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。     

粘性泥石流体触变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启动的应力本构方程和触变特性的关系。粘性泥石流体在低速率区启动初始阶段，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。粘性泥石流体在剪切“上行”与“下行”曲线环绕的延迟区域的存在，说明该流体具有触变能量，并通过触变能量的计算以及与泥石流运动要素的对比，探讨了粘性泥石流体触变应力本构关系。     

沟谷泥石流运动过程模型试验

泥石流运动过程是泥石流运动力学核心内容之一.以新疆天山公路K630泥石流为原型,选取几何相似比1:650,推导了泥石流质量、固液两相流速和泥石流冲击力相似比,以流通区为核心,建造了沟谷泥石流试验模型.试验结果表明,泥石流运动具有显著的阵流特性,阵流间隔时间为10s左右,其间嵌套2~3次弱阵现象;阵流期间,泥石流流速和冲击力均较大;从流通区的源头至沟口,流速呈现非线性增大趋势,且泥石流体中固液两相流速变化趋势相似,弯道处泥石流超高现象显著;泥石流运动初期由于泥石流体中固相和液相混和搅拌不均匀而呈现稀性泥石流特征,随后粘性特性增强.这些现象与现场观测结果基本一致.     

泥石流体的流变和冲淤特征及其与危险度的关系

从泥石流体流变特性的分析入手,深入地探讨了蒋家沟泥石流阵性流的淤积和冲刷特征。其冲淤变化特征与泥石流体的浓度特性和规模大小的发展过程有很大的关系。根据这些分析,可以将泥石流的危害划分为侵蚀和堆积两大类,并可能进一步完善泥石流危险度的评估。     

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。     

蒋家沟阵性泥石流输沙规律研究

阵性运动是粘性泥石流运动的主要形式,以蒋家沟5a中20次具有完整观测资料的典型阵性泥石流作为基础数据,对阵性泥石流输沙量、输沙级配变化进行了初步分析。分析发现阵性泥石流输沙量变化具有两种模式,输沙量峰值一般出现在阵次序列前期或序列中期。不同阵次泥石流颗粒级配曲线具有相似的特征。随着阵流的发展,泥石流细颗粒含量增加,粗颗粒含量不断减少,中值粒径、峰度系数、和质量密度总体均呈减小趋势;出现连续流时,粘粒含量不断增加,质量密度迅速减小,0.01 mm可以作为划分阵性泥石流颗粒的临界分维粒径,大于和小于该粒径的颗粒组成均具有较好的分形特征,其对于泥石流流态具有重要的意义。     

阵性泥石流运动与堆积的欧拉-拉格朗日模型──Ⅱ.应用

采用文献［１］中提出的阵性泥石流运动与堆积的欧拉－拉格朗日模型,模拟了阵性泥石流的运 动过程和堆积形态,得出了与地学研究中观测结果较为一致的认识．文中针对影响阵性泥石流的关 键条件,重点通过改变密度、坡度和各阵泥石流的时间间隔等参数,分析了这些参数变化对泥石流 运动及堆积规律的影响,提出了简化分析整个阵性泥石流的条件。研究表明,应用经试验资料验证 的数学模型不但可以方便、快捷地定量描述阵性泥石流的一般特性,而且能够提供关于阵性泥石流 运动及堆积的更多细节。     

阵性泥石流运动与堆积的欧拉-拉格朗日模型——II.应用

采用文献「１」中提出的阵性泥石流运动与堆积的欧拉－拉格朗日模型,模拟了阵性泥石流的运动过程的堆积形态,得出了与地学研究中观测结果较为一致的认识,文中针对影响阵性泥石关键条件,重点通过改变密度、坡度和各阵泥石流的时间间隔等参数,分析了这些参数变化对泥石流运动及规程规律的影响,提出了简化分析整个阵性泥石流的条件,研究表明,应用经试验资料验证的数学模拟不但可以方便,快捷地定量描述阵性泥石流的一般特征,而     

泥石流浆体屈服应力综合表达式的研究

根据野外泥石流浆体观测试验分析,通过对不同料径沙颗粒的甘油沙浆流变试验,以及动摩擦临界浓度和极限浓度的实验研究,导出了反映泥石流浆体结构强度的屈服应力综合表达式,以便为泥石流高浓度,高速机理探讨和泥石流防治工作的设计提供科学依据的参数。     

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。     

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     

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.