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.     

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。     

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。     

泥石流龙头运动的实验研究及能量理论

本文采用多种卵石进行水流冲刷沟床沉积物发展形成两相泥石流的实验，研究了泥石流的形成和发展过程，发现了形成泥石流的临界坡降与沟床卵石粒径的关系，揭示泥石流头部隆起高度与龙头卵石粒径成正比，提出了小卵石瞬时速度高而大卵石平均速度高的碰撞分选机理。本文建立了龙头运动的能量理论和泥石流平均速度的理论公式，并成功地计算了泥石流运动的平均速度。     

非均质泥石流形成过程动力学特征

非均质泥石流是产生于山坡与沟谷中的一种典型固液两相流,具有颗粒级配宽、容重大、流动阻力与流速分布的不均匀性等特征,致灾影响深远。本文通过在云南省蒋家沟泥石流观测研究站实施48组泥石流形成动力过程模拟试验,首先分析非均质泥石流起动方式,将模拟泥石流起动划分为常遇型、溃坝型及滑坡型三种类型,并进一步将泥石流形成过程划分为固体颗粒起动、固体颗粒加速混掺及固液两相流形成的三个不同阶段;基于孔隙水压力及水力因子等测定数据,分析揭示了泥石流形成的三阶段的动力学特征,表明三类泥石流形成后流速较大,均呈急流状态,而且水流强度以溃坝型泥石流为最大,常遇型泥石流次之,滑坡型泥石流最小。本项研究成果对丰富泥石流学科内容以及提高泥石流灾害预测水平具有重要意义。     

明渠液固两相湍流结构及谱特征

明渠液固两相湍流特征关系到渠内水流流态及泥沙的输运和沉积。通过明渠水槽试验,借助声学多普勒流速仪测量瞬时湍流流速,结合时均分析法和惯性耗散法统计分析脉动流速、Reynolds切应力、湍流强度、湍流自相关系数和湍流能量谱特征。结果表明:相对于单一液相,液固两相各湍流特征值明显增大,固相颗粒增加了液相的湍流强度;其次,河床处湍流涡漩弱于水深一半处和水面处,其对于固相颗粒的起动、输移具有关键作用;增加固相颗粒后,符合-5/3幂变化规律的能谱曲线更广,更有利于固相颗粒的输运。     

多组分流元模型在稀性泥石流堆积分选特征研究中的应用

基于结构两相流模型和PIC数值计算方法，本文探讨了稀性泥石流堆积过程中的泥沙分选特征。文中的模型可以模拟阵性泥沙流的非稳定特性，通过将传统的Euler和Lagrangian方法结合泥沙流运动的整个过程都能够采用多组分流元模型进行很好的描述。该模型也能够合理描述泥沙分选过程中伴随的冲淤过程。文中采用2～5°的坡度，固相颗粒被分为三组粒径不同的组分。研究表明，泥石流的垂向和横向分选都不明显，但是纵向分严为明显。河槽坡度和泥石流的密度是影响泥石流分选过程的两个关键因素。泥沙输移能力越大，颗粒分选越不明显，对泥石流分选特性的定量预测有助于深入了解泥石流的沉积机理和泥石流灾害的防治。     

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。     

多组分流元模型在烯性泥石流堆积分选特征研究中的应用

基于结构两相流模型和PIC数值计算方法，本文探讨了稀性泥石流堆积过程中的泥沙分选特征.文中的模型可以模拟阵性泥沙流的非稳定特性，通过将传统的Euler和Lagrangian方法结合泥沙流运动的整个过程都能够采用多组分流元模型进行很好的描述.该模型也能够合理描述泥沙分选过程中伴随的冲淤过程.文中采用2～5°的坡度，固相颗粒被分为三组粒径不同的组分.研究表明，泥石流的垂向和横向分选都不明显，但是纵向分选较为明显.河槽坡度和泥石流的密度是影响泥石流分选过程的两个关键因素.泥沙输移能力越大，颗粒分选越不明显，对泥石流分选特性的定量预测有助于深入了解泥石流的沉积机理和泥石流灾害的防治.     

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。     

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。     

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。     

离心力分离液固两相流

本文对旋流器中流体的运动微分方程、流线方程、速度分布、压力分布、能量损失进行了分析。重点是阐述了水力旋流器分离液固两相流颗粒运动状况,研究了不同流态下的颗粒相对运动速度,可除去的最小颗粒粒径以及除砂(泥渣)率的估算方法。     

汶川地震引发的流域管理新课题

汶川地震引发了大量的山体滑坡和崩塌.巨型滑坡夷平了山谷,创造了平缓坡地.这些新生地非常不稳定,易引发泥石流.尽快稳定和开发新生地是一个新问题.滑坡造成的堰塞湖引起剧烈河床演变,对河流地貌和稳定产生长远和深刻的影响.大量的崩塌体形成大石块堆积体,表面没有土壤,如何修复植被是一个严峻的挑战.本文通过野外测量和试验,对上述问题进行了探索并取得了初步成果.成果表明,采用阶梯-深潭结构稳定滑坡体,可以控制或减轻泥石流;发生于崩塌和滑坡体上的泥石流含水量小且大石块多,不是黏性泥石流而是两相泥石流,运动速度仅为黏性泥石流的1/10;堰塞坝发育成尼克点会显著改变河流纵剖面,稳定岸坡减少滑坡崩塌灾害;在花岗岩崩塌体上引种紫萼藓能显著加快植被演替,绿化裸露的石块堆积体.     

泥石流应力本构关系

利用作者在专门研制的仪器上进行两相体流变试验所获得的数据，进行了两相体应力本构关系的分析.两相体受剪时的应力是它的液相应力和颗粒应力之和，同时还存在着相间的相互影响.由张量分析结果，本构关系式可采用切变率二次多项式的形式.多项式中的每一项对应着不同的作用机制：切变率的零次项反映颗粒间的接触挤压作用和液相的屈服强度；一次项反映颗粒间的摩擦滑动和液相的粘滞应力；二次项反映颗粒的惯性碰撞作用和液相的雷诺应力.用相关分析建立了每一项的系数与两相体特性间的关系.每一项的颗粒切/法应力比具有不同的数值，其中二次项的应力比较小，数值与Bagnold的颗粒惯性区的值相近，零次项和一次项的比值较大，与宏观粘性区的值相近.在相当于自然界泥石流运动的颗粒特性和切变率条件下，颗粒的碰撞应力可不予考虑，可用具有屈服值的直线方程来表示.     

高浓度水流流速仪的研制与应用

作为一种复杂的固液两相流动，高浓度水流由于固体颗粒浓度高、颗粒级配宽及流动的可视性差等特点，致使其测流一直成为制约高浓度水流运动机理研究的瓶颈性问题。本文依据毕托管工作原理，通过液压传感方式感应测量高浓度水流动水压力和计算机数据采集处理等方法，成功地研制了新型感压式高浓度水流流速仪，并在室内天然沙与粉煤灰高含度水流试验中得到了应用。该流速仪研制成功为进一步研究高浓度水流流速分布规律、揭示其水流结构与输沙机理创造了有利条件。