粘性泥石流体应力本构关系的试验研究

为了能直接测定含有粗颗粒砾石的粘性泥石流体原样的流变特性，专门研制了大型泥石流流变仪，利用该仪器测试的结果分析研究了粘性泥石流体的应力本构关系。分析研究表明：粘性泥石流体在低速率区启动初始段，颗粒间的作用以接触挤压和滑动摩擦为主，其应力本构关系可用剪切稀化的幂定理方程来描述；在剪切速率区流动剪切段的应力本构关系，包含滑动摩擦作用的零次项和反映惯性碰撞的平方项，具有屈服应力和剪切膨胀的流变特征。     

泥石流阵性流和触变唯象模型的探讨

泥石流体的触变性可以较好地展示泥石流的阵性流和冲淤变化机理，泥石流触变滞后环（下降段）具有促进泥石流阵性流产生的作用。本文首次用实验方法探讨了泥石流浆体的触变唯象模型η＝η∞／ｔｃγ＋η∞。该触变模型展示了定态粘度（η）、剪切速率（γ）和滞后环模型参数关系，并与试验结果相吻合。它为泥石流防治提供了确切参数。     

粘性泥石流体阵性流形成机理的研究

通过粘性泥石流体阵性流的野外观测，和应用最新研制的大型平板旋转式泥石流流变仪测定粘性泥石流体的应力应变特性，发现含有砾石的粘性泥石流启动时具有明显的应力过冲特征。这种应力过冲特征，与由粘性介质阻力变形初期的剪切稀化和高浓度粗细颗粒相互挤压的内摩擦力共同组成和泥石流体的应力滞后特性（抗剪强度）有关。根据所测定的粘性泥石流体的准静摩擦角、正压力和动摩擦系数，通过剪切面上流动坡度的推导与泥石流体启动高度的演算，并与粘性泥石流体阵性流观测资料进行对比，初步揭示了粘性泥石流体阵性流的形成机理。     

粘性泥石流体阵性流形成机理研究

通过粘性泥石流体阵性流的野外观测 ,和应用最新研制的大型平板旋转式泥石流流变仪测定粘性泥石流体的应力应变特性 ,发现含有砾石的粘性泥石流体启动时具有明显的应力过冲特征。这种应力过冲特征 ,与由粘性介质阻力形变初期的剪切稀化和高浓度粗细颗粒相互挤压的内摩擦力共同组成的泥石流体的应力滞后特性 (抗剪强度 )有关。根据所测定的粘性泥石流体的准静摩擦角、正压力和动摩擦系数 ,通过剪切面上流动坡度的推导与泥石流体启动高度的演算 ,并与粘性泥石流体阵性流观测资料进行对比 ,初步揭示了粘性泥石流体阵性流的形成机理。     

泥石流暴发的应力自组织临界特性

泥石流是一种严重的自然灾害。从广延能量耗散的角度看，泥石流暴发的应力演化过程是一种自组织临界过程。斜坡松散碎屑土触变液化系统在暴雨激发下，内部不同因子间的相互非线性作用，导致斜坡碎屑土自然地朝临界极限应力状态发展，最终暴发泥石流。本文以应力的自组织观点，分析了泥石流暴发的特性。蒋家沟泥石流的资料显示，泥石流规模与频率间存在着幂律关系，这说明泥石流活动具有自组织临界的特性。     

粘性泥石流运动模型的实验研究

粘性泥石流运动模型的研究因受实验条件的限制,还很不完善。国内外学者应用较多的５种模型都有一定的适用性,但也都存在不同的缺陷。本文应用粘性泥石流土样中的细颗粒和粗颗粒进行流变实验,不仅得到了粗颗粒在浆体中的沉降特性和泥石流体的流变特性,还研究了粘性泥石流运动模型及其参数。所提模型能很好地反映泥石流体的流变特性,较现有的５种模型能更好地描述粘性泥石流。     

粘性泥流沟道内堆积特性的直槽概化模型试验分析

粘性泥流作为粘性泥石流这一山区最常见也是危害最大的泥石流类型的基质,其堆积特性在较大程度上可以反映粘性泥石流的运动规律。设计建造室内直槽概化模型试验台,反复开展了不同条件组合下的粘性泥流直槽堆积试验。试验结果进一步证实:粘性泥流在任意沟道坡度下均能发生堆积,堆积厚度沿程不等。基于不等厚度假定,应用一维静力理论分析方法导出了两种简单条件下粘性泥流的堆积形态曲线方程。经与模型试验及野外实测曲线对比,二者符合情况较好,所得方程可供预测粘性泥石流在天然沟道中的堆积范围提供参考。     

考虑损伤特征的冻风积土加载模型与试验研究

为了研究冻风积土在不同温度、各级围压条件下的应力—应变关系与加载损伤特佂,通过对不同负温不同围压条件下的冻风积土试样进行三轴剪切试验,获得其应力—应变关系曲线。按照用切线模量定义损伤变量方法对Duncan-Chang非线性模型变换得到了损伤变量随偏应力的演化规律表达式,引入具有衰减特性的负指数控制方程用以描述切线模量随偏应力增加而衰减特征。将损伤变量和切线模量的控制方程导入损伤本构关系中推导出了冻风积土加载损伤模型。研究发现:(1)损伤变量是一个依赖于围压及抗剪强度指标c、φ值并随偏应力不断演化的变量;(2)加载损伤模型在偏应力较小时描述冻风积土在三轴剪切过程中的应力—应变发展关系较为理想。     

黏性泥石流对山区油气管道的冲击动力响应研究北大核心CSCD

近年来,随着人类活动引起的地质灾害和极端天气现象频发,因泥石流引发的管道失效事故及次生灾害不断发生。为掌握黏性泥石流冲击山区油气管道的动力响应规律,建立了基于有限单元法与光滑粒子流体动力学(FEM‐SPH)的山区泥石流与管道的多物理场耦合模型。通过把黏性泥石流浆体简化为非牛顿流体——宾汉流体,研究X70钢管在泥石流作用下冲击响应过程,得到了管道不同位置的位移及应力时程特征,结果表明:①将泥石流浆体简化为宾汉流体,并离散为SPH颗粒不仅可真实展示泥石流的行进过程,也能清晰地反映泥石流对管道的动力响应规律。②通过建立多物理场耦合模型来模拟黏性泥石流冲击过程,发现泥浆附带的块石将会受到浆体阻力影响,运动加速度将受到限制。③泥石流对管道产生的破坏力主要来自泥石流“龙头”产生的瞬时冲击力和块石造成的局部撞击力;在泥浆作用下,所产生的应力主要分布于管道迎冲面中心截面处和管道背冲面与山体交界处,石块作用力主要集中在撞击部位,对管道背撞面影响较小;泥石流对管道产生的冲击位移整体呈现“马鞍状”的对称分布。研究所采用的非牛顿流体模型为泥石流对建(构)筑物的冲击模拟提供了新途径,相关研究结论可为泥石流段管道的灾害防控提供理论参考。     

泥石流的运动机理和减阻

野外调查研究发现,存在着两种具有不同动力学特征和机理的泥石流,粘滞性泥石流和两相泥石流,粘滞性泥石流由卵石、沙和粘土构成,难以区分固相和液相,为典型的非牛顿体,具有间歇性流动,“铺床现象”,高达60％的减阻和显著超高等流动特点,粘滞性泥石流的阻力远小于流变参数所代表的阻力,传统的利用本构方程研究阻力的方法不能解决问题,研究表明,其30％的减阻是由于铺床作用,另外20％－30％,是由于流动混合物充气所致,两相泥石流主要由粗颗粒物质构成,两相之间有明显的相对流动,显示较大的阻力和发生“石街”现象。粘滞性泥石流沟谷的中值坡度为0．16,两相泥石流阻力大,因而河谷的平均坡度较大（0．19－0．27）。     

粘性泥石流一维运动数学模型

粘性泥石流是指自然界中最典型的一种泥石流。作者依据野外原型观测和室内实验，证实该类流体具有带流核的层流特征并可用宾汉（Ｂｉｎｇｈａｍ）模型来表达。在此基础上推导其阻力和平均流速计算方法。我们认为，粘性泥石流作为不可压缩连续介质流体，符合质量、动量守恒律，因此可采用纳维－斯托克斯方程组来表达。考虑到它为拟线性双曲型偏微分方程组和阻力参数等特点，应用Ｌａｘ－Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓ差分格式，选用云南东川蒋家沟的原型观测资料作为边、初值条件，编制计算机程序及数据库，而获得粘性泥石流水深、流速等要素的时空变化规律。该模型可以直接用于泥石流工程防治和量化的预测和警报     

粘性泥石流阵性运动对沟床冲淤演变的影响--以云南东川蒋家沟为例

粘性泥石流沟床的冲淤具有其特殊的机理,年内及一场泥石流的沟床冲淤主要受泥石流体性质、流型、规模的控制,阵性运动中沟床演变主要反映在残留层厚度的变化。对云南东川蒋家沟进行野外现场泥石流及沟床冲淤的定位观测,应用观测资料对阵性粘性泥石流泥深、流速、拖曳力与沟床冲淤值的关系进行分析,认为在泥深<2.0m,流速<8m/s,流量<1500m3/s情况下,阵性泥石流运动前后沟床冲淤值与三者没有明显线性关系,沟床冲淤幅度较小,一般在-0.8~1.0m之间。通过分析,求得粘性泥石流沟床冲刷深度极限值的表达式。     

粘性泥石流扇状地发展过程实验研究

通过不同泥石流容重、不同堆积区坡度条件、不同水槽坡度条件的泥石流连续堆积实验共3组106次实验,定量地探讨了粘性泥石流扇状地发展过程的阶段性及其特征。以泥石流扇状地纵、横方向的平均堆积坡度为依据,将粘性泥石流扇状地的发展过程划分为三个发展阶段。第一阶段以扇状地在纵、横方向快速发展为特征。第二阶段扇状地纵向不再发展,以横向发展为主。第三阶段以扇状地纵向发展为主,横向发展缓慢。     

稀性泥石流的平均运动速度研究

泥石流的运动速度是泥石流动力学研究中最重要的参数。稀性泥石流是常见也是危害较大的泥石流类型,准确而简洁地计算稀性泥石流的运动速度非常重要。现有的稀性泥石流平均速度经验公式,在使用上和适用地区上还存在一些问题。本文通过分析一系列稀性泥石流观测资料中的体积浓度与稀性泥石流的运动速度和阻力特征的关系,得出了一个新的计算稀性泥石流平均运动速度的经验公式,该公式能适应各种类型的泥石流沟,适用于一般急流的稀性泥石流;对于缓流稀性泥石流,计算值与观测值相比偏大,但很接近;不适用于缓慢稀性泥石流。本文提出的经验公式,使用简洁,计算稳定,与其他方法计算的稀性泥石流平均运动速度很接近。该速度计算经验公式也适用于稀性泥石流堆积扇上游沟道,但对于堆积扇上的速度,计算值偏大,且越往堆积扇的下游,偏差越大。     

丹巴县邛山沟特大灾害性泥石流汇流过程分析

在实际调查的基础上,对2003年7月11日发生在四川省丹巴县邛山沟的特大灾害型泥石流汇流过程进行了模拟.研究发现,邛山沟泥石流的产生,系由于流域基岩表面的残破积物在70多天的断续降雨过程中饱和或接近饱和,在7月11日晚突降暴雨的作用下,沿途坡面土体基本同时启动,坡面泥石流汇流,产生高容重的粘性泥石流,最后与左支沟(甲沟)的洪水汇合形成大规模的泥石流.沿途由于粗大颗粒的堵塞,峰值流量在有些断面迅速增大.