1.2 泥石流沖擊力

實施泥石流治理工程以及預測泥石流溝岸在泥石流作用下的演化過程，其關鍵環節是確定泥石流的沖擊力。由于泥石流體物質成分的多相性、泥石流暴發時間的不確定性以及其強大的毀損性，目前國內外在泥石流沖擊力計算方面的研究進展緩慢，現有泥石流沖擊力計算方法中比較成熟的有3種，即流體動壓法、船筏撞擊法和地貌形跡法。

1.2.1 流體動壓法

根據流體力學，流體動壓力公式一般表示為

式中：γc為泥石流體的平均容重（kN/m3）；vc為泥石流體平均流速（m/s）；P為單位面積上的流體壓力（kPa）。

式（1.45）對于一般均勻流體比較適用，而對于泥石流，計算值偏小。康志成等根據云南蔣家溝1974—1975年沖擊力測試資料對式（1.45）進行了修正，表達式為

式中：k為泥石流不均勻系數，k＝2.5～4.0；其余物理量同前。

1.2.2 船筏撞擊法

由于泥石流的沖擊力比水流大得多，在成昆鐵路、東川地區公路沿線，有多處橋梁墩臺被沖擊毀損乃至沖斷。在泥石流溝中的橋梁墩臺設計時，沖擊力為主要橫向設計荷載，在泥石流沖擊力公式尚不完備之前，目前國內暫行采用船筏撞擊力公式計算泥石流塊石沖擊力。沖擊力公式為

式中：P為泥石流體中巨石的集中沖擊力（N）；γ0為動能折減系數，對圓端屬正面撞擊取0.3；W為單個塊石的質量（kg）；α為橋墩受力面與泥石流沖擊力方向所夾的角（°）；c1和c2為巨石及橋梁墩臺圬工材料的彈性變形系數（m/kN），采用船筏與墩臺撞擊的經驗取值，c1＋c2＝0.005m/kN。

1.2.3 地貌形跡法

大量調查顯示，每次泥石流活動后均會在防治結構或泥石流溝岸坡出現大量的沖擊形跡，如沖擊坑、沖蝕槽等，也會在泥石流溝內殘留大量的沉積物。因此，把泥石流體概化為固、液兩相流體，根據泥石流分相流速計算理論建立泥石流兩相沖擊力計算方法，并由泥石流沖擊形跡計算泥石流沖擊時間，可以有效地弱化現有沖擊力的不確定性，并且可以在泥石流暴發后根據現場調查、取樣分析來估算泥石流活動期間的沖擊力及沖擊時間。

泥石流在沖擊防治結構時，表層泥石流體具有壅高現象，一般壅高0.8～1.0m。壅高流體內富含固相顆粒，顆粒近似呈拋物線向上游拋出而形成與攔擋結構垂直的近似縱向顆粒及漿體環流，泥石流體通常形成順時針環流和逆時針環流，分界點一般在泥石流體深度的2/3處，其上為順時針環流，其下為逆時針環流（圖1.1）。順時針縱向環流從泥石流體表層向下逐漸減弱，逆時針環流內固相顆粒近似呈S形，沿著流體地層偏轉進入速流槽。逆時針縱向環流對泥石流溝床具有較強的掏蝕作用，可視為局部侵蝕。每次泥石流后，在防治結構面墻或泥石流溝岸均會留下大量的沖擊形跡，在防治結構面墻形成的沖擊形跡可稱為沖擊坑（圖1.2），在岸坡腳形成的沖擊形跡可稱為沖蝕槽（圖1.3）。

以下為4種基本假定。

第一，把泥石流中粒徑大于2mm的固相顆粒視為固相物質，其余視為等效漿體，即把泥石流體概化為由等效均質漿體和粒徑相同的固相顆粒組成的兩相流體。

第二，把泥石流體視為與溝床平行的一維兩相流運動體系，固、液兩相的運動速度分別為vs和vf，并且固、液兩相以相同的角度沖擊防治結構和岸坡。

第三，泥石流在運動過程中，不考慮外部質量源，即不考慮岸坡對泥石流體的物源補給，泥石流在溝槽內沖淤平衡。

第四，把沖擊坑和沖蝕槽等沖擊形跡概化為半橢圓球體，其長軸、短軸和深度分別用變量ac、bc、cc表示。沖擊形跡坑口面積Ak和坑內表面積Sk分別由式（1.48）和式（1.49）計算。

1．泥石流漿體沖擊強度

以單位體積的泥石流液相漿體為控制體，其在防治結構表面的最大沖擊面積約為3.9m2。令泥石流液相漿體的密度和運動加速度分別為ρf和af，則控制體的質量mf為

運用牛頓第二定律，則單位承沖面上泥石流漿體沖擊強度qf為

式中：ρf的單位為kg/m3；qf的單位為Pa；g為重力加速度，取9.8m/s2。

2．泥石流固相顆粒沖擊力

泥石流固相加速度計算式為

式中：G0為固液兩相流動差異系數，建議取值范圍0.6～0.8。

以單個固相顆粒為分析對象，其質量ms為

運用牛頓第二定律，可得顆粒沖擊力ps0為

式中：ps0的單位為N；de為等效顆粒粒徑（m）。

對于單位沖擊面積的泥石流固、液兩相流體而言，由于固相比為α，則泥石流含有的固相顆粒數Ns為

式中：α為泥石流體固相比，即泥石流體中固相顆粒體積占液相漿體的體積的比例。則單位承沖面積上的泥石流固相顆粒沖擊力Ps由下式計算：

式中：Ps的單位為Pa。

3．泥石流兩相沖擊力綜合表示式

防治結構或岸坡表面單位面積承受的泥石流沖擊力與泥石流液相漿體沖擊力、固相顆粒沖擊力等有關，即

其顯式表達式為

式中：p的單位為Pa；K0為沖擊力顯式系數，一般取500～550，泥石流體黏度越高取值越大。

4．泥石流沖擊時間

以泥石流沖擊地貌形跡為分析對象，運用極限平衡理論建立沖擊地貌形跡的力平衡方程并據此獲得泥石流累計沖擊時間，即

式中：Tk為沖擊形跡的形成時間，即泥石流沖擊時間（s）；Kr為材料承沖系數（表1.7）；τk為材料抗剪強度（kPa）；θ為泥石流沖擊方向與承沖面法向之間的夾角（°）。值得指出的是，若沖擊形跡是由一次泥石流沖擊所產生，則由式（1.60）計算的時間即為一次泥石流沖擊時間，若沖擊形跡由多次泥石流沖擊形成，則由式（1.60）計算的時間為泥石流累計沖擊時間。