[发明专利]沟谷型泥石流沟道流通区三维地形演化分析方法

说明书

本发明公开了一种沟谷型泥石流沟道流通区三维地形演化分析方法，属于地质灾害防灾减灾技术领域，本发明方法在泥石流流通区沿沟道中泓线每隔一定距离采集沟道横断面地形高程，基于离散化思想将各个横断面进行等距离分段，通过测得每个分段上任意时间对应的流速和泥深，计算每个横断面分段的沟道侵蚀速率及泥石流过程中的侵蚀深度，获取每个横断面泥石流侵蚀后的地形高程，最后将相邻横断面地形等高点通过直线连接，可得到沟道流通区沟床在泥石流冲刷作用下的地形演化，本发明方法不仅克服了传统方法在泥石流侵蚀计算中经验参数取值的主观性和不确定性，同时可得到沟道流通区地形经泥石流冲刷后的三维地形，可为泥石流防灾减灾工作提供参考。

技术领域

本发明属于地质灾害防灾减灾技术领域，具体涉及一种沟谷型泥石流沟道流通区三维地形演化分析方法。

背景技术

泥石流是一种典型的地表动力过程，也是山区人民生命财产安全和社会经济建设面临的主要威胁之一。泥石流动力过程对沟道地形具有明显的重塑和改造作用。泥石流冲刷作用下，流通区沟道侵蚀深度可高达数米，显著改变了沟道的地形演化过程。同时，泥石流挟带地形演化形成的大量沟道松散物质至沟道下游堆积区，可使泥石流规模剧增10～100倍，加剧了泥石流的危害。

目前常采用经验性的回归公式计算并分析泥石流侵蚀与沟道地形演变过程，然而该类方法有以下两个显著问题：(1)仅针对沟道内单点进行侵蚀分析，无法适用于整个沟道流通区三维地形的演变分析，也无法计算因三维地形演化产生的沟道松散物质总量；(2)经验性的回归公式多通过经验系数对侵蚀深度计算进行调整，这类经验系数没有具体物理意义，合理取值范围也存在较多学术争议。上述问题导致现有方法在沟谷型泥石流沟道流通区三维地形的演化分析上存在局限，并导致泥石流防治工程设计时对泥石流总量与实际存在较大差别，影响了泥石流防治工程的减灾效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种沟谷型泥石流沟道流通区三维地形演化分析方法，基于离散化思想通过将每个横断面进行分段，计算流通区地形各分段在泥石流过程中的瞬态侵蚀速率和侵蚀深度，获取每个横断面泥石流侵蚀后的地形高程，最后将相邻横断面地形等高点通过直线连接，形成沟道演化后的三维地形。

本发明提供的这种沟谷型泥石流沟道流通区三维地形演化分析方法，包括以下步骤：

步骤一、沟道横断面地形高程Z(i)的采集；

通过现场调查确定沟谷型泥石流流通区段，并沿沟道中泓线(沟谷点连线)每隔一定距离L获取沟道横断面，在横断面方向上将各横断面水平等距离分为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；

步骤二、计算任意时间每个横断面对应分段的泥石流瞬态侵蚀速率E(i,t)；

计算横断面对应分段i在任意时间t的泥石流流速v(i,t)和泥深h(i,t)，并按照如下计算公式计算横断面对应分段i的瞬态侵蚀速率E(i，t)：

其中，为g重力加速度，取值为9.8N/kg，θ为横断面位置的沟道沿泥石流流动方向的坡度，B_D为沟床土体的孔隙水压力系数，为沟床土体的内摩擦角，为泥石流颗粒物质的内摩擦角，β为泥石流流速沿深度方向的分布系数；

步骤三、计算任意时间每个横断面对应分段的沟床侵蚀后的地表高程Z′(i)；

按照下式计算泥石流对横断面分段i的侵蚀深度d_sc及沟床横断面侵蚀后的地表高程Z′(i)；

Z'(i)＝Z(i)-d_sc(i)

其中，T为泥石流过程的总历时；

步骤四、泥石流侵蚀后的地形等高线构建，得到沟道演化后的三维地形；