波状泥石流运动特性分析

基于波状泥石流运动的基本方程，即浅水波方程，本文中分析了运动速度与形状保持不变的波状泥石流波面形态，并与蒋家沟实测４阵波状泥石流波形在运动过程中变化的波状泥石流，作者在明槽中进行了模拟试验，并用特征线方法做了相应计算，试验测量结果包括固定点泥位变化，不同时间泥石流波峰位置及波状泥石流最终停积形态；计算结果包括波状泥石流的运动过程，从开始运动、中间任一时刻波状泥石流的位置及波形，到最终停积波面形态整     

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。     

黏性泥石流残留层的床面减阻研究综述

黏性泥石流运动理论的核心问题在于确定黏性泥石流运动阻力和流速。但由于其运动的复杂、流态的多样,导致了阻力准确计算的困难,也制约了泥石流运动流速和流量公式的建立和推广应用。关于黏性泥石流的运动阻力问题,目前多聚焦于泥石流固液间相互作用的内部阻力关系,鲜见对于其床面阻力的研究。介绍了黏性泥石流的典型运动过程—"铺床",描述了铺床过程形成的残留层导致床面减阻现象,概述了目前国内外各泥石流运动模型对泥石流阻力的研究,并总结了残留层导致减阻的可能原因和目前多采用的床面阻力计算方法。认为残留层导致的复杂减阻效应,是黏性泥石流运动尤其是高速运动研究中不可忽视的一部分,但目前各类模型和水力学经验公式都无法概化黏性泥石流运动床面的阻力变化。鉴于此,提出了未来可开展的工作:(1)认知"铺床"导致的残留层的形成和发展过程;(2)探讨残留层床面减阻机制;(3)研究残留层床面阻力计算。     

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。     

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。     

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.     

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...     

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。     

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。     

泥石流运动的层移质模型及其试验研究

认为泥石流中固体颗粒更接近于层移运动的形式,可用泥沙层移质运动模型来描述泥石流运动.用轻质塑料沙进行试验,得到颗粒浓度沿深度的分布.按Bagnold关于颗粒碰撞产生离散力的概念,考虑Savage提出的修正,得到离散力的表达式.根据试验观察,认为近床面运动的颗粒中还存在附加阻力,提出其表达式.代入浓度分布以后得到颗粒速度的分布,与试验资料吻合,并与已有的泥石流试验资料和计算公式进行了比较和讨论.     

ENERGY DISSIPATION AND CALCULATION OF RESISTANCE AND VELOCITY OF DEBRIS FLOW

ＥＮＥＲＧＹＤＩＳＳＩＰＡＴＩＯＮＡＮＤＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮＯＦＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥＡＮＤＶＥＬＯＣＩＴＹＯＦＤＥＢＲＩＳＦＬＯＷＦＥＩＸｉａｎｇｊｕｎ１ａｎｄＸＩＯＮＧＧａｎｇ２ＡＢＳＴＲＡＣＴＢｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔ...     

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。     

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。     

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。     

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。     

岩屑组成对高位滑坡-碎屑流运动特性影响离散元模拟研究

采用三维颗粒离散元模拟方法,对4种由不同粒径碎屑颗粒组成的岩屑滑坡运动过程进行全程数值模拟,研究了碎屑粒径组成对于岩石碎屑滑坡的运动特性影响。结果表明:碎屑颗粒粒径组成对岩石碎屑滑坡的运动总时间和达到速度最大值的时刻没有影响;物源碎屑粒径的组成对滑坡运动速度、破坏力和滑动距离影响大。粒径组成越不均匀,滑坡运动速度和破坏力越大,滑动距离也越远;碎屑流物源前缘部分是滑坡-碎屑流灾害影响范围大小的控制性因素。成果可为岩石碎屑滑坡灾害的预测和评估提供参考。     

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。     

消能结构防治泥石流研究——以文家沟为例

阶梯-深潭系统作为一种新的消能结构在2009年用于文家沟滑坡体上新生沟谷的泥石流治理研究。阶梯-深潭系统在阶梯和水跃段耗散了水流大量的能量,使得水流中的能量减小到不足以触发泥石流,理论分析表明阶梯-深潭系统可以耗散水流三分之二的能量,即同样状况下触发泥石流的临界流量需增加三倍。阶梯-深潭系统使得水流阻力最大化,避免河床和岸坡遭受侵蚀。2009年的几次暴雨没有在文家沟引发泥石流。然而,2010年在沟内修筑了20道拦挡坝来代替阶梯-深潭系统,经过2010年8月暴雨后,20座拦挡坝全部被破坏。沟谷再次下切了50m。沟谷下切和侧蚀导致大量松散堆积物进入沟道形成泥石流,约450万m3冲出沟口,造成大量的房屋被埋以及14人死亡。比较两种防治方法可以看出,以消能为目的的阶梯-深潭系统对防治泥石流是成功的。拦挡坝在稳定的情况下可以减少边坡的垮塌,而阶梯-深潭系统还能够通过耗散水流能量稳定沟道,因此采用拦挡坝和阶梯-深潭系统相结合的方式来稳定滑坡体上的新生沟谷,并控制泥石流可能效果会更明显。