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.     

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     

阵性泥石流运动与堆积的欧拉─拉格朗日模型──Ⅰ.理论

自然界中的泥石流具有突发性和非恒定性的特点。为了模拟典型泥石流现象,在流团模型的 基础上,进一步完善了基于欧拉─拉格朗日（Ｅ—Ｌ）观点的ＰＩＣ（Ｐａｒｃｅｌ　Ｉｎ　Ｃｅｌｌ）算法,细化了流元结 构,建立了能够模拟典型阵性泥石流发生、运动和堆积的准结构两相流模型。求解该模型不仅可以 模拟泥石流运动过程,而且可以对泥石流的堆积过程、停积形态、冲刷特征及泥石流中多组分颗粒 的分选特征进行定量描述。     

怒江东月各泥石流搬运能力研究

泥石流灾害的破坏能力除了受地质、地形及水文条件的控制外,还与泥石流浆体特性密切相关。对采集于东月各特大粘性泥石流堆积体中2 mm以下土体样本进行了土水混合静置试验,并进行了粒度分析,以计算上限粒径D_0、分析密度变化对于泥石流浆体乃至泥石流体悬浮能力的影响;同时结合2 mm以下土体沉积现象探讨了泥石流体沉积规律与运动特征。试验结果表明,密度小于1.80 g/cm~3的浆体中,粒径0.07~0.20 mm部分较多集中于上层L1,而在中层L2与下层L3中含量较其他四组样品含量少;L1/L2,L1/L3比值随密度增加有一段明显的上升趋势;密度较小的样品浆体超孔隙水压力较小,浆体释水较快并且颗粒沉积呈明显的分选性;在极限状态下密度小于1.85 g/cm3的样品上限粒径D0较稳定,并且随着浆体密度增大,D_0值逐渐增大。     

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——Ⅰ.理论

自然界中的混石流具有突发性和非恒定性的特点。为了模拟典型泥石流现象,在流团模型的基础上,进一步完善了基于欧拉－拉格朗日（Ｅ－Ｌ）观点的ＰＩＣ（Ｐａｒｃｅｌ Ｉｎ Ｃｅｌｌ）算法,细化了流元结构,建立了能够模拟典型阵性泥石流发生、运动和堆积的准结构两相流模型,求解该模型不仅可以模拟泥石流运动过程,而且可以对泥石流的堆积过程、停积形态、冲刷特征及泥石流中多组分颗粒的分选特征进行定量描述。     

根据阵流估计泥石流堆积参数

泥石流堆积是泥石流产生灾害的主要方式，也是进行泥石流灾害评估的主要依据。根据泥石流堆积的形态特征提出了堆积的元过程叠加，将堆积与间歇性的阵流运动联系起来；利用近20年来蒋家沟泥石流阵流序列的观测数据，估计了堆积的相关因子，如速度、流深、流量、堆积厚度等。这些因子表现出一定的频率分布特征，它可能改变过去确定论的泥石流观念，同时也为提出新的泥石流评估模式提供了定量的依据。     

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。     

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。     

动床条件下泥石流运动参数变化特征实验研究∗

泥石流运动参数变化特征与泥石流流量、沟床纵坡和沟床物源物质组成等紧密相关,准确确定泥石流运动参数变化特征对于进行流域风险评估和防治工程规划设计具有重要意义。通过室内水槽实验探索了不同来流流量、 沟床纵坡和物源细粒含量条件下,沟槽观测点处泥石流流深、流速和容重的变化情况。结果表明：来流流量和沟床纵坡越大,物源细粒含量越小时,泥石流冲刷能力越强;相同实验条件下,流体流深与来流流量间呈正相关关系,与细粒含量间呈负相关关系,且流深受来流流量的影响大于细粒含量;流体流速与来流流量和沟床纵坡间呈正相关关系,与细粒含量间呈负相关关系,且流速受沟床纵坡的影响最大,受细粒含量的影响最小;流体容重与来流流量和细粒含量间呈负相关关系,与沟床纵坡间呈正相关关系,且容重受沟床纵坡和细粒含量的影响大于来流流量。 通过水槽实验数据对泥石流流量进行拟合,采用流量拟合式对锅圈岩沟 2013 年“7·26”泥石流峰值流量进行计算, 与野外实测值对比精度高于 80%。     

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。     

八一沟松散堆积体粒度特征研究

八一沟位于地震极重灾区四川省都江堰市龙池镇云华村,历史上多次发生过大规模泥石流。通过对现有的粒度分析方法进行了总结,采用矩法和标度法分析了八一沟内松散堆积体(坡积物、沟床沉积物、泥石流沉积物)的粒度特征,最后对比分析了现有粒度分析方法。结果表明,八一沟上游为泥石流的主要物源和流动区,对颗粒沉积的影响较小,而下游的堆积区则对颗粒级配的改造较大。标度法可以通过幂指函数对松散堆积体的级配进行统一描述,八一沟中上游堆积土体的特征粒径Dc主要分布在10左右,这与该颗粒级配主要形成低密度泥石流的预测和八一沟已发生的泥石流密度(1.7~1.8g/cm3)一致,说明在强降雨条件下,八一沟上游会再次诱发低密度泥石流。因此利用不同的土体粒度分析方法,可以推测松散堆积体的沉积环境及未来的活动特征。     

乌鲁木齐机场戈壁砾石土填料的工程特性试验研究∗

以新疆乌鲁木齐机场改扩建工程中道基填筑拟采用的戈壁砾石土填料为研究对象,开展了戈壁砾石土的颗粒分析、表面振动压实、点荷载强度等物理力学试验,对其颗粒特征、压实特性以及大粒径砾石强度展开了探讨.结果 表明:该地区戈壁砾石土不均匀系数Cu为37.9,曲率系数Cc为2.12,属于级配良好的砾类土,且填料在1～2 mm粒组处存在一定程度的缺失;不同粗颗粒含量戈壁土均存在明显的最优含水率与最大干密度,最大干密度随含水率变化呈现抛物线形式,且随着填料粗颗粒含量的增加而增加;天然级配的戈壁砾石土粗颗粒含量超过70％,最大干密度可达2.41 g/cm3;另外,戈壁砾石土中大块砾石的强度较高,自然风干状态下单轴抗压强度的平均值约为60 MPa.试验得出乌鲁木齐机场建设采用的天然级配的戈壁砾石土是一种非常好的道基填筑材料,研究结果亦可为类似工程提供参考.     

白龙江流域武都区段新发泥石流堆积物基本特征及颗粒级配分维研究∗

白龙江流域是我国泥石流的高发地区,在强降雨的激发下沟谷内堆积的大量固体松散物质易形成泥石流。 松散固体物质的颗粒级配影响着它的力学性能,进而对泥石流的启动产生较大影响。强降雨后,松散堆积体内大范围剪切破坏而转化为泥石流。以白龙江流域近期新发泥石流的 16 条泥石流沟为研究对象,取其具有代表性的堆积样品,通过室内土工实验,测试其基本物理力学参数。并通过筛分及激光粒度仪对样品的颗粒进行分析,采用统计图解法、粒度分维法和经验公式法对泥石流堆积物的特征、性质、粒度分形结构和颗粒级配关系进行分析。结果表明：1. 区内泥石流堆积体粒度分布具有良好的分形特征,粒度分维值 D 为 2.5~2.6,且粒度分维值 D 随黏粒含量 P_c的增加而增大,二者满足关系式 D=0.115 1ln(P_c )+2.509 8。2. 通过经验公式、粒度分维计算、现场称重等方式确定了白龙江流域武都区段大部分泥石流为黏性泥石流。3. 堆积物中的黏粒含量较多,但大都缺失中间粒径,级配不良,且堆积物的抗剪强度普遍不高。各泥石流堆积物的物理力学性质有着较大的差异,但其内摩擦角却大都在 27°~30°变化。说明该区域泥石流堆积物的内摩擦角具有良好的相似性。通过研究新发泥石流堆积体的物理力学特性,依据分形理论,剖析粒度分维值与粒度组成、粘粒含量、黏粒级配等相关性,为泥石流防灾减灾提供基础数据支撑。     

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。     

不同颗粒级配条件下堰塞坝溃决特征试验研究

为研究坝体颗粒级配对堰塞坝溃决特征的影响,引入平均粒径D50作为主要指标,以不同均值粒径的土体作为研究对象,通过开展不同颗粒级配条件下堰塞坝溃决特征试验,分析堰塞坝体在3种不同工况下的破坏模式和溃决特征。结果表明,1工况3条件下坝体溃决历时是工况1的2.5倍,而溃决洪峰流量减小了约60%,说明坝体平均粒径对坝体的溃决特征有显著影响,平均粒径越大,坝体整体抗冲刷能力越强,溃口发展速度越慢,坝体越稳定,溃决洪峰流量就越小,达到洪峰流量的时间也相对滞后;2平均粒径和渗透系数可拟合成二次函数曲线,随着平均粒径的增大,渗透系数也随着增大;以孔隙水压力的变化特征为依据,把溃决过程分为3个阶段,即上游库水位增加阶段、水流漫顶下渗阶段、坝体溃决阶段。     

混合土物理性质试验研究∗

土体的物理性质与力学性状之间存在一定的联系,研究不同混合比例的混合土的物理性状变化,对于快速测定混合土体的力学参数有很大的帮助.通过对两种原始黏土及人工配制的五种不同混合比例的混合土的物理性质进行研究,探讨混合土的颗粒粒径分布、土粒密度、液限以及塑性指数随混合比例的变化规律.研究结果表明:原始土的性质对混合土体的基本物理性质产生重要的影响.混合土的颗粒粒径分布和土粒密度按混合比例成比例的发生变化,随着混合土中膨润土百分含量的增加,其黏粒含量线性增加,粉粒含量线性减小,砂粒含量线性减小;混合土的液限与塑性指数的变化规律一致,以非线性的方式随着混合土混合比例的变化而变化,其中在混合土中含有膨润土的情况下,这种变化趋势更加明显.     

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。     

泥石流堵塞坝溃决模式实验

为了研究泥石流堵塞坝溃决的模式,采用模型实验对堵塞坝溃决的过程进行模拟,实验历时2个月,共13组.实验中,通过改变主沟的水力参数和坝体参数研究泥石流堵塞坝溃决的全过程,并作了相关记录.通过对理论和实验数据的分析,泥石流堵塞坝的溃决形式有3种:冲刷溃决、有表面流的泥石流堆积体水力再启动、没有表面流的泥石流堆积体重力再启动.讨论了冲刷溃决中颗粒启动和有面流泥石流水力再启动的临界条件,并分析了启动流速u0和颗粒粒径D之间的关系;分析了泥石流重力再启动时堵塞坝坡面破坏的一般形式和特征;通过实验数据对不同溃决形式的溃决条件进行了验证,结果比较吻合.     

单切口坝对稀性泥石流的拦砂性能——试验研究与比较分析

通过室内水槽试验,探讨了单切口坝对稀性泥石流的拦砂性能,并与梳子坝的试验结果进行了比较分析。初步得到：（1）单切口坝有全闭塞、部分闭塞和不闭塞3种闭塞类型。当切口宽度b与稀性泥石流中最大颗粒粒径dmax之比b／dmax≤0．394时,切口全闭塞;b／dmax≥1．478时,切口不闭塞;0．394〈b／dmax〈1．478时,切口为部分闭塞。（2）单切口坝在降低过坝泥石流密度变化量上,与梳子坝有相似规律。对单切口坝而言,b／dmax在0．394～0．739之间,过坝泥石流密度变化量随b／dmax增大而增大,在b／dmax=0．739时,过坝泥石流密度变化量达到最大,其后随着b／dmax的进一步增大,过坝泥石流密度变化量逐渐减小;在0．493≤b／dmax≤0．986之间,单切口坝降低过坝泥石流密度变化量较显著。（3）在相同的试验条件下,以过坝泥石流平均密度及其降低率为防治泥石流的效益指标,显示梳子坝与单切口坝的坝后平均密度的比值大多小于1,表明在相同的试验条件下梳子坝对稀性泥石流的防治效果较好。