[发明专利]一种天然沟道不规则断面的泥石流流速场的分析方法及装置

说明书

本发明提供了一种天然沟道不规则断面的泥石流流速场的分析方法及装置，通过采用网格化思想，对天然沟道不规则断面进行了网格化分割，可在泥石流流速计算中考虑流速在沟道截面方向与泥深方向上的不均匀分布特征，能够通过切实可行的方法获得流速场模型。同时，以泥石流防治规范中建议的雨洪法计算的流量为标准对结果进行检核，可以克服流速计算时糙率系数选择的主观性和不确定性问题。计算结果相比传统以矩形或者规则几何形状简化的沟道断面，精度更高，结果更为准确。

技术领域

本发明属于属地质灾害防灾减灾技术领域，一种天然沟道不规则断面的泥石流流速场的分析方法及装置

背景技术

泥石流是一种全球性的地质灾害，也是山区经济建设面临的主要威胁之一。天然沟道内泥石流流速的合理计算，是决定泥石流拦砂坝与排导槽设计的主要依据，对泥石流灾害的有效防治关系重大。

采用曼宁公式计算泥石流流速是目前主要采用的计算方法。但由于天然沟道沟床起伏较大，多为不规则形状，在计算断面任意位置的流速时往往存在建模与理论分析的困难。对此，常用的计算方法是将复杂的不规则的天然沟道断面概化为矩形或其他规则的几何形状，以沟道中泓线处的泥石流泥深作为基准，以此获取给定泥石流泥位的情况下的泥石流平均流速。然而，该方法有以下三个显著问题，(1)对于天然沟道不规则断面的概化处理，使计算的断面面积与实际情况不符；(2)计算中以断面内平均流速代替了流速复杂的场分布特性；(3)泥石流流速计算时，沟床糙率系数通常采用经验方法人为选定，流速计算结果缺乏检算。上述三大问题，导致现有方法在天然沟道泥石流流速计算结果与实际情况差别较大，因此，亟需从流速场分析上入手，对泥石流断面流速进行精细化计算。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术和方法的不足，提供一种天然沟道不规则断面的泥石流流速场的分析方法及装置。该方法基于网格化思想，综合考虑了不规则沟床表面对泥石流流速的影响，计算所需参数能够通过水位计以及现场调查取样获得，同时，计算结果通过流量对比进行检核，克服了流速计算时糙率系数选择的主观性和不确定性。可为泥石流拦砂坝、排导槽等防治工程设计建造提供参考和依据。

一种天然沟道不规则断面的泥石流流速场的分析方法，包括以下步骤：

步骤1：沟道分段；

将待计算流速的沟床横断面进行水平等距Δx划分为n段，并获取每段沟床表面的高程为Z_i，单位m，其中，i表示沟床横断面分段标号，i＝1,2,…,n；

步骤2：试算各段沟床横断面上的泥石流平均流速；

依据泥石流沟床阻塞程度，选取糙率系数n_c，结合各段沟床横断面上的泥深h1_i计算各段沟床横断面上的泥石流平均流速v_i；

步骤3：试算各网格单元的泥石流流速，并将各网格单元的流速形成泥石流流速场；

将沟床横断面在泥深方向上进行垂直等距Δy划分为m层，获得天然沟道不规则断面的n×m个网格单元，各网格单元内的泥石流流速为v_i,j；其中，在泥深方向上各层的深度h2_j是以泥石流泥面为起始平面，j表示各层标号，j＝1,2,…,m；

步骤4：判断当前泥石流流速场计算结果是否符合精准性要求；

以步骤3获得的各网格单元的泥石流流速计算对应天然沟道不规则断面的泥石流流量Q，若Q与Q′相近，则当前泥石流流速场计算结果符合精准性要求，否则，重新选取糙率系数n_c，返回步骤2，重新计算；

其中，Q′表示采用雨洪法计算的对应天然沟道不规则断面的泥石流流量；

Q_i,j表示网格单元中的泥石流流量，Q_i,j＝ΔxΔyv_i,j。