（水利水电工程专业论文）粘性泥石流运动机理及数值模拟研究.pdf

粘性泥石流运动机理及数值模拟研究 捅要 泥石流运动属于非定常的复杂多相流流动，其运动机理研究是研究泥石流的重要内 容之一，也是泥石流学科的前沿性基础理论问题，其研究内容属于流体力学、水土流失、 地质学、灾害学、水文学、计算力学等多学科的交叉复合，泥石流运动机理的研究可以 为防治泥石流灾害提供理论支持和指导。粘性泥石流运动数值分析是泥石流研究与计算 机科学、数学物理计算方法、软件科学等学科的再次复合交叉，是目前计算机科学在泥 石流研究中的新领域，对泥石流的理论研究和实际应用都有重要的价值和意义。 本文在总结前人研究泥石流的成果基础上，依托室内试验现象及结果，从粘性泥石 流的发生、起动、磨蚀、堆积等相关机理入手，分析粘性泥石流的运动特征，揭示粘性 泥石流的运动机理，并以此分析结果建立粘性泥石流的运动基本特征模型的基础框架。 为了更好解释粘性泥石流在运动过程中各物理量之间的相互关系，本文以水力学流体力 学为理论基础，在一定的假设条件下，推演出了粘性泥石流的运动控制方程，并对其进 行简化，给出有限元离散格式和有限元方程的整体方程格式；同样，考虑粘性泥石流浆 体与河谷岸坡之间的相互作用，建立了粘性泥石流与河谷岸坡之间的耦合控制方程和离 散方程格式；最后在利用计算机对粘性泥石流进行数值模拟分析，从可视化的角度分析 粘性泥石流的运动特征，通过将模拟结果与试验现象和试验数据、理论分析相结合，综 合总结出粘性泥石流的运动特征及其表征这些宏观特征的运动机理。 通过研究，本文取得的主要成果有： 1 ) 提出泥石流的运动特征是泥石流运动机理的宏观表征，所以研究泥石流运动特 征就是对泥石流运动机理的揭示。在此基础上，通过分析总结构建了粘性泥石流的运动 特征基本模型框架； 2 ) 通过粘性泥石流室内试验的现象观测初步建立了泥石流浆体的平衡和起动条 件； 3 ) 在水力学流体力学的基础上，总结和借鉴前人的研究成果的基础上，推演出一 维、二维的粘性泥石流运动控制方程的有限元离散格式和有限元整体方程格式；并在一 定假设条件下，推演出了考虑泥石流与河谷岸坡的相互作用的粘性泥石流与岸坡的耦合 方程的有限元离散格式和整体方程； 4 ) 在a u t o c a d 2 0 0 9 测试版的平台下，采用实测河谷数据建立河谷三维等高线图， 在u gn x 6 0 测试版下建立三维的河谷模型，并通过a n s y sw o r k b e n c hv l l 测试版为网 格划分平台建立网格，最后在a n s y sw o r k b e n c h c f xy 11 测试版中模拟泥石流的三维 流动以及泥石流浆体与河谷之间的耦合作用。这是泥石流理论研究与计算科学的有机 结合的成功尝试，为泥石流研究拓展了思路。 关键词：粘性泥石流运动特征运动机理控制方程数值模拟 a n s y sw o r k b e n c h v 11 有限元 耦合作用 v 硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o v e m e n to fd e b r i sf l o wi sac o m p l e xa n du n s t e a d ym u l t i p h a s ef l o w ，s t u d y i n gi t s m o v e m e n tm e c h a n i s mi so i i co ft h ei m p o r t a n tc o n t e n t so fd e b r i sf l o w ，a n db e l o n g st ot h e f o r e f r o n ta n di n t e r d i s c i p l i n a r yt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no nd e b r i sf l o w 1 1 坞s t u d yi n v o l v e s f l u i dm e c h a n i c s ，s o i l ，g e o l o g y , d i s a s t e rs c i e n c e ，h y d r o l o g y ，c o m p u t a t i o n a lm e c h a n i c s ，a n ds o o n , w h i c hi sai n t e r d i s c i p l i n a r ya n dm u l t i d i s c i p l i n a r ys c i e n c e t h es t u d yo fm o v e m e n t m e c h a n i s mi m p r o v e st h ed c b r i sf l o wd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dc o n t r o l l i n g ，c a np r o v i d ea t h e o r e t i c a ls u p p o r ta n dg u i d a n c e 1 n h en u m e r i c a la n a l y s i so fv i s c o u sd c b r i sf l o wi n t e g r a t e s d e b r i sf l o w 。c o m p u t e rs c i e n c e ，m a t h e m a t i c a lp h y s i c sc a l c u l a t i o n s ，s o f t w a r ea n do t h e r s c i e n t i f i cd i s c i p l i n e s ，b e c o m i n gan e wc r o s s c o m p o u n df o r m a t i o n ，w h i c hi sc l a s s i f i e di na n e wf i e l do ft h es t u d yo fc o m p u t e rs c i e n c eo nt h em u d r o c kf l o w ，t h ev a l u ei ss i g n i f i c a n c e n o to n l yi nr e s e a r c hb u ta l s op r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h e o r y i no r d e rt oa n a l y z ei t sm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hr e v e a l st h em e c h a n i s mo fv i s c o u s d e b r i sf l o w s u m m a r i z i n gs o m ep r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t so fd e b t i sf l o w ，a n db a s e do nt h e p h e n o m e n o no fl a b o r a t o r yt e s ta n dt h er e s u l t s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eo c c u r r e n c e ，s t a r t - u p ， a b r a s i o n ，t h ea c c u m u l a t i o no fv i s c o u sd e b r i sf l o wa n do t h e rr e l a t e dm e c h a n i s m ；a n dt h u su s e s t h er e s u l t so ft h ea n a l y s i st oe s t a b l i s ht h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sf r a m e w o r km o d e l t ob e t t e r e x p l a i nt h er e l a t i o n s h i po f e a c h p h a s ei nv i s c o u sd e b r i sf l o w ，t h ep a p e ru t i l i z e ss o m eb a s i s t h e o r yo ft h eh y d r a u l i cf l u i dd y n a m i c s ，i nt h ec e r t a i na s s u m p t i o n s ，d e r i v e sag r o u pc o n t r o l e q u a t i o n so ft h em o v e m e n to fv i s c o u sd e b r i sf l o w ，a tt h es a m et i m es i m p l i f i e si ta n df o r m sa f i n i t ee l e m e n tm e t h o dd i s c r e t ee q u a t i o n sa n dw h o l ef m i t ce l e m e n te q u a t i o n ；s i m i l a r l y ， c o n s i d e r i n gi n t e r a c t i o i l sb e t w e e nt h ev i s c o u ss l u r r ya n dt h ev a l l e yb a n k s e s t a b l i s h e sc o n t r o l e q u a t i o n so ft h ev i s c o u sd e b r i sf l o wa n dt h ev a l l e yb e t w e e nt h eb a n k sa n dad i s c r e t ec o u p l e d e q u a t i o n sf o r m a t ；a tl a s tt h ep a p e rd e p e n d so nc o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y s i so fv i s c o u sd e b r i s f l o wt oa n a l y z ei t sc h a r a c t e r i s t i c sf r o mt h ev i e wo fv i s u a l i z a t i o no ft h ev i s c o u sd e b r i sf l o w m o v e m e n t f i n a l l y ，t h ep a p e rc o m b i n e st h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lp h e n o m e n a t o s u m m a r i z ev i s c o u sd e b r i sf l o wc h a r a c t e r i z a t i o na n di t sm o v e m e n tm e c h a n i s m t h em a i nr e s u l t sa c h i e v e di nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w ： 1 ) p u tf o r w a r d t h a td e b r i sf l o wc h a r a c t e r i s t i c sb e l o n g st ot h em a c r o c h a r a c t e r i z a t i o no ft h e i t sm o v e m e n tm e c h a n i s m ，s ot h es t u d yc h a r a c t e r i s t i c so fd e b r i sf l o ws h o u l dr e v e a lt h e m e c h a n i s mo f d e b r i sf l o wm o v e m e n t o nt h i sb a s i s ，t h e p a p e rc o n s t r u c t s t h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c sf r a m e w o r km o d e lb ya n a l y z i n gt h es u m m a r yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i s c o u s d e b r i sf l o wm o v e m e n t ； o nb a s i so ft h e o r yo ft h eh y d r a u l i cf l u i dd y n a m i c s ，d e r i v e sag r o u po fc o n t r o le q u a t i o n so f t h em o v e m e n to fv i s c o u sd e b r i sf l o w ，a n ds i m p l i f i e si ta n df o r m saf m i t ce l e m e n tm e t h o d d i s c r e t ee q u a t i o n sa n dt h ew h o l ef m i t ee l e m e n te q u a t i o n ；s i m i l a r l y ，c o n s i d e r i n gi n t e r a c t i o n s b e t w e e nt h ev i s c o u ss l u r r ya n dt h ev a l l e yb a n k s ，e s t a b l i s h e sc o n t r o le q u a t i o n so ft h ev i s c o u s d e b r i sf l o wa n dt h ev a l l e yb e t w e e nt h eb a n k sa n dad i s c r e t ec o u p l e d e q u a t i o n sf o r m a t ； 粘性泥石流运动机理及数值模拟研究 钔o nt h ep l a t f o r mo fa u t o c a d 2 0 0 9b e t av e r s i o l l ，u s i n gm e a s u r e dv a l l e yd a t a ，d r a w s t h r e e d i m e n s i o n a lv a l l e yc o n t o u rm a p ，o nt h cp l a t f o r mo fu gn x 6 0b e t av e r s i o n ， e s t a b l i s h e so ft h et h r e e d i m e n s i o n a l v a l l e ym o d e l ，a n do nt h cp l a t f o r m o fa n s y s w o r k b c n c h1 1b e t av e r s i o nd i v i d e st h em o d e li n t on e t w o r kc e l l ，a n df i n a l l ys i m u l a t e s t h r e e d i m e p _ s i o n a ld e b r i sf l o wa n dc o u p l i n gf l o wb e t w e e nt h ev a l l e ya n dd e b r i sf l o w t h i si sa s u p l 耽s st oa t t e m p t so ft h eo r g a n i ci n t e g r a t i o nb e t w e e nt h et h e o r e t i c a ls t u d yo fd e b r i sf l o wa n d c o m p u t e rs c i e n c e ，w h i c he x p a n d st h ei d e ao fd e b r i sf l o wr e s e a r c h k e yw o r d s ：v i s c o u sd e b d sf l o w ；m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ；m e c h a n i s mo fm o v e m e n t ； c o n t r o l l i n ge q u a t i o n s n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；a n s y s w o r k b e n c hv 1 1 ；c o u p l i n g 硕士学位论文 插图索引 图1 1 中国泥石流重点泥石流灾害分布图嘲2 图1 2 甘肃省泥石流灾害等级分布图。2 图1 3 研究技术路线1 l 图2 1 泥石流模拟试验台布置示意图1 3 图2 2矩形试验槽断面尺寸o 1 4 图2 3 泥浆的循环路线1 4 图2 4 水平地面上绘制平面坐标1 4 图2 5试验用土样固体颗粒级配曲线1 6 图2 6 试验用土样及泥石流体抗剪强度图( 1 为土体，2 为泥浆) 1 6 图2 7p 一1 7 5 9 c m 3 浆体在倾角为1 0 9 6 时的流态( 供给量刀j ) 1 7 图2 8 p 一1 7 5 9 c m 3 浆体在倾角为5 4 6 时的流态( 供给量力s ) 1 8 图2 9 阵流龙头平面示意图图1 9 图2 1 0 垂直流速分布示意图删1 9 图2 1 1 倾角为5 4 。p = 1 8 s g c m 3 泥浆流拉裂形态( 供给量2 ，s ) 2 0 图2 1 2 泥石流扩散淤积形态2 0 图3 1 泥石流发生发展消亡过程在空间上分区锄2 4 图3 2 典型泥石流各分区嘲2 5 图3 3 一维浆体稳定分析2 8 图3 4 起动模型( 崔鹏) 2 9 图3 5 二维泥石流起动受力分析示意图3 0 图3 6 泥浆微元体及其所受的侧压力分布3 2 图3 7 流深、流宽、流长关系图3 4 图3 8 计算值与试验实测淤积流深和流长比较。3 4 图3 9 浆体应力示意图3 8 图3 1 0 浆体在运动过程中变形示意图4 4 v 粘性泥石流运动机理及数值模拟研究 图3 11 泥石流运动特征模型理论框架4 9 图4 1 一维泥石流浆体控制体5 2 图4 2 二维模型控制体示意图5 3 图4 3 三角形单元6 0 图5 1 泥石流与河床岸坡耦合的力学模型6 8 图5 2 简化后的泥石流与岸坡耦合物理模型6 9 图6 1 泥石流数值模拟过程7 9 图6 2根据实测甘肃省永靖县境内某一条泥石流沟三维点数据在a u t o c h d 2 0 0 9 测试版 绘制三维等高线图7 9 图6 3 将a u t o c a d 2 0 0 9 测试版生成的三维等高线图导入n xu g 6 0 测试版中修改后的三维 三次样条曲线8 0 图6 4在n xu g 6 0 测试版中生成的三维沟谷曲面8 0 图6 5 n xu g 6 0 测试版中建立的沟谷三维实体模型8 1 图6 6三维沟谷实体模型导入a n s y sw o r k b e n c h l1 0 测试版后的截图( 正面) 8 1 图6 7 三维沟谷实体模型导入a n s y sw o r k b e n c h l l 0 测试版后的截图( 背面) 8 2 图6 8 三维沟谷实体模型导入a n s y sw o r k b e n c h l l 0 测试版网格划分后的截图8 2 图6 9三维沟谷实体模型导入a n s y sw o r k b e n c h c f x l1 0 测试版模拟截图黔 图6 1 0c f x 求解监控器8 s 图6 1 1 流线分布图( 正面) 8 6 图6 1 2 流线分布图( 底面) 8 6 图6 1 3 流线分布图流线密度为( ( 8 0 条i n 2 ) 8 7 图6 1 4 初始速度速度矢量图8 7 图6 1 5 初始速度压力图蹈 图6 1 6流线图。韶 图6 1 7流线图。8 9 图6 1 8 耦合思路框架9 0 图6 1 9 泥石流域模型9 2 图6 2 0 固体岸坡域模型9 2 i x 硕士学位论文 图6 2 1 耦合模型网格。9 3 图6 2 2 耦合模型细部网格9 3 图6 2 3 单向耦合时泥石流浆体计算域内流线图( 2 5 0 条2 ) 。9 4 图6 2 4 双向耦合时泥石流浆体计算域内流线图( 2 5 0 条0 ) 9 4 图6 2 5 双向耦合时泥石流浆体整个计算域的速度矢量图9 s 图6 2 6 泥浆对岸坡的压力矢量图9 5 粘性泥石流运动机理及数值模拟研究 附表索引 表1 1 甘肃泥石流多发区泥石流统计表1 表1 2 甘肃省危害严重的泥石流灾害一览表。3 表1 3 泥石流模型方程与模型特点一览表。8 表2 1 试验用土样的颗粒组成。1 5 表2 2 试验用土样直剪试验成果1 6 表2 3p = 1 7 5 k g c m 3 的泥浆在不同供给流量与倾角下试验槽中的淤积厚度2 1 表3 1 综合评估泥石流因子嘲2 7 表3 2 运动特征主次因子4 7 表3 3 粘性泥石流从起动到淤积过程中的特征4 8 表4 1 & 前后控制体各面的泥石流流深与流量5 4 表6 1 模型网格详细信息9 1 表6 2 岸坡固体计算域材料参数( 单位：m p a ) 9 1 表6 3 泥石流计算域材料参数9 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 爱坷磊 日期：夕年 旯j 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名缓极勇 翩警i 劾 ，。， 日期：汐罗年月n 魄哆年石月夕日 粘性泥石流运动机理及数值模拟研究 第1 章绪论 1 1 泥石流分布及灾害概况 泥石流是发生在山区的常见地质灾害，是一种饱含大量泥沙石块和巨砾的固、液、 气三相流，流动状态呈粘性层流或是稀性紊流，是介于崩塌、滑坡与含沙水流之间的一 系列的连续流动形态。它具有爆发突然、来势凶猛、破坏力大、突发性与短暂性，多物 相性与不均质性，脉动性与大冲大淤积性，周期性与季节性，夜发性与齐发性等诸多特 点。泥石流的发生常常冲毁或淤埋铁路、公路、桥梁、农田以及水利、国防、通讯和旅 游区等工程设施，甚至摧毁城镇和厂矿造成巨大的经济与社会损失。泥石流常常给山区 原本就脆弱的生态环境和经济发展带来负面的影响。泥石流对人类的危害是多方面的， 其灾害不仅包括直接的还包括间接的，泥石流堵江淤河可能再次诱发更大规模的泥石流， 危害性加大，泥石流破坏了生态植被，不仅使得生态恶化，也会造成水土流失后，地皮 深度风化，更利于后续降雨形成水土流失，甚至发展成新的泥石流。可以说泥石流的灾 害以及由此诱发的次生灾害不断危害着人类的生产生活等经济活动，要防治泥石流的危 害，必须认识研究泥石流以及泥石流发生、发展与消亡的过程。泥石流运动机理的研究 是泥石流研究的主要手段和重要研究内容之一，泥石流与人类的活动息息相关，因此泥 石流机理的研究在工程和理论上都有重要的意义和价值。但是泥石流这一概念，目前国 内外尚未有明确一致意见。从全面研究泥石流过程来说，泥石流研究不仅仅是研究泥 石流本身的属性，而且也包括形成泥石流的各种自然现象和人为因素作用的全过程，泥 石流研究涉及地质学、地貌学、气象学、水文学、岩土力学、流体力学、灾害学等多种 学科，甚至是多种学科的交叉和渗透，所以泥石流的研究方法也也很多。由于我国山区 丘陵面积占相当大比重，约占国土面积4 3 脚，是世界多泥石流国家，遭到泥石流不同 程度危害的省、市、自治区达2 3 个嘲，特别是西南山区( 横断山区和川滇山区) 、青藏 高原边缘山区、西北山区、黄土高原山区、华北和东北山区等泥石流分布较为集中。总 之，中国泥石流具有分布广泛、类型多样、活动频繁、危害严重等特点。 表1 1 甘肃泥石流多发区泥石流统计表 地区 陇东陇西陇南甘南合计 类型 河谷型 4 35 65 11 21 6 2 沟谷型 1 4 0 71 1 7 61 0 2 13 6 13 9 6 8 合计 1 4 5 01 2 3 51 0 7 23 7 34 1 3 0 所占比例( ) 3 5 12 9 92 691 0 0 1 学住论女 图1 1 中国泥石流重点泥石流灾害分布图。 图12 _ 肃省泥石流灾害等级分拓圈 粘性泥石流运动机理及数值模拟研究 其中，甘肃是全国四大泥石流危害区之一，全省8 7 个县( 市) 中，5 3 个发生过泥 石流灾害。据现有资料统计，全省共有泥石流沟6 2 6 0 条，其中河谷型和沟谷型泥石流共 4 1 3 0 条，占总数的6 6 ，其余为山坡型泥石流。这些泥石流沟大部分集中在东部，河西 地区较少。全部河谷沟谷泥石流中，陇东占3 5 1 ，陇南、甘南占3 5 ，陇西占2 9 9 9 6 ， 如果将山坡型泥石流统计在内，陇南地区泥石流在全省中占绝对优势。受降水分布 和暴雨出现次数的影响，甘肃泥石流分布密度和暴发频率由南向北呈递减趋势，大致可 分为陇南粘性泥石流分布区、黄土高原泥石流分布区和河西内陆河流域泥石流区等三个 泥石流带。全省8 7 个县( 市) 中，有5 3 个发育有泥石流，分布面积约1 3 5 x 万k m 2 ， 占全省总面积的3 0 。按物质组成可分为泥流和泥石流两大类，其中泥流分布面积约6 4 万k m 2 ，主要分布在我省黄土高原；泥石流分布面积约7 1 万k d ，主要分布在陇南、渭 河河谷和祁连山区。 甘肃泥石流危害主要表现在： 1 ) 对城镇的危害。据统计，甘肃省受泥石流冲埋过的县以上城市1 0 多个，已经侵 袭或正受威胁的乡镇3 0 多个，其中以兰州、武都、天水等城市最为严重。 2 ) 对工矿企业的危害。据不完全统计，1 9 6 4 年以来受到泥石流危害的工厂企业约 3 0 多个，主要分布在天水市和兰州市。 3 ) 对公路、铁路的危害。境内天水、陇南等许多公路交通线都遭受过泥石流危害。 受危害最重是陇海铁路的宝天段，从葡萄园至北道埠间，严重威胁铁路的泥石流有l o 余处。 4 ) 对农业的危害。泥石流对农业的危害比较严重，全省每年约有数千亩土地遭受危 害。位于冲积扇上的农田，常因泥石流改道而被埋没，水渠和水库也遭受泥石流危害： 横穿泥石流冲积扇的水渠，常因泥石流埋没而废弃；修建在泥石流区的水库，也因淤积 而缩短使用年限。甘肃省上世纪6 0 年代以来危害严重的泥石流灾害如表1 2 。 表1 2 甘肃省危害严重的泥石流灾害一览表 位置发生时间泥石流性质损失情况 死亡1 0 0 余人，毁学校、幼儿园及工厂，直接经 兰州盐场堡1 9 6 6 年8 月8 日稀性泥石流 济损失数百多万元。 死亡5 0 余人，覆盖了兰州医学院及原兰州飞机场在 兰州东岗1 9 5 1 年8 月1 4 日泥流 内的1 6 k m 2 范围，损失特别严重。 。 死亡2 0 0 多人，埋没职工住宅楼2 1 栋，毁坏铁路 兰州西固南山1 9 6 4 年7 月2 0 日粘性泥流 3 6 k m ，中段交通3 4 小时 死亡7 0 0 多人，毁房4 0 0 0 多间，农田万亩，牲畜死 庄浪县文家沟1 9 7 3 年4 月2 7 日粘性泥石流 亡2 7 0 0 多头只，治理工程、水利设施遭受严重损失。 3 硕士学位论文 天水伯阳菜子 毁坏铁路，中断交通3 6 0 余小时。 沟 1 9 7 8 年7 月1 2 日粘性泥流 天水罗玉沟 1 9 9 0 年8 月1 2 日 稀性泥流死亡2 0 0 多人，损失千万元 死亡6 1 人，毁房7 0 8 间，堵塞白龙江，冲毁公路 宕昌县化马1 9 7 6 年7 月2 5泥石流 1 5 k i n ，直接经济损失1 7 0 万元，其它损失5 4 万元。 堵塞白龙江，使之回水1 7 0 0 m ，致使城区三分之一 武都东江水沟1 9 8 4 年8 月3 日粘性泥石流 居民受灾，中段公路交通1 5 天。 堵断白龙江2 小时，使公路中断，毁房1 3 2 0 0 间， 武都佛堂沟1 9 8 4 年8 月3 日粘性泥石流 直接经济损失千万元。 中断公路1 5 天，淹没农田一千多亩，直接经济损失 武都甘家沟1 9 8 4 年8 月3 日粘性泥石流 近千万元。 西和石峡镇1 9 8 4 年8 月3 日废渣流死亡6 0 多人，毁房1 0 3 6 间，财产损失约3 0 0 万元。 死亡6 人，毁房6 0 多间，农田1 2 5 0 亩，小麦7 万 徽县1 9 9 0 年泥石流 斤，直接经济损失5 6 0 万元。 破坏房屋1 4 8 8 间，死亡6 5 人，铁路、公路受损， 两当1 9 8 1 年8 月l泥石流 直接经济损失1 9 5 6 3 3 万元。 死亡2 9 人，伤1 9 人，毁房数间，直接经济损失2 6 0 文县城关1 9 8 2 年8 月6 日泥石流 万元。 漳县殪虎桥1 9 9 1 年6 月9 日泥石流 死亡1 0 人，直接经济损失约3 0 0 万元。 1 9 8 7 年 死亡4 5 人，伤3 0 人，1 9 8 7 年死亡4 人，两次共造 卓尼城关泥石流 成直接经济损失。 1 9 8 8 年6 月7 日 2 6 6 0 0 人受灾，死亡1 人，伤3 人，直接经济损失 镇原1 9 7 7 年、1 9 7 8 年泥流 5 8 万元。 毁房5 4 间，渠道8 5 0 m ，道路4 3 k m ，损失6 1 万 环县1 9 8 8 年、1 9 8 9 年泥流 元。 死亡4 人，直接经济损失1 5 9 l 万元；1 9 8 8 年死 岷县1 9 8 2 年s 月1 0 日泥石流 亡2 0 人。 4 粘性泥石流运动机理及数值模拟研究 1 2 泥石流运动机理研究现状 关于泥石流的定义，一直是泥石流学者不断探索的问题，由于各研究者对泥石流的 认识和工作的侧重点不同，一直没有一种大家公认的定义。目前有2 0 种不同的表达形式 m 其中d e r b y s h i n e 【5 1 在1 9 7 6 年对泥石流的阐述首次加入了成因机理的内容，他认为泥 石流是与宾汉( 粘塑) 变形有关的流体；英国地质学会工程组哺1 的定义为：泥石流是介于 水流和滑坡之间的一系列过程，因而包含有重力作用下松散物质、水体和空气三者构成 块体运动；最早由美国地质学家b l a c k w e l d e r 于1 9 2 8 年科学地加以记载当时他提出了 泥石流形成的条件：陡峭的地形、大量的松散碎屑物质、强烈的局地暴雨和稀疏的植被 覆盖，他并记录了泥石流的发生和运动过程，包括紊动阻塞、阵流等现象。国内钱宁 定义：泥石流是发生在沟谷和坡地上的饱含小粘土，大至巨砾的固液两相流，液相是水 和细颗粒泥沙掺混而成的均质浆液，固相是较大的颗粒；陈德明阳1 在总结各类观点后提 出了这样的定义：泥石流是产生在山地沟谷中或坡面上的，由水与泥沙、石块和大源石 组成的不均质的混合体，介于块体运动与水力运动之间，呈稀性紊流、粘性层流的一种 自然灾害现象；石铎n 1 总结提出：泥石流是土石山区地质、地貌、水文、气象等自然因 素综合作用下，发生在沟谷或坡面上由土( 粘粒到巨砾) 、水、气等组成的介于水流和 块流之间的一种自然灾害现象。大概总结众多资料表明，对泥石流的研究不仅从其定义 上展开，其内容上讲从以下几个方面进行：1 ) 泥石流基本特性的研究，包括泥石流分 类及其成因分析、泥石流的运动与沉积特性、泥石流的固体物质组成及其浓度、泥石流 浆体的流变特性等等；2 ) 泥石流运动机理分析与研究；3 ) 泥石流的灾害性及其灾害性 的预警预报与防治，灾害性的评估评价。 目前泥石流的研究已经成为- - f l 较为系统的、有自己理论基础和特色研究方法的专 门学科。它己经从最初的对地理现象的简单描述拓展到包括泥石流起动机理、泥石流预 测预报理论、泥石流动力学、泥石流运动学、泥石流沉积学、泥石流区域规律研究、泥 石流工程防治理论m j 2 1 及泥石流危险度区划等内容在内的范围极为宽广的研究领域。而 且它还在一直不断地引入和借鉴其他学科的理论，借用其他学科的研究方法，来推动自 身的发展。这一方面说明泥石流是牵涉广泛的交叉边缘学科，泥石流是一定特殊的地质、 地貌、水文和气候等多种自然因素与人为影响而综合作用的产物，至少涉及地学、灾害 学、力学、工程学、管理学和环境学六大学科n 训，而且泥石流属于非牛顿流体，泥石流 运动及其动力学特征具有一定的复杂性和不规则性，国内外对泥石流运动力学及治理领 域的研究不完善；另一方面也说明泥石流的研究本身还存在许多没有解决的问题和困难。 许多待解决的问题如泥石流的起动机制，泥石流暴发的内在机理，泥石流的阵性运动机 理至今没有给出公认的理论解答。 泥石流运动机理的研究范围包括：泥石流产生机理分析、泥石流起动机理、泥石流 运动模型、泥石流流速分布、泥石流灾害机理分析、泥石流的模型分析、泥石流的堆积 机理分析等等，其中均集中在泥石流的产生、运动、破坏与防治等研究上；其研究内容 涉及泥石流的形态、流态、流量、流速流变性、冲击力、动压力、起动、运动、淤积沉 积、侵蚀、冲刷等特征。陈洪凯和吴四飞m 1 在等效两相流的基础上，认为泥石流的能量 聚涨、输移、突变及衰减将有利于深刻认识泥石流的运动机理。崔鹏旧1 从流变学出发， s 硕士学位论文 在大量现场试验的基础上，对泥石流的起动做了探讨，抓住泥石流的实质和部分关键性 参数，建立了泥石流的起动突变模型。针对复杂的泥石流运动特征，国内外研究大多数 局限，在宏观上描述泥石流的运动：泥石流平面上看呈舌状，前部宽大，向后逐渐变窄， 尾部上看，头部高陡，向后逐渐变小以致断流，从横断面上看，头部呈现弧形隆起，中 部变成平面，而尾部呈现下凹弧面。从流态上看有蠕动流、滑动流、层流、紊流及波状 流等。流量过程线常是多峰的，并与降雨过程线相对应，其涨落速度和变化幅度都很大， 流量大小与降雨、降落特点、阵流形式、堵塞溃决形式有关，流量变化是在形成区增大， 流量区稳定，堆积区减少。因为泥石流夹带固体物质多，其流速小于洪水流速。稀性泥 石流沟槽颗粒大，河床糙率大，河床流速一般偏小。粘性泥石流粘粒多，泥浆稠度大， 容重高颗粒小，凝聚力大，整体性强，爆发时“有铺床作用 ，惯性作用大，故流速大。 泥石流流速分布规律是：表面中部大于两侧，陈流流头大于尾部，表面大于底部，泥石 流的流速在平面和立面上的差异与流体稠度和粒度有关，稠度越大，均化程度越高，粒 度不均匀性越大，均化程度越低，泥石流出山口后，由于地形开阔变缓，流速降低，沿 程淤积。基于直进性，泥石流总是取道正对沟口的堆积扇轴部，并先在那里淤高，轴部 淤高后阻力增大，于是它取道坡陡，阻力小的两翼漫流，两侧淤高后，其主流又回到轴 部，如此往复。堆积扇上的浅槽对主流几乎没有约束力，流量稍大，随时可以溃槽漫流， 不满槽也可因局部受阻淤积引起漫流n 4 1 。陈光曦这段描述野外实地泥石流的特征，其完 整性和参考性为泥石流的定性分析和定量分析开阔了思路。 总之，泥石流机理研究主要从泥石流运动特征和泥石流浆体各物理参数在运动过程 中的变化特征两个层面展开。泥石流模型研究，尤其是泥石流理论模型的研究，是泥石 流运动机理研究的主要内容m 1 。泥石流的理论模型研究是泥石流运动机理分析的重要手 段，且运动机理研究的理论模型是建立在泥石流内部力认识基础上n 引。 微观上的研究包括泥石流运动的数值模拟与泥石流运动模型的理论研究。高桥堡在 其专著 d e b r i sf l o w s ( 1 9 9 1 ) 中提出了泥石流堆积区二维数学模型，假定泥石流体看 作不可压缩的连续流体，其流动具有宾汉流体的阻力特征。研究泥石流运动的理论模型 的核心问题是在于确定泥石流运动流速以及阻力。许多学者提出大量的泥石流模型，其 中大部分都是通过对泥石流内部阻力的分析来建立相应的数学模型，并由此计算一定条 件下泥石流流速分布及浓度分布，最后通过对流速分步积分，求出泥石流的平均流速。 这种方法是正确的，但是难度大，目前很多这类研究成果离实际应用还有相当距离1 。 假定泥石流体是连续流体，通过对泥石流的质量和动量守恒方程进行求解获得相应 的泥石流动力学模型n 引，可以说对泥石流内部作用力进行不同的选择和用不同的关系表 达就可以得到不同的理论模型，目前泥石流的力学模型可分为两类刚，伪一相模型和两 相流模型。伪一相模型把整个泥石流视为一种流体，包含宾汉体模型、膨胀体模型、混 合流体模型。两相流模型则分别把泥石流体中的浆体( 由固体颗粒中的细颗粒和液相水组 成) 和粗颗粒各视为一种流体。王光谦等心们将浆体用宾汉体、粗颗粒用膨胀体来建立泥石 流两相流模型，并成功地应用于二维稳定均匀的水石流。沈寿长心还对水石流双流体模 型中颗粒脉动能量和能量耗散的本构关系进行分析，其模型结果也得到试验的验证。这 类模型由于细致考虑了液相、固相与液相、固相颗粒与固相颗粒之间的相互作用，有助 于我们对泥石流内部机理的认识。泥石流作为固液两相流，其内部作用力包括固相与液 6 粘性泥石流运动机理及数值模拟研究 相的相互作用，以及固相内部不同颗粒的相互作用，固液两相的作用表现为流体中掺入 固体颗粒以后，对流体粘性及其运动的影响；反过来，固体颗粒在高粘性的液体中运动， 其流动参数又受到液相的影响。颗粒内部相互作用的复杂性表现为固体颗粒大小的复杂 组成及其浓度m 1 。应用土力学和流体力学相组合的库仑颗粒流模型( c o u l o m bg r a i nf l o w w