两相泥石流龙头的非恒定运动过程及能量特征

两相泥石流通常会出现高陡的龙头,其集中了大量的粗大卵石和砾石,呈现间歇性或波动性的运动。两相泥石流的运动除了取决于流体本身的流变特征外,液相和固相之间的能量传递也起到了重要作用,利用能量分析方法来研究两相泥石流固相、液相和龙头之间的能量转化机理是研究两相泥石流非恒定运动的有效途径。通过野外两相泥石流原型和水槽实验,研究其非恒定运动过程,结果表明,两相泥石流的龙头在泥石流起动初始阶段逐渐增长,当运动到一段距离后,趋于稳定。龙头高度和速度都有波动特征,通过能量分析建立了物理方程,分析证明两相泥石流龙头运动的平均速度正比于沟道的坡降和激发泥石流的洪水流量,反比于龙头的体积。     

稀性泥石流冲刷规律的试验研究

稀性泥石流具有很强的输沙能力,可在运动过程中强烈刷深泥石流沟道.以理论分析和野外水槽试验相结合,对稀性泥石流的冲刷规律进行了初步的探讨研究.沟床物质的初次冲刷应该考虑非均匀床沙是否会发生粗化,因此根据沟床物质在稀性泥石流的冲刷作用下形成粗化层的临界判别条件,将稀性泥石流的冲刷归纳成3种不同的模式,并分别推导了这3种不同冲刷条件下,床面冲刷深度的计算方法.然后进一步通过野外水槽试验探讨了床沙全沙输移情况下,沟床冲刷系数的取值.稀性泥石流累次冲刷问题的关键是前一次冲刷形成的床面结构是否会破坏或再生,本文最后结合野外水槽试验中累次冲刷的试验结果,分析了沟床累次冲刷深度的计算方法.     

泥石流输砂能耗及运动速度与阻力的计算方法

泥石流由于其固体浓度高，物质组成的粒径范围很宽、运动机理十分复杂，因而泥石流治理实际工作中急需解决的问题，如泥石流运动速度及阻力等的计算，迄今未能取得满意的结果。本文根据泥沙运动力学理论，分析泥石流中不同粒径固体运动形式及其消耗，从宏观的能量角度提出各类泥石流的运动速度与阻力计算的新途径，其结果可供实际工作者参考应用。     

洪水侵蚀沟床形成泥石流的临界水力条件研究

洪水侵蚀沟床形成泥石流是泥石流的主要类型之一,研究其形成机理和形成的临界条件有助于泥石流治理和预警预报。借鉴河流动力学中推移质输沙理论,对已有洪水侵蚀沟床形成泥石流的水槽试验资料分析表明,洪水侵蚀沟床所形成泥石流的体积输沙浓度随沟床固体颗粒物质无量纲切应力的增大而增大,且呈幂函数关系。采用定量标准作为泥石流形成判别条件,则泥石流形成临界条件是体积输沙浓度计算公式的一个特例,此时床面颗粒无量纲切应力为0.655,远大于泥沙颗粒起动无量纲切应力。基于10组水槽试验资料和1组蒋家沟原型观测资料的适用性分析表明,建立的体积输沙浓度计算公式是合理的,能够反映泥石流形成和输移规律,可用于指导泥石流形成临界水力条件的计算。     

黏性泥石流沟床冲刷深度试验研究

黏性泥石流冲刷沟床,会导致建筑物构筑物基础失稳,从而毁坏工程设施.本文通过室内水槽试验探究黏性泥石流沟床冲刷深度规律.试验结果表明:黏性泥石流沟床冲刷深度主要受沟床坡度、泥石流容重以及沟床物质容重的影响;黏性泥石流冲刷沟床的深度与沟床坡度成正相关,与泥石流容重或沟床物质容重成负相关;沟床平均冲刷深度与沟床坡度成线性正比关系,与泥石流容重成线性反比关系,与沟床物质容重的自然对数成线性反比关系.最后,分析得到黏性泥石流沟床平均冲刷深度经验公式.     

阵性泥石流的平均流速与加速效应

本文讨论了泥石流的定义和分类 ,分析了不同形式泥石流运动方程的结构特点 ,认为泥石流平均流速公式与曼宁公式结构相似。考虑了粗颗粒平均粒径、泥石流龙头泥位、体积比浓度、不稳定层厚度、泥面相对比降等因素对平均流速的影响 ,并用蒋家沟实测资料和实验室资料进行了验证。最后通过初步实验说明两阵泥石流迭加过程中出现超载孔隙水压力 ,孔隙水压力突然增加 ,且不能及时消散 ,减小了泥石流龙头的阻力 ,出现泥浆飞溅的加速运动。从而可以解释在缓坡 ( 5°～ 1 0°)上泥石流流速能够达到每秒十几米的成因。     

泥石流龙头的形成及特征研究

泥石流龙头的高度反映了泥石流的规模,是防治工程的重要参数之一。陡峻的地形、大量松散固体物质、丰富的水源构成了泥石流发生的三大要素,同时也是影响泥石流龙头高度的重要因素。通过采用均质沙及宽级配沙进行水槽实验,探究泥石流运动过程中龙头高度与沟道物质级配、流量、坡度之间的关系,提出泥石流龙头高度随流量、坡度、平均粒径、细沙含量的增加,呈先上升后下降的趋势。利用回归分析方法,采用水流功率的概念,建立了泥石流龙头高度计算模型,并采用其他科学家的试验数据进行了验证,可为预测不同条件下泥石流规模提供科学依据。     

泥石流的固液两相分界粒径

固液两相分界粒径的划分是采用两相流理论研究非均质泥石流的关键问题之一。通过分析泥石流液相浆体的组成机理,以及泥石流野外实测资料和试验数据发现,分界粒径与泥石流的容重、黏度和流速等因素密切相关;根据不同粒径颗粒的物理力学性质和运动特征,以及浆体中所含颗粒主要处于悬浮状态且不发生分选的特点认为,泥石流的分界粒径将随自身的演进过程在某个范围内发生变化,且其最大变化值与泥石流的颗粒组成和运动特征有关。根据各类泥石流中固相和液相的应力特征,分别讨论了不同输沙模式下分界粒径的确定方法。基于非均匀悬移质输沙理论,从泥石流运动过程中粗细颗粒交换的角度出发,利用挟沙力的概念建立了一套适用于两相紊流输沙模式下分界粒径的确定方法,其同时考虑了泥石流容重、黏度及流速等因素的影响,比较切合实际且能与实测资料的分析结果相吻合。     

河北省石家庄西部太行山区泥石流灾变机理

石家庄西部太行山区是河北省主要泥石流地质灾害频发区，该区地质构造强烈、岩石破碎、节理裂隙发育、沟谷狭窄、沟床比降大．每年7～8月份是强降雨期．沟谷源头侧壁岩土体的崩塌和滑坡与洪水混合，极易形成泥石流。该文认真分析了该区泥石流发生的时空分布和形成特征，研究了泥石流灾变的物源条件和动力条件，并将该区泥石流类型定为暴雨激发-崩滑演变-沟谷型泥石流。     

泥石流消能防治工程研究

文章以跌落式和滑落式两种典型泥石流形态为主要研究对象,分析了泥石流龙头的运动特征、减阻现象、龙头的控制作用、形成条件,初步总结了和消能理论有关的泥石流形成机理、泥石流水力特征及能量传递机理。提出了建立涵盖稳定性、地质地貌、生态、景观的检测评价机制,完善并且拓展人工阶梯-深潭功能。并将阶梯-深潭系统消能功能和显著生态景观效应作为常用工程措施的重要补充加以利用,在广大的河流沟谷具有比较好的应用前景。     

基于固液两相流模型的泥石流流速垂向分布研究

泥石流流速的垂向分布是泥石流运动理论中的核心问题之一。以固液两相流模型为基础,分析了泥石流中两相速度相等与不等条件下的本构关系和泥石流流速垂向分布的计算方法;在二维恒定均匀流的条件下,考虑两相之间的相互作用,推导层流和紊流流态下泥石流中液相和固相速度的垂向分布公式,并采用不饱和水石流的试验数据进行了验证。结果表明:泥石流两相之间的速度差异是描述两相之间相互作用的根本所在;泥石流固相浓度与本构关系中的模化参数均有关联,是流速垂向分布计算中的重要参量;基于两相流模型的泥石流流速垂向分布公式比现有公式更具普遍意义,且其计算结果能与试验数据较好吻合。     

入汇主河的泥石流龙头运动机理研究

作者基于野外观测资料和模型试验，提出了泥石流与主河交汇的两种模式，即：有上下分层交汇和无明显分层的潜入式交汇。建立了潜入式交汇的泥石流龙头运动方程，并讨论了模型参数的取值。计算结果得到以下结论：当主河水流费劳德数比较小(Fr＜0.35)时，入汇主河泥石流龙头在主河的运动速度近似以线性减速，且与试验值吻合较好；混合流粘滞系数和绕流系数对龙头运动速度影响较大；泥砂沉降速度对龙头内部体积比浓度有显著影响。     

考虑浆体黏度的泥石流流速计算方法

泥石流浆体黏度通过影响泥石流内、外部的阻力特征影响泥石流的糙率系数,泥石流糙率系数与浆体黏度之间的关系还没有基于观测数据的定量表述。通过对云南东川蒋家沟泥石流观测资料的分析,研究泥石流糙率系数与浆体黏度之间的关系,并通过回归分析得到考虑浆体黏度的泥石流糙率系数计算公式,最后基于此构建了考虑浆体黏度的泥石流流速计算公式。结果表明,随着泥石流浆体黏度的增加,泥石流糙率系数逐渐增加,浆体黏度在宏观上表现为增阻作用,考虑浆体黏度的泥石流流速计算公式改进了现有公式在计算浆体黏度较高的泥石流流速中的不足。研究结果可为进一步研究浆体黏度对泥石流运动阻力的影响提供参考,也为工程实践中的流速计算和增阻消能设计提供新的思路。     

基于动量守恒的粘性泥石流冲击力计算

目前针对泥石流冲击压力的计算公式均假定泥石流体为连续流体。粘性泥石流的主要流动形式为阵流,其流速和密度的变化规律,目前尚未清楚,采用现有公式误差较大。本文基于动量守恒原理,引入泥石流体微元概念,推导出泥石流冲击力计算公式;采用Hilbert变换这种数字滤波方法对实测的冲击作用信息进行信号处理后,计算出公式所需参量。     

粘性泥石流运动流速与流量计算

粘性泥石流作为最常见的一种泥石流，普遍存在于固体物质组成松散、降雨持续集中的陡峻山区。作者首先对现有的粘性泥石流运动速度的有关成果进行扼要评述。根据曼宁公式的结构形式，通过对大量泥石流沟的实测资料进行统计分析，得出涉及参数较为全面、具有一定普遍意义的粘性泥石流运动速度公式，经验表明该公式的可靠度令人满意，据此提出粘性泥石流的流量公式及其计算方法，从而为泥石流灾害治理工程规划设计提供了科学依据。     

水石流的输沙浓度与流动速度

自然界水石流以粗颗粒为主体 ,仍有一部分作悬移运动的细颗粒存在 ,这种情况下 ,水石流输沙浓度不仅与沟道纵坡有关 ,还与细颗粒含量有关。研究表明 ,水石流中细颗粒的存在 ,其输沙浓度比相同纵坡下没有细颗粒时有很大提高。由于水石流中细颗粒所占比重小 ,故其液相流速可以通过对一般水流流速公式的阻力因子进行修正获得。水石流的流速随其浓度增加而减少 ,在相同浓度下 ,水石流流速还因细颗粒含量大小而变化 ,在浓度较低时 (Sv <0 4 5 )影响还不明显 ,在浓度较高时 (Sv>0 4 5 ) ,细颗粒含量增加 ,使同浓度水石流的流动速度提高。笔者求得的水石流流速公式 ,经实际观测资料检验 ,结果满意     

偏转角度和颗粒级配对碎屑流前缘运动的影响

为了研究碎屑流的运动物性,通过室内模型试验研究了不同偏转角度和颗粒级配对碎屑流运动参数的影响。研究结果表明:在偏转作用下,相同颗粒级配的碎屑流前缘速度的减小比例和能量的消耗随偏转角度的增大而增大;持速阶段的平均速度、运动距离及减速阶段的初始速度、运动距离均随偏转角度的增大呈抛物线变化特征;偏转角θ为20°时各运动参数指标最大;相同偏转角度下,岩土体的中值粒径越小,碎屑流的前缘物质受到的阻止效应越明显,持速阶段的平均速度、运动距离越小;减速阶段的运动距离与初始速度和底部摩擦效应有关。最后,提出了偏转作用下碎屑流的能量线模型。     

怒江泥石流扇地貌特征与扇体堵江机理研究

怒江流域泥石流沟众多,而且主要是两相泥石流。两相泥石流龙头集中了大量的粗大卵石和砾石,形成的扇体阻力大,是改变怒江河流地貌形态的主控因素。洪积扇的数量和规模远远小于泥石流扇,科学区分怒江两岸的泥石流扇和洪积扇对山区防灾减灾意义重大。许多泥石流扇完全堵塞主河形成了堰塞湖,怒江高黎贡山峡谷河段几乎每隔10~20 km就有一个泥石流堰塞湖,峡谷河段形成一段段顺直河谷连接堰塞湖缓流+堰塞坝激流的不断重复的河道,造成堵江的泥石流沟的流域面积多集中在40 km2左右。泥石流堰塞坝尼克点的发育造成了河道内大量泥沙淤积,利用钻孔采样的方法分析了堰塞湖内泥沙淤积规律。野外测量和计算发现组成泥石流的规模和龙头出沟口的速度是造成堵河的主控因素。