一种山前洪积扇面流侵蚀碎石启动粒径的计算方法

本发明涉及岩土领域和边坡工程领域，特别涉及一种山前洪积扇面流侵蚀碎石启动粒径的计算方法。

背景技术：

1、山前洪积扇是最常见的一种地貌单元，长输油气管道不可避免地穿越山前大型洪积扇，导致敷设在洪积扇上的油气管道常常遭受面流侵蚀。狭义的面流侵蚀是指降雨作用下发生在坡面上的侵蚀现象，而洪积扇上的面流侵蚀主要是指，汇水流域在降雨作用下形成的洪流冲出山口后，由于失去河谷的限制而陡然变宽变浅，导致逐渐分散形成相对稳定的多条辫状径流后对洪积扇的沟蚀作用，属于广义上的面流侵蚀。随着面流侵蚀的不断加剧，会造成露管、悬管等地质灾害，给油气管道的长期运营造成安全隐患。因此，突破传统的治理思路，充分利用岩土工程理论和技术，采用山前洪积扇面流侵蚀碎石启动粒径的计算方法进行山前洪积扇碎石覆盖层的铺设，成为开发经济合理环境协调的面流侵蚀综合防护模式的可供选择的方案。

2、近年来，用砾石覆盖方法抗山前洪积扇面流侵蚀已被广泛应用。然而砾石覆盖方法的研究过程中，砾石覆盖粒径选择是山前洪积扇内油气管道抗面流侵蚀的一个难题。

3、尽管已经积累了大量的洪积扇防护经验，但是对于砾石覆盖抗洪积扇面流侵蚀仍然处于初步发展阶段，有关砾石覆盖粒径的理论研究仍然存在着许多不足。而研究山前洪积扇面流侵蚀碎石启动粒径可以有效帮助砾石覆盖粒径的确定。基于以上背景，确认山前洪积扇面流侵蚀碎石启动粒径具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提供一种山前洪积扇面流侵蚀碎石启动粒径的计算方法，旨在基于面流侵蚀启动颗粒模型，采用力学分析确定在不同水深、不同流速的碎石启动颗粒的受力情况，推导碎石启动颗粒上举力系数，运用微元分析的方法计算水下颗粒的水流冲击力，结合一定坡度下碎石颗粒的起动条件，得到山前洪积扇面流侵蚀碎石启动粒径。

2、本发明提供一种山前洪积扇面流侵蚀碎石启动粒径的计算方法，包括以下步骤：

3、s1.确定面流侵蚀的土体物理力学参数；确定沟道过水断面面积和沟道过水断面宽度；建立面流侵蚀启动颗粒模型；

4、s2.根据土体物理力学参数，计算出碎石覆盖层颗粒相对暴露度系数 m1、泥沙颗粒雷诺系数 m2、断面坡面径流水力半径 r、面流沟道水力坡度 j；

5、s3.根据土体物理力学参数，结合伯努利方程，计算动水压力增加量 p add；

6、s4.根据s2中的碎石覆盖层颗粒相对暴露度系数 m1，和泥沙颗粒雷诺系数 m2，计算水下启动颗粒的颗粒上举力系数；

7、s5.根据s2中的断面坡面径流水力半径 r、面流沟道水力坡度 j，计算径流剪切应力 τ；

8、s6.根据面流侵蚀启动颗粒模型，计算出水中颗粒的上举力；

9、s7.根据面流侵蚀启动颗粒模型，和微元分析的方法，结合水中颗粒的上举力，确定碎石颗粒在顺流方向受力和碎石颗粒在顺流方向阻力；

10、s8.根据面流侵蚀启动颗粒模型，结合碎石颗粒在顺流方向受力和碎石颗粒在顺流方向阻力，得出山前洪积扇面流侵蚀碎石启动粒径。

11、作为本发明的进一步改进，所述s1中，面流侵蚀的土体物理力学参数包括：

12、面流沟道坡度 θ，沟道平均流量 q，沟道近底流速 v，土体重度，径流密度 ρ w，碎石水下休止角 φ，碎石概化粒径 d，过水断面宽度 d，湿周 x，泥沙颗粒雷诺数，碎石覆盖层颗粒相对暴露度δ’。

13、作为本发明的进一步改进，所述s1中，确定沟道过水断面面积和沟道过水断面宽度为：

14、沟道过水断面面积由沟道平均流量 q和沟道近底流速 v的比值得出，沟道过水断面宽度近似为湿周 d= x。

15、作为本发明的进一步改进，所述s2中，碎石覆盖层颗粒相对暴露度系数 m1、泥沙颗粒雷诺系数 m2、断面坡面径流水力半径 r（m）、面流沟道水力坡度 j的计算过程为：

16、颗粒相对暴露度系数 m1：

17、，

18、式中，δ’为碎石覆盖层颗粒相对暴露度；

19、泥沙颗粒雷诺系数 m2：

20、，

21、式中，为泥沙颗粒雷诺数，为水流摩阻流速m/s， d1为颗粒粒径， v1为水流运动粘滞系数；

22、断面坡面径流水力半径 r：

23、，

24、式中，为沟道过水断面面积， q为沟道流量， v为沟道近底流速， x为湿周；

25、沟道水力坡度 j：

26、 j = sin θ

27、式中， θ为面流沟道坡度。

28、作为本发明的进一步改进，所述s3中，动水压力增加量 p add的计算过程为：

29、动水压力增加量 p add：

30、，

31、式中， ρ w为水体密度， v为沟道近底流速。

32、作为本发明的进一步改进，所述s4中，水下启动颗粒的颗粒上举力系数为：

33、 c l= m1+ m2。

34、作为本发明的进一步改进，所述s5中，计算径流剪切应力 τ为：

35、，

36、其中 r为断面坡面径流水力半径（m）， j = sin θ为面流沟道水力坡度，为碎石颗粒径流重度。

37、作为本发明的进一步改进，所述s6中，计算出水中颗粒的上举力为：

38、，

39、式中， v为近底流速（m/s）， c l为上举力系数， d为碎石概化粒径， ρ w为径流密度。

40、作为本发明的进一步改进，所述s7中，确定碎石颗粒在顺流方向受力和碎石颗粒在顺流方向阻力为：

41、顺流方向受力：

42、，

43、式中，为颗粒横截面面积；

44、顺流方向阻力：

45、，

46、式中， p s为碎石颗粒在顺流方向阻力， η为碎石颗粒内摩擦系数， τ为径流剪切应力， r为断面坡面径流水力半径， w为是碎石颗粒在水下的有效重力， θ为沟道的坡度，、分别为碎石颗粒重度、径流重度。

47、作为本发明的进一步改进，所述s8中，由碎石颗粒在顺流方向阻力与碎石颗粒在顺流方向受力确定碎石启动粒径：

48、，

49、式中， d为碎石启动粒径（m）； θ为沟道的坡度（°）； r为不同断面坡面径流水力半径（m）； v为近底流速（m/s）；、分别为碎石颗粒重度、径流重度（kn/m3）； ρ w为径流密度（kg/m3）； η为摩擦系数， η=tan φ， φ为碎石在水下的休止角。

50、本发明的有益效果是：基于面流侵蚀启动颗粒模型，通过计算出水下启动颗粒的碎石覆盖层颗粒相对暴露度系数，和泥沙颗粒雷诺系数，水力半径，水力坡度，从而得到任意深度处碎石启动颗粒上举力系数，径流剪切应力。通过一定坡度下碎石颗粒启动条件，可以得到山前洪积扇面流侵蚀碎石的启动粒径。该计算方法经过了深入的概念分析和理论推导，在经过大量的现场试验验证，简便又实用，可用于面流侵蚀碎石启动粒径的计算中。