征在于：将震区泥石流的固体颗粒粒径应用于泥石流容重计算，所述震区泥石流容重预测计算方法如下：

A.获取震区泥石流沟的泥石流体流深h，单位m，通过泥石流沟大比例尺测绘得到沟道的沟道坡度α，单位°，沟道纵比降J，单位‰，通过泥石流采样和筛分得到泥石流体固体颗粒粒径d_i，单位mm，通过泥石流沟床状况确定泥石流体糙率系数n，通过为泥石流暴发时的野外温度确定泥石流体的粘滞系数η，单位Pa·s；

B.首先，根据震区泥石流固体颗粒在泥石流体中的受力平衡绘制泥石流固体颗粒受力示意图，分析泥石流固体颗粒运动过程中的驱动力条件和阻力条件，假设震区泥石流沟道纵比降为J，沟道坡度为α，泥石流体固体颗粒粒径为d_i，泥石流固体颗粒受到的支持力df_B、固体颗粒自重应力dG_S、泥石流体自重应力dG_A、泥石流体剪切应力τ公式表示为：

式中：df_B为固体颗粒所受的支持力，单位Pa，dG_S为泥石流流体颗粒的自重应力，单位Pa，dG_A为泥石流固体颗粒的自重应力，单位Pa，τ为流体剪切应力，单位Pa，γ为泥石流浆体容重，单位KN/m³，γ_S为泥石流固体颗粒容重，单位KN/m³，V_G为泥石流因固体颗粒挤排的体积，单位mm³，V_G＝V_S，V_S为泥石流固体颗粒体积，单位mm³，h为泥石流流深，单位m，J为沟道纵比降，单位‰；

然后，根据力学平衡条件，分别分析沿流向，X轴和沿垂直流向，Z轴的驱动力条件与阻力条件关系，沿X轴的受力df_x和沿Z轴的受力df_z公式表示为：

式中：df_x表示为沿流向方向的合力，单位Pa，df_z表示为沿垂直流向方向的合力，单位Pa，dN为固体颗粒所受的支持力，单位Pa，dG_dh为泥石流流体颗粒的自重应力，单位Pa，dG_di为泥石流固体颗粒的自重应力，单位Pa，d_τh为流体剪切应力，单位Pa，h为泥石流体流深，单位m，α为沟道坡度，单位°，J为沟道纵比降，单位‰，d_i为泥石流体固体颗粒粒径，单位mm，n为泥石流体糙率系数，v为泥石流沿流向的流速，单位m/s，C_L为上升力系数，ρ为泥石流浆体密度，单位kg/m³，ρ_s为泥石流固体颗粒的密度，单位kg/m³，g为重力加速度，单位m/s²；对位于床面上的单个颗粒，即暴露度最大时而言C_L＝0.1，ΔS为泥石流单位横截面积，单位m²，dv/dx为沿泥石流流向的加速度，单位m/s²；

泥石流沿流向X轴的加速度dv/dx公式表示为：

式中：h为泥石流体流深，单位m，n为泥石流体糙率系数；

当驱动力条件等于阻力条件，泥石流固体颗粒处于极限平衡状态，根据静力极限平衡条件，得到震区泥石流浆体密度ρ，单位kg/m³，公式表示为：

式中：d_i为泥石流体固体颗粒粒径，单位mm，η为泥石流的粘滞系数，单位Pa·s，ρ为泥石流浆体密度，单位kg/m³，g为重力加速度，单位m/s²,h为泥石流流深，单位m,n为泥石流体糙率系数，γ_S为泥石流固体颗粒容重，单位KN/m³，H为泥石流沟道堆积物的堆积厚度，单位m；

C.通过以下公式确定震区泥石流容重γ，单位KN/m³，

γ_L＝C(γ_S-γ)+γ,式中：C＝(ρ-ρ_W)/(ρ_S-ρ_W)

式中：C为泥石流体积浓度，单位％，ρ_w为水体的密度，单位kg/m³，ρ为泥石流浆体的密度，单位kg/m³，ρ_S为泥石流固体颗粒的密度，单位kg/m³，γ为泥石流浆体容重，单位KN/m³，γ＝ρg；γ_S为泥石流固体颗粒容重，单位KN/m³，γ_S＝ρ_Sg；γ_L为泥石流容重，单位KN/m³。