基于能量耗损原理的泥石流分界粒径确定方法

本文以泥石流固相与液相的能坡损失之和来表达泥石流运动能量耗损总值,并基于最小能耗原理提出了泥石流固、液两相分界粒径的确定方法.通过在云南蒋家沟实施6组现场泥石流模拟试验,结果表明试验沟道的泥石流分界粒径处在5～6mm之间,与前人成果基本相符,同时分析了分界粒径与最小能量耗损和容重之间的变化规律,即分界粒径随着最小能坡损失和容重的增加而呈缓慢的增大趋势等,为建立了非均质黏性泥石流动力学模型奠定了基础.     

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。     

泥石流冲击荷载的概率密度分布试验研究

建立浆体黏度和级配固相颗粒组合条件下的泥石流冲击室内模型,进行5种浆体黏度、5种固相比和4种颗粒粒径组合的85组试验。对试验数据进行概率统计,分析试验条件下泥石流体的冲击荷载概率密度分布特征。分析结果表明:冲击荷载概率密度曲线符合Gauss分布形式,拟合吻合度均达97%以上,中误差小于0.01;从形态上将实验中的概率密度曲线划分为单峰、奇异单峰、多峰及双驼峰分布形式,得到各种分布形式所对应的工况;仅考虑浆体黏度时,概率密度分布曲线随着浆体黏度的增大由单峰变为奇异单峰甚至多峰的分布形式;不考虑浆体黏度时,则是随固相颗粒粒径的增大同样由单峰变为奇异单峰及多峰的形式。     

不同上限粒径泥石流浆体的流变参数变化规律

根据云南东川蒋家沟黏性泥石流原样颗分资料,利用泥石流堆积物配置4个黏性泥石流原样对应的上限粒径分别为0.25、1、2、5和10 mm的浆体,通过球系统开展流变试验,利用Herschel-Bulkley模型拟合流变曲线,研究较粗的颗粒加入细颗粒浆体后流变参数的变化规律。结果表明各样品均表现为剪切稀化流体,粗颗粒加入细颗粒浆体后浆体屈服应力增加,剪切稀化程度减弱;同样颗粒级配下,浆体的屈服应力随固体体积浓度指数增加。由于流动性指数的变化,粗颗粒加入后浆体稠度指数的变化没有明显规律,但是表观黏度增加,增幅略小于屈服应力的增幅。粗颗粒浆体与细颗粒浆体的相对黏度和相对屈服应力之间存在显著的线性关系,可根据该关系式对泥石流原样的表观黏度进行估算。     

泥石流阵流的物质组成、流量过程与形态特征

阵性运动是黏性泥石流的主要运动形式,但对泥石流阵流过程中各参数变化规律的研究较少.以蒋家沟泥石流为研究对象,依据2001年7月8日泥石流监测数据,对黏性泥石流阵流的物质组成、流量过程与形态特征进行了分析.结果表明:泥石流阵流固体颗粒粒径范围较大、以粗颗粒为主,具有良好的分形特征,粒度分维值与泥石流的容重、颗粒含量、分选...     

非均质泥石流堆积过程粒度与粒序分布特征

以非均质泥石流为研究对象,通过实施云南东川蒋家沟泥石流堆积过程现场模拟实验,首先分析非均质泥石流堆积物颗粒级配组成的平面变化特点,即容重较低的稀性泥石流堆积扇两侧及前缘细颗粒较多,而容重较高的黏性泥石流堆积扇的两侧及前缘粗颗粒较多,并得出非均质泥石流堆积物中值粒径随泥石流容重减小而降低的结果;在此基础上,进一步分析泥石流堆积物垂向粒序分布特征,结果表明蒋家沟泥石流容重较小时泥石流堆积物颗粒垂向呈现正粒序分布,否则呈现反粒序分布或混杂粒序分布。本文研究成果对下一阶段建立泥石流堆积动力学模型及预测堆积成灾规模奠定了基础。     

煤浆管道输送颗粒级配降级研究

针对目前管道输煤颗粒级配降级影响因素及煤颗粒降级对输送参数的影响规律方面的研究不足,采用试验方法研究了煤颗粒管道输送时浆体流速、颗粒大小、泵送时间对颗粒级配降低的影响,同时还通过试验以及理论分析相结合的方法,研究了煤浆级配降低后对浆体黏性、管道输送阻力和临界淤积流速等输送参数的影响。研究指出浆体流动速度越大,泵送时间越长,颗粒粒径越大,颗粒的降级率越大。试验观测和理论分析结果表明,浆体级配降级导致浆体黏度升高,阻力降低,不淤流速相应减小,且黏度和阻力值可用费祥俊黏度和阻力模型进行准确预测。在此基础上,结合有关研究,推导了临界淤积流速的计算模型。     

非均质泥流的输移特性

非均质泥流是一种含有大量悬浮细颗粒的高浓度固液两相流体，也是泥石流的一种特例。作者依据水槽输沙试验资料建立的泥流不淤流速公式，通过实测资料检验了其可靠性。在此基础上考虑推移部分影响，推导得出非均质泥流的不淤流速、临界坡降、沟道断面形态指标等重要的输移临界参数计算公式。最后列举计算实例，提出应用计算方法，并据此进一步揭示了非均质泥流的输移特性。     

泥石流体的结构模式和粗颗粒对泥浆体流变特性的影响

本文提出了把组成成分复杂的泥石流体划分成浆体介质和固体颗粒两大部分的结构模式,并提出了如何划分此两大部分的颗粒粒径界限的建议.然后,对浆体部分的流变特性进行了试验研究.从试验结果建立了描述浆体掺入粗颗粒后泥浆体流变参数变化的半经验关系.掺入颗粒后的新混合体的刚度系数可以表示为同时,绘制出了不同浓度下浆体屈服切应力的变化曲线.试验还发现.不仅是粒径小于0.005毫米的粘粒组成的泥浆体属宾汉型,有屈服切应力,而且大于0.005毫水的其它各级土粒组成的浆体,当浓度达到一定的数值后,也呈现有屈服切应力.这可能由于颗粒间直接接触相互摩擦的结果.     

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—固体颗粒运动流体化

含有松散的固体颗粒的流体,不是连续介质.本文用流变方程式来表达泥石流运动,仅是一种概念性的模拟.用颗粒之间撞击的概念说明了泥石流运动类型及其转化.说明了Bag-nold的试验结果与Smoluchowski的撞击理论相一致.流变方程式τ=B+Cdu/dy=B+K(du/dy)~2中,阻力分为两部份,一部份为颗粒之间的静阻力B,一部份为颗粒撞击而产生的阻力.进而推导得到流速垂线分布和平均流速.说明底部有一个“作用流速”,才产生底床的冲刷与淤积.基于作用力与阻力相平衡的原理,泥石流流速公式可用Chezy或Manning公式形式来表达.而流速系数有关因素很多,十分复杂,表现出地域性的差别很大.基于与的物理意义,在泥石流运动过程的部份时段内,和部份断面间距内为层移运动,与之间存在函数关系,输沙率可以用Bagnold,Yalin,Meyer-Peter等公式来计算,并用实测资料来校核.     

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。     

不均匀沙的推移质输移规律的研究

本文详细地分析了不均匀沙与均匀沙起动和输移规律的主要不同点,指出:不均匀沙的起动和输移过程又是一个床沙粗化或细化过程,两者互相制约,具有不恒定的特性(如间歇性、阵发性和运行轨迹Z形性等),使得不均匀沙的起动和输移复杂多变,与同粒径的均匀沙相比较,较细颗粒的起动流速高于均匀沙;较粗颗粒的起动流速又低于均匀沙,这一临界粒径的大小,随不同的床沙而异,床沙越粗、组成越不均匀,粗化作用越大,这一临界粒径也越大, 文中以实测资料揭示了目前我国常用的起动和输沙率公式计算值与实测值难于符合的问题,对文献[5]、[6]提出的不均匀沙的起动和输沙率公式的主要参数进行了分析和肯定,不足之处予以修正,并用常规测量或同位素追踪测量沙波形态、连续性、运行速度和波体容重所得的推移质输沙率和坑测输沙率资料进行分析验证,结果吻合良好,最后对本研究领域需要深入研究的关键问题提出建议,     

泥沙干容重计算的新途径

分析了干容重的主要影响因素,指出浆体的极限浓度是影响干容重的重要指标之一。沿用浑水容重与含沙浓度间的变化规律,建立了干容重与床面泥沙的含泥浓度间的关系;并将含泥浓度与浆体极限浓度有机地联系起来,从而获得了包含有泥沙粒径、级配及形状等因素在内的非均匀泥沙干容重的计算公式。验证计算表明,公式计算结果与实测资料基本一致。     

骨料粒径对自密实混凝土离析的影响研究

影响自密实混凝土离析的因素很多,其中骨料粒径大小是主要因素之一。文章在运用斯托克斯理论分析骨料离析的基础上,采用落球测浆体黏性系数的方法研究不同骨料颗粒粒径在同稠度浆体下的离析程度,以及混凝土拌和物达到同流动性时骨料粒径与浆体黏性的关系。结果表明,随着骨料颗粒粒径的增大,骨料离析程度呈迅速加大趋势;在满足相同流动性的条件下,随着骨料粒径的增大,为减小骨料离析,浆体的黏度应相应增大;当骨料粒径增大到一定程度后,浆体黏度的增长明显加快,为保证相同的流动性,浆体用量也需明显增加;浆体黏度随骨料粒径增大的增长过程线存在一个突变段,从骨料离析的角度分析,确定在该突变段前为骨料的合理粒径范围。     

泥石流粗大颗粒物质运动过程的数值模型

山区泥石流中粗大颗粒物质的运动、堆积和再启动等过程对泥石流灾害的形成具有特殊的意义.将成分复杂的泥石流体划分为连续性的水沙混合流浆体和随机分布在浆体中粗大固体物质,基于角动量、动量守恒原理,通过分析泥石流流场中的颗粒间、颗粒和泥石流浆体间、颗粒和床面间的复杂作用力,建立了适用于模拟泥石流中大颗粒运动的模型方程.将模型应用于舟曲三眼峪泥石流模拟,计算结果表明:模拟结果较好反映了泥石流粗大颗粒物质的运动和停淤现象.该模型可为分析大颗粒物质对泥石流灾害形成的分析提供借鉴.     

泥石流浆体屈服应力的计算方法

大量试验资料表明，泥石流浆体具有屈服应力，很多研究成果表明，浆体屈服应力由两部分组成，即网格结构的联结力和沙粒间的摩擦力，本文以颗粒电化学理论为基础，从理论上导出这两部分的表达式，得到浆体屈服应力公式，并用试验资料进行了验证。     

蒋家沟流域非泥石流活动期的输沙特征

实测2008—2009年间蒋家沟非泥石流时期推移质和悬移质的总量,分析非泥石流时期蒋家沟的输沙特征,结果表明:非泥石流活动期推移质含量极大,年输沙量达3.6万t,相当于一次中等规模泥石流的固体物质总量;泥石流对推移质和悬移质含量影响很大,泥石流之后,河道内悬移质和推移质含量呈衰减趋势,其中悬移质呈负幂指数衰减y=y0exp(-bx),推移质衰减速度大于悬移质;推移质粒径范围雨季和旱季差别较大,悬移质则相对一致,悬移质和推移质粒径分布均满足对数高斯分布y=aexp(-(x-b)2/c2);悬移质具有良好的分形特征,能得到其分维值范围,并确定悬移质分形的无标度区的界限,即划分床沙质和冲泻质的临界粒径为16μm,大于和小于该粒径的颗粒组成均具有较好的分形特征。     

泥石流模拟：I-模型

对粘性泥石流的堆积过程．给出平面二维运动的基本方程。用固液两相流模型来模化阻力项，并讨论了泥石流中液、固两相分界粒径的选取以及有关特征参数的计算问题最后结合已有的应力一应变本构关系．建立泥石流的流团模型．包括运动方程和数值计算方法。     

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。