（水工结构工程专业论文）泥石流龙头压胀机理研究.pdf

摘要 摘要 泥石流属于一种全球性的自然灾害，仅就我国公路交通而言，每年因泥石流 就造成经济损失近5 0 亿元人民币。泥石流的致灾作用主要体现在冲击毁损和淤埋 破坏两方面，其中泥石流冲击力又是泥石流动力学核心之一，研究泥石流的冲击 主要从泥石流龙头着手。本文基于能量关系对泥石流龙头运动进行了研究，重点 是龙头形成及压胀机理，取得创新性成果如下： ( 1 ) 在等效泥石流固液两相流模型的基础上，建立固液分相标准和运动方程。 把固相颗粒的特征参数引入泥石流研究中，分析泥石流固相颗粒的统计特征与两相 流的关系。 ( 2 ) 从平面、纵剖面及横剖面的三个方面描述泥石流龙头形状，分析了泥石流 龙头形成过程及连续流和阵性流的运动表现方式，并得出龙头内的流速呈中上部 最大，下部最小的速度分布曲线。 ( 3 ) 具有膨胀特性的泥石流体在动水压强、压力梯度力和固相颗粒群体沉降综 合因素作用下容易产生压胀作用，阐述了龙头压胀核的形成原因、形成方式、运 动形式及突变性，建立泥石流运动压胀核模型。初步建立了压胀核周期性突变是 泥石流运动体的固液相之间能量相互传递平衡的能量输运机制的理论。 ( 4 ) 建立了泥石流龙头压胀核突变溃灭能量输运机制作用的压胀机理及龙头流 核理论。据此分析了压胀核能量输运机制下液相对固相的受力情况，固相颗粒之 间的碰撞分选运动趋势及固相受到的悬浮作用，提出了泥石流的似循环流结构， 建立了泥石流压胀作用下的龙头流核理论。 前述研究丰富了泥石流动力学的科学内涵，为量化泥石流防治工程设计荷载 提供了重要理论依据。 关键词：泥石流：固液两相流；龙头；压胀核i 压胀机理 本文得到交通部人才基金项目“冲淤变动型沟谷泥石流防治结构抗撞关键技术研究”和四j 省交通厅重点科技项目“川藏公路泥石流防治关键技术研究与示范”资助。 摘要 a b s t r a c t d e b r i sf l o wi so n ek i n do fg l o b a ln a t u r a ld i s a s t e r ，o n l yi nr e g a r dt o t h er o a dt r a n s p o r t a t i o ni no u rc o u n t r y ， e v e r yy e a rr e s u l t si nt h ee c o n o m y l o s en e a r5 ，0 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0r 船j u s tb e c a u s eo fd e b r i sf l o w i nd e b r i sf l o w e f f e c t so fc a u s i n gd i s a s t e r sw h i c hm a i n l ye m b o d yt w oa s p e c t s ：i m p a c t b r e a k a g ea n dd e p o s i t d a m a g e ，a n di m p a c tf o r c eo fd e b r i sf l o wi so n eo f d y n a m i c sc o r e si nd e b r i sf l o w ，t h e ns t u d yt h ei m p a c to fd e b r i sf l o wt ob e g i n f r o mt h ef r o n t so fd e b r i sf l o w 。t h i sp a p e rc a r r i e so nt h er e s e a r c ht o m o v e m e n to fd e b r i sf l o wa c c o r d i n gt ot h ee n e r g yr e l a t i o n t h ek e y sa r e f o r m a t i o nt ot h ef r o n t so fd e b r i sf l o wa n dm e c h a n i s mo fh i g hf l u i dp r e s s u r e o b t a i nt h ec r e a t i v er e s u l t sa sf 0 1l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h em o d e la b o u ts o l i d l i q u i ds i m p l i f i e dt w o - p h a s ed e b r i sf l o w ， e s t a b l i s ht h ec r i t e r i ae q u a t i o na b o u ts o l i d l i q u i dp h a s ea t l dm o v e m e n l e q u a t i o n i n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro ft h eg r a i ni n t od e b r i s f l o wr e s e a r c h ，a n da n a l y z et h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec o v a r i a n c e c h a r a c t e r i s t i co ft h eg r a i ni nd e b r i sf l o wa n dt w o p h a s e sf l o w ( 2 ) d e s c r i b et h es h a p ea b o u tt h ef r o n to fd e b r i sf l o wf r o mp l a n e s u r f a c e 、1 0 n g i t u d i n a lp r o f il ea n dc r o s s s e c t i o n ，a n a l y z et h ef o r m a t i o n p r o c e s so ft h ef r o n ti nd e b r i sf l o w ，a n dt h em o v e m e n tf o r m sb yc o n t i n u o u s f l o wa n dd i s c o n t i n u o u s f l o w r e a c ht h ev e l o c i t yc u r v ew h o s eu p p e rp a r t i sm a x i m u ma n dw h o s eb o t t o mp a r ti s0a b o u ti n s i d ev e l o c i t yw i t ht h ef r o n t o fd e b r i sf l o w ( 3 ) d e b r i sf l o ww i t ht h ed i l a t a n tc h a r a c t e r i s t i ce a s i l yb r i n gd i l a t a n c y e f f e c to na c c o u n to ft h ec o m p r e h e n s i w ef a c t o r sw h i c hi n c l u d et h e h y d r o d y n a m i cp r e s s u r e ig r a d s s t r e s s ，g r o u ps e t t l i n go fs o l i d s ，a n ds oo n e x p a t i a t et h ec a u s eo ff o r m a t i o n ，t h em o d eo ff o r m a t i o n ，t h ef o r mo f m o v e m e n t ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i e so fc a t a s t r o p h ea b o u td i l a t a n c yp l u go f t h ef r o n ti nd e b r i sf l o w ，a n de s t a b l i s ht h em o v e m e n tm o d e lo fd i l a t a n c y p l u g i n i t i a l l ye s t a b l i s ht h et h e o r yw h i c hp e r i o d i cc a t a s t r o p h eo f d i l a t a n c yp l u gi se n e r g yt r a n s p o r t - m e c h a n i s mw h i c he n e r g yt r a n s p o r ta n d e q u i l i b r i u mb e t w e e ns o l i dp h a s ea n df l u i dp h a s ei n d e b r i sf l o w ( 4 ) e s t a b li s ht h et h e o r ya b o u td il a t a n c ym e c h a n i s mw h i c hist oe f f e c t t oc a t a s t r o p h e - r u i ne n e r g yt r a n s p o r t _ m e c h a n i s mo fd i l a t a n c yp l u go ft h e f r o n ti nd e b r i sf l o w ，a n dt h et h e o r ya b o u tf l o w - p l u go ft h ef r o n ti nd e b r i s f l o w w h e n c ea n a l y z et h ec o n d i t i o nt h a ts o li dp h a s eisa c t e du p o nb yf o r c e s 摘要一i i o ff l u i dp h a s e ，a n dt h em o v e m e n tt r e n dt h a ti ti sm u t u a l l y c o l l i s i o n s e p a r a t i o nb e t w e e ng r a i n s ，a n dt h ea c t i o nt h a tg r a i n sa r e s u s p e n d e db yf l u i dp h a s e p r o p o u n d1 i k e c i r c u l a t i o ns t r u c t u r ei nd e b r i s f l o w ，a n de s t a b l i s ht h et h e o r ya b o u tf l o w p l u go ft h ef r o n ti nd e b r i sf l o w u n d e rd il a t a n c ya c t i o no fd e b r i sf l o w t h ea b o v er e s e a r c he n r i c h e dt h es c i e n c ec o n t e n to fd e b r i sf l o wd y n a m i c s ， a n dp r o v i d et h ei m p o r t a n tt h e o r i e sf o rq u a n t i f y i n gt h ed e s i g nl o t u si n c o n t r o le n g i n e e r i n gt od e b r i sf l o w k e y w o r d s ：d e b r i sf l o w ；s o l i d l i q u i dt w o - p h a s ef l o w ；t h ef r o n to f d e b r i sf l o w ；d i l a t a n c yp l u g ：m e c h a n i s mo fh i g hf l u i dp r e s s u r e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名 乒猿 日期：劫护舀0 月日 重庆交通大学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，同意学校保留并 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 重庆交通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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密烈 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 4 缘 指导教师签名渺 日期：3 卯薛p 月日日期：切9 乒f 年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文目的和意义 泥石流是一种全球性的自然灾害，是各种自然因素( 地质、地貌、水文、气象、 植被) 和人为因素综合作用的结果m “】。泥石流因其形成过程复杂、暴发突然、来势 凶猛、历时短暂、破坏力强而成为山区经济建设的一大灾害【3 - 5j 1 0 - | 2 。泥石流可在 瞬间释放出大量的前期逐渐积累的物质和巨大能量p 7 】，【l “，具有极大的破坏力，在 泥石流所到之处，常常毁损公路、铁路、桥梁等交通设旌及通讯基础设施【3 _ 5 1 7 , 1 3 - 1 5 】， 良田被冲毁，江河被堵塞，房屋被冲毁淤埋，严重危及人民生命和财产m o o m 】_ 1 6 - 1 8 】。 我国山区和高原面积广阔，约占国土面积的6 6 ，多处于季风气候区，加之 断裂构造发育、地震频繁、地形陡峻，具备了泥石流形成条件，而表层岩体破碎， 又由于人类活动影响，植被覆盖率越来越低，使我国成为世界上泥石流最多的国 家之一。随着西部大开发的不断深入，人类活动范围的扩大以及各类建设工程的 实施，加剧了公路泥石流发生频率，每年就公路泥石流造成经济损失近5 0 亿元。 加深对泥石流暴发、运动及成灾机理等方面的认识，是控制治理泥石流灾害 的首要前提，也是目前各国学者所关注的焦点之一。各国研究学者和工程技术人 员，都扶自身的学科领域和工作对象来研究和防治泥石流的，概括起来有两个方 面，一是从地质地貌过程和现象方面为出发点的i 二是从气象水文过程来研究的。 泥石流运动动力特征是泥石流学科的一个重要课题，因其具有突发性和灾害的严 重性始终受到人们的重视，泥石流灾害主要表现在泥石流发生的运动过程。 泥石流的灾害性体现为对桥梁、道路、铁路、房屋等生活基础设施、行人及 车辆等的冲击、磨蚀毁损和淤埋特性【t 】f 。7 】 i o q 2 , 1 a - 2 5 】。泥石流的突发性和破坏性 直接表现为龙头的圃相块石的瞬间撞击力和泥石流后续体( 龙身和龙尾) 的液相冲 击力 4 - 5 1 i 】“” , 2 t - 2 3 】，而泥石流具有巨流1 7 ) 的性质，直进性强，龙头多集中固相大块石， 对阻碍物发生直接冲击作用，而不发生绕流。了解龙头即是更好把握泥石流运动 特征和规律，对龙头是对泥石流运动研究具有代表性和重要意义。而龙头是怎样 形成的，其固相大颗粒是以何种机理集中的，其内部关系如何，何以维持在泥石 流沟的运动，究竟有怎么样的破坏力呢? 本论文针对泥石流运动过程中的龙头的 形成、发展和停止，龙头在压胀作用下的能量聚集、突变及其耗散衰减，受压胀 作用龙头呈固相颗粒在上，液相在下的反粒径分布进行初步研究，运用两相流理 论，从能量方面拓展泥石流运动机理的研究领域。换言之，从能量的角度研究泥 石流运动过程和龙头运动更能体现泥石流运动本身的特征。 第一章绪论 1 - 2 国内外研究现状及评述 泥石流的研究可追溯到十九世纪中叶，欧洲阿尔卑斯山附近的一些国家( 法国、 瑞士、意大利、德意志、奥地利等) 砍光了大片山林而使山坡普遍裸露，导致了该 地区泥石流活动强烈，引起了当地政府的重视，建立了专门的泥石流防治管理部 门，一些学者就泥石流现象发表了论文及著作”】。在俄国，由于高加索山脉和土 耳其斯坦山脉发育有很多泥石流，多个机构被设立以研究泥石流及其防治，取得 了一系列成果，形成了自然地理、水文气象和工程地质三个研究泥石流流派 7 - s 。 日本自明治维新以来，开展了泥石流及土壤侵蚀的防治研究【2 5 删胆“2 9 。新中国成立 以来，我国交通部门率先开展了泥石流调查和研究，但是直n _ 1 9 7 s 年成立中国科 学院成都地理所( 现为成都山地灾害与环境研究所) ，我国泥石流研究才全面启动。 我国泥石流研究一开始就十分重视野外观测实验研究【4 l 【6 】，先后建立了十多个观测 试验站，其中设立在被国内外专家誉为“天然泥石流博物馆”的小江中游右岸的一级 支沟蒋家沟的中国科学院东川泥石流观测研究站，成为我国乃至全世界进行泥石 流观测、试验和研究的重要基地。 由于泥石流属于一种特殊的地质灾害，世界上各国都展开了大量的泥石流观 测和研究工作，而早期的泥石流研究，更侧重于泥石流发生过程的观察、地貌现 象的描述和形成环境的分析，定性研究为主。c m 弗莱施曼( 前苏联，1 9 s 6 ) 认为泥 石流如同滑坡、崩塌、岩堆、土滑、山地洪流和其他一些剥蚀现象一样，亦属既 塑造又破坏自然地形的外力现象之列【7 - ”。日本的沙防学会定义泥石流并非水搬运 泥石物质，而是含水的粥状泥沙在其重力作用下产生运动的现象f 2 5 2 6 】 2 9 - 3 2 l ；而日本 的高桥保t a k a h a s h i 进一步认为泥石流是水和泥沙的混合物在水力和重力作用下而 发生运动的一种连续体【2 5 聃。2 ”。美国的j o h n s o n ( 约翰逊) 认为泥石流是一种混有少 量水和空气的粒状固体，在缓坡上迅速流动的过程 2 6 - 2 ”；美国地质调查局的 i v e r s o n 认为泥石流是暴发突然，运动迅速的高速滑坡的最常见的表现形式1 2 4 ”- 3 5 。 英国地质学会工程组认为泥石流是介于水流与滑坡之间的一系列过程，而因包括 有重力作用下的松散物质、水体和空气构成的块体运动【2 6 2 目。 在我国，唐邦兴等认为泥石流是一种饱含大量泥沙块石和巨砾的固液两相流 体j ；吴积善等认为泥石流是脆弱山区介于挟沙水流与滑坡之间的土、水、气混 合流n q ；康志成等认为泥石流是山区常见的自然现象，是一种介于滑坡和水流之 间的含泥、沙、块石的固液两相流体0 】；王继康认为泥石流是指斜坡上或沟谷中 含有大量泥、砂、石的固、液相颗粒流体f 4 , “】；陈洪凯教授认为泥石流是高浓度水 砂砾复合异相混合流，是颗粒大小差异很大的固体和液体的联合运动，属于典型 的灾害地貌现象及地貌过程f 5 l 。 第一章绪论 总而言之，泥石流体的运动错综复杂，关于其运动能量、方式及机理等方面 的研究是目前各国学者关注的焦点。泥石流体( 特别是龙头) 内部固相和液相相互作 用机理十分复杂，要弄清之间的应力应交关系，很多学者作了一些研究，但都未 与更充分的解释与推导。按照本论文研究内容，泥石流运动研究的侧重点体现在 泥石流运动机理与模型研究、泥石流龙头理论研究、泥石流动力学研究、泥石流 能量研究、泥石流试验及数值模拟研究、压胀及突变等新理论于泥石流的应用等 五个方面来进行综述。 1 2 1 泥石流运动机理与模型研究 1 9 7 0 年美国地质地貌学家j o h n s o n 2 4 瑚删等发表了有关泥石流运动模型的论文。 由于泥石流运动速率与应力的关系呈非线性比例关系，不能应用牛顿流体模型。 在非牛顿流体模型中，j o h n s o n 等选用宾汉粘性流模型 2 4 - 2 2 。3 “”1 ( b i n g h a mv i s c o u s f l u i dm o d e l ) ，首次建立了泥石流运动方程，求解了泥石流最大流速。英国k e e l e 大 学的d e r b y s h i r e 教授强“。1 认为，虽然认识到泥石流的运动和堆积与宾汉变形有关， 但仍然有许多泥石流现象不能由宾汉模型得到圆满解释，因此我们对泥石流运动 机理的认识仍然很不够。 1 9 7 8 年日本泥石流学家t a k a h a s h i 教授【“q 1 2 9 - 3 2 的研究表明。将泥石流都认为是 宾汉流体并不完全正确，许多泥石流的特性可以用膨胀流来模拟，并认为泥石流 “龙头”的巨砾聚集是由于流体中颗粒的碰撞形成的。他借用英国科学家b a g n o l d 于 1 9 5 4 年提出的分散应力的概念口8 - 4 0 ，1 9 8 0 年提出了泥石流拜格诺膨胀流模型 0 3 a g n o l dd i l a t a n tf l u i dm o d e l ) ，建立了泥石流运动方程，求解了泥石流平均速度和 流体深度，b a g n o l d 建立了泥石流颗粒问相互作用的离散力理论，t a k a h a s h i 据此建 立了一种泥石流运动模型。该理论认为，泥石流是一种胀流型流体，其剪切应力 主要是由颗粒间的碰撞所产生。它提供了运动阻力和使砾石不沉积的支撑力机理， 并且表明了泥石流不同于水流的运动速度分布以及水石流具有较大的阻力。这个 理论的缺陷主要的是忽略了孔隙液体的动力学效应。它认为液相基质可以当作理 想流体，其粘滞性可以忽略不计。这是不正确的，特别是当基质为粘土和粉沙悬 浮液时更不正确。1 9 8 1 年t a k a h a s h i 发表了一篇关于泥石流运动机理的综述性论文 “泥石流 2 4 2 5 , 4 ”，再次阐述了他盼泥石流拜格诺模型，并着重与j o h n s o n 的泥石流宾 汉模型相比较，同时也介绍了包括前苏联学者c o l d i n 和l y u b a s h e v s k y 的泥石流流速 公式以及其它两种泥石流龙头”流速的计算公式。 1 9 8 6 年美国地质调查局c h e n g 1 u n gc h e n 博士基于宾汉流体方程 4 2 - 4 3 ，提出了 一个通用的泥石流粘塑流模型( g e n e n d i z e d v i s e o p l a s t i e m o d e l ) ，并得出了这一模 型的数值解。他认为，高度理论化的泥石流宾汉模型和拜格诺模型，尽管有它们 第一章绪论 的合理性和适用性，但由于过于复杂而在实际应用中失去了它们的可操作性。由 他改进合并后的泥石流粘塑流模型，既包含了泥石流宾汉模型，又包含了泥石流 拜格诺模型，泥石流宾汉模型和拜格诺模型都可以认为是泥石流粘塑流模型的亚 模型。他认为这一改进的泥石流粘塑流模型为泥石流运动机理的进一步研究奠定 了理论基础。 1 9 9 3 年美国o b r i e n 博士等对泥石流宾汉模型和拜格诺模型的结合做了新的尝 试，试图建立起通用的泥石流运动模型，并称之为膨胀塑流模型“卅i l a t a n t p l a s t i cm o d e l ) 。这一模型是在美国工程兵部队于1 9 8 6 年创立的用于计算洪积扇上 洪水和高含沙水流淹没范围的一维水力学模型的基础上，用二维连续流控制方程， 采用有限元微分求解，建立的二维水流和泥石流运动模型，该模型可用于计算流 速和流深。这一模型有一定的实用性，被法国学者l a i g l e f l ：i c o m s s o t 认为是可以与 j o h n s o n 模型和t a k a h a s h i 模型相提并论的成果f “州。这一模型主要适用于颗粒较细 的泥流，而并不太合适于含有粗大颗粒的泥石流。 美国地质调查局i v e r s o n 博士于1 9 9 7 年发表了一篇重要泥石流论文：“泥石流物 理学”。他比较了泥石流宾汉粘性流模型、泥石流拜格诺膨胀流模型和含有孔隙 水压力的库伦颗粒流模型( c o u l o m bg r a i nf l o ww i t hv a r i a b l ep o r ep r e s s u r e ) 。借用连 续混合流理论( c o n t i n u u mm i x t u r e t h e o r y ) 阮”51 ，根据能量守恒原理，i v e r s o n 提出了 复杂的泥石流“混合流理论动量守恒方程”( m i x t u r e t h e o r ym o m e n t u mc o n s e r v a t i o n e q u a t i o n s ) ，用以分别计算泥石流体中的固体和液体的运动速度。 目前国内外学者研究泥石流体的运动模型的表达方式主要以一维数学模型为 主t 6 7 - 4 9 1 。根据泥石流体本身的物质组成不同，泥石流运动模型存在不同的表达方式。 以维应力方程表达式表达的泥石流运动模型，主要有以下6 种，各模型及相应应 力方程为： l ) b i 蜘模型：将泥石流体视为宾汉体，其方程表达式为 f = + 儿= d u r b( 1 1 ) 7 2 + 儿面 ( 1 1 ) 式中，r 为切应力( 七p d ) ，为屈服应力( 船k ) ，儿为刚度系数，华为剪切速 口v 率。 r b 和心由流变试验确定，有定数量的粒径d o o l r n m 的粘粒决定。无粘性 的粗颗粒通常不会增大b ，僵可增大以。 2 ) 摩擦模型 z = c + 口t 瓤妒 ( 1 2 ) 第一章绪论 式中，r 和伊分别为整个颗粒物质的内聚力和内摩擦角，a 为正应力( 船叼) 。 3 ) 碰撞模型( 颗粒惯性模型) 7 亍z ) 2 ( 1 3 ) 式中，z 为依赖于固体颗粒密度、粒径、粒径分布和浓度的常数。 4 ) 摩擦一碰撞模型 f = c c o s 妒+ 叩i 。( c 2 一c 三) s m 伊+ 玎2 ( ( 墙一c2 ) ( ) 2 ( 1 4 ) 式中，哺和为常数，c 为固体体积浓度，c 。为最小固体体积浓度，c 。为最 大固体体积浓度。 5 ) 粘碰模型( 综合粘弹模型) f = r y + z d ( a u 砂) + ( 段+ i t l ) ( a u l a y ) 2 ( 1 5 ) 式中，砌为动力粘性系数，以为耗散系数，一为湍动系数。 6 ) 库伦颗粒流模型 f = p 一力t 柚妒+ c( 1 6 ) 式中f 为剪切应力；盯为法向应力；p 为孔隙水压力；妒为内摩擦角；c 为内 聚力。 各国泥石流学者借用其它相邻学科，特别是土力学、水力学和流变学的理论， 相继发展了各类泥石流模型，但直到现在，还没有一个能够包括泥石流扁动、运 动和堆积以及粘性、稀性和过渡性泥石流在内的为国内外同行所接受的通用的泥 石流模型，因此，泥石流机理的研究仍然是今后相当长一段时期内泥石流研究的 重点和难点。 鉴于泥石流固体物质组成及流动现象的多样性，对其流动机理的探讨目前还 不够深入，甚至还没有建立起一个合适的模型以一组统一的方程完整地描述其流 动。应该说对泥石流运动模型的研究尚处于深入研究，还没有达到成熟的阶段。 泥石流的宾汉体模型、膨胀体模型、粘塑体模型、颗粒流模型等，这些模型中每 一单个模型往往仅适合于描述某一类泥石流，而不便于描述各类泥石流运动的复 杂特性，尤其是不能描述固相和液相之间的相互作用。鉴于此，应用固液两相流 理论描述泥石流运动十分必要。倪晋仁提在高含沙水流的理论基础上，初步提出 了泥石流的结构两相流模型陋5 4 1 ，范椿1 ”】提出非牛顿塑性膨胀体模型等都有很高的 学术价值。 第一章绪论 泥石流运动模型作为一种单相体模型是不完善的，泥石流本身是由固液气三 相组成，有着复杂的结构组成和运动机理，近年来，随着流体力学、流变学和颗 粒流学的进展，固液两相流理论 5 6 - 5 3 亦日趋完善，用两相流模型来概化泥石流运动 体是较为合适的，而固液两相之间又是有着复杂的非线性关系相互影响。 由上所述，泥石流体内液相与同相及固体颗粒间的相互作用十分复杂。把泥 石流看作是两相流时，与一般固液两相流的类似之处在于需同时考虑固液两相物 质的运动及其它们之间的相互作用。不同之处则在于“液相”和“固相”的含义已有所 不同，为了反映泥石流与一般意义上两相流的这种差异，本文以陈洪凯 1 9 - 2 1 1 建立的 等效两相流模型为基础，把泥石流概化成两相组成，以粘度和粒径来概化划分固 相和液相。运用两相流理论模型更能接近泥石流体的本质，通过野外考察和定位 观测，结合理论分析和模型实验，更科学地分析泥石流运动机理和解释运动中的 各种泥石流现象。 1 2 2 泥石流龙头理论研究 泥石流是浆体和粗颗粒组成的结构性流体。泥石流运动( 流动) ，由于不同泥石 流沟谷形态异同性和泥石流本身物质组成分为两种形式，其一为连续流；其二为 阵性流( 亦称间歇流) 。每一阵泥石流的头部叫攸龙头”( 如图1 1 和1 2 ) ，中间称为“龙 身”，而尾部称“龙尾”。泥石流运动中粗颗粒可能发生分选现象且往往集中在表层， 较大的块石多集中予龙头【s 9 6 ，加之龙头速度高，因两泥石流具有很大的破坏性。 图1 1 稀性泥石流龙头图1 2 粘性泥石流龙头 f 培1 1t h ef r o n to f i n v i s e i dd e b r i sf l o wf i g1 2t h ef r o n to f v i s c o u sd e b r i sf l o w 现今有关龙头形成机制的研究不多，对它的规模预测，机理分析的研究更少。 在日本，“龙头”称为“前端部”【2 ”w ，中岛皇陋2 州。l 通过槽子试验观察研究了龙头 由颗粒的运动和浓度，平野宗夫呻。”1 则在传送带式槽子上来观测龙头的运动， 但是都没总结出规模预测方法。高桥保【”瑚1 的研究提出了水流侵蚀沟床沉积层形成 的泥石流龙头高度和流量的计算方法。但是，实际流域内的泥石流形成过程是多 种多样的，不可能简单地用一种形式来概括。 第一章绪论 台湾的连惠邦畔】探讨泥石流先端部( 龙头) 和整体平均( 包括先端部及后续水流) 泥沙体积浓度的变化规律，以及其纵剖面泥沙体积沿着水深的分布特性。从非牛 顿体流变方程出发，认为泥石流在高浓度、高剪应变率时，由于颗粒间始终保持 直接接触，不同粒径的石砾相互叠置碰撞，使颗粒除承受颗粒间碰撞产生的离散 剪应力作用外，还必须考虑颗粒间的摩擦阻力。得出泥石流龙头泥沙体积浓度可 表示为： c d = ( 3 2 f 1 ) t a n 慨一p ) 【2 一3 ) t a n o + 3 t a n a 】 ( 1 7 ) 式中为摩擦阻力系数。且0 1 ；以、p 为固体泥沙颗粒及流体密度； t a n o 为静摩擦系数，t a n a 为动摩擦系数。 王兆印p 9 “? 采用多卵石进行水流冲刷沟床沉积物发展形成两相泥石流的试验， 来研究泥石流形成和发展过程，以此建立龙头运动的能量理论和泥石流平均速度 的理论公式，还分析龙头卵石的碰撞分选机理。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，解释泥石流的形成和运动机理。通过试验发现，龙头 很少液相，大块石翻滚前进，泥石流后部水流比卵石速度高，小卵石又比大卵石 速度高，但是大块石集中到头部。龙头达到一定高度后沿程不再变化，其值主要 取决于组成龙头的卵石粒径，龙头部卵石粒径越大，龙头高度越高。对于泥石流 不能用单元体分析其所受体力和面力之平衡建立运动方程豹方法。建立泥石流龙 头运动速度公式 ( 1 8 ) y 为液相容重，以为卵石容重，q 为进入龙头段的单宽颗粒流通量，c 。似龙 头卵石体积浓度，为龙头高度，j 为沿程坡降。停 沈寿长性鲫等通过室内槽子试验来观察和分析稀性泥石流阵性的形成机制。流 域内形成的原始出流过程，和液相在泥石流沟床的渗透流失是促进龙头发展的两 项重要影响因素。这两种作用使泥石流龙头部的固相浓度增大，粒径变粗，运动 阻力增大，而使龙头壅高发展。 陈春光蛳1 等基于野外观测资料和模型试验，建立了泥石流与主河潜入式交汇 的泥石流龙头方程，得出混合流粘滞性系数和绕流系数对龙头运动速度影响较大， 泥沙沉降速度对龙头内部体积比浓度有显著影响。 胡凯衡哗6 1 具体分析了阵性波不同部分的速度分布特征，给出了泥石流龙身部 第一章绪论 分的速度剖面示意图，并提出龙头是以滚动方式在残留层上运动的。在运动过程 中，龙头表现为多股流体翻滚交错，中间较高的部分泥浆飞溅，龙头形状可能反 映了某种近似抛物线的流速分布，和二维渠道内的p o i s e u i l l e 流动的速度剖面非常 相似。龙头前面原有淤积的泥石流浆体似乎静止不动。龙身和龙尾较平静，并没 有明显的上下和左右物质交换。以波动理论的角度对泥石流阵性运动现象以及速 度分布进行了详细的描述和具体的分析。 吴积善晰1 等提出在一定条件下，存在由龙头顶面流向龙头底床，由底床再到 龙尾床底，继而汇流到表面中泓流体，最后又回到龙头的纵向环流，因而认为泥 石流阵性波具有完全与普通水流不同的环流系统。但实际上龙头与龙尾之间部可 能存在纵向环流，而是存在更复杂的机理，龙头是以滚动方式与残留层进行物质 循环流动的。 王裕宜1 6 8 - 7 1 】研究得出粘性泥石流的上行与下行不同形态的剪切曲线，特别是在 低速率部位滞后环的分异段，能较好解释野外自然界泥石流体龙头冲刷和龙尾淤 积的现象。粘性泥石流阵性流一般保持有“头”冲和尾“淤”的特性，并与沟床中静止 的泥石流体残留层进行物质交换，保持相对平衡。由于规模较大的突发性动荷载( 地 震、强扰动等) ，或者大暴雨等则可因裂隙水来不及消散而形成瞬时的较高超孔隙 水压力，泥石流体中的附加孔隙水压力与固体颗粒体积浓度呈指数相关，用附加 孔隙水压力解释高浓度泥石流在坡降较小沟谷中高速运动的机理，揭示了粘性泥 石流颗粒悬浮运动机理。 泥石流的防治是针对泥石流运动过程的，清晰的了解其运动特征，龙头的发 展变化，运动冲击力，磨蚀作用的变化，可更有针对性和有效性地采取防治结构， 优化其结构尺寸，参数，关键部位的特殊技术措施，比如格栅坝的格栅间距，汇 流槽及速流槽等防治结构的抗冲磨特殊构造措施，等等。而泥石流运动的显著特 点，是龙头的严重危害性，龙头决定了泥石流运动方向，时间，长度，冲击磨蚀 危险程度，其大小颗粒粒径分布所带来冲击、压力及覆盖作用的变化。研究泥石 流龙头，对研究新的泥石流防治结构，结构组合，和技术措施具有强烈的针对性。 由龙头可反映出泥石流的运动规模，运动特征，泥石流本身性质来决定龙头 的发展和影响龙头的发展。测量泥石流运动速度是以龙头为标记来观测流速1 4 6 1 ， 把龙头看成整体，流速的不均匀性在测量过程中就平均化酬处理。 泥石流灾害首要表现在龙头的冲击作用，并且龙头各种力学和能量表征对于 研究泥石流很有具有突出性，研究龙头对认清泥石流运动和防治治理泥石流是具 有非常重要的意义。 第一章绪论 i 2 3 泥石流动力学研究 泥石流在运动过程中对所触及的一切物体均会产生力的作用，泥石流动力学 特征是泥石流在形成、运移、沉积等过程中所表现出来的一系列宏观特性，对泥 石流动力学特征及其形成机制的研究是泥石流研究的一个重要内容，它不仅有利 于我们认识泥石流这一特殊地质灾害，也是设计工程结构防治泥石流的基础和前 提条件。泥石流灾害主要表现为龙头的冲击作用和泥石流后部的磨蚀作用【4 。】，泥 石流运动有巨流的性质。泥石流遇障碍物不产生绕流作用，而产生正面冲击作用【7 】。 由泥石流冲击形成的应力虽然可通过现场测定应力m 2 】及其解析来掌握，但其 测定需要很多性能指标。一般采用流体力学及固体力学中的碰撞、材料力学以及 试验方法来研究泥石流冲击力【】。 冲击力的研究处于探索阶段，水山高久那1 】采用泥石流颗粒撞击坝体时产生的 局部破坏情况反求颗粒冲击力的固体力学的研究方法；高桥保及大同淳之口8 斯“等 先后以流体力学方法计算龙头对整个坝体的作用力。三好岩生 z 9 川等研究的冲力值 为整个流体的静动压力总和及其时间过程，将龙头看作一个可变形体作用与坝体 上，通过对龙头这一质点系的运动变形过程及龙头段密度等的分析，计算处流体 受坝体反作用力的随时变化过程。日本的石川芳治】以梯形钢管为对象，进行静 态荷载试验和动态荷载，由试验获得的荷重变位曲线来求梯形钢管吸收能量。 再由试验结果来推测冲击力。 泥石流冲击力的研究泥石流动力学的重要课题，它与被撞构件的尺寸和刚度 有关，而且由于泥石流体中颗粒含量、颗粒尺寸及分布是随机无序的，因而其力 源亦是随机无序的，这绘泥石流冲击力的研究带来了许多困难，可运用数理统计 和概率论的方法来解决。此外还需结合野外实测资料和室内试验分析其内在规律。 泥石流流体及所含的巨砾有极大的冲击力，往往是工程破坏的直接原因 1 “”“1 。 2 0 世纪7 0 年代以来，我国与日本几乎同期进行这方面的野外测试工作。泥石流的 冲击力包括两种：泥石流体的动压力和大块石的冲击力。文献【4 】得出泥石流冲击 压强计算式为 口= k p v 2c o $ 口 ( 1 9 ) 式中，k 为系数，根据云南东川实测资料为3 5 ，p 为泥石流体平均密度 ( 培m 3 ) 。 吴积善等【4 1 和周必凡等1 1 4 】的泥石流动压力表达式为 p = y c v ； ( 1 1 0 ) 第一章绪论 式中，p 为被撞物单位面上所受的流体压力( 从r ) ，几为泥石流体平均容重 ( k n m 3 ) ，v 。为泥石流体平均速度伽，5 ) 。根据蒋家1 9 7 4 1 9 7 5 年冲击力测试资 料，对式( 1 1 0 ) 进行了修正，修正公式为 p = 竹。v ； ( 1 1 1 ) 式中，为泥石流不均匀系数，般2 5 40 。 对于泥石流体中巨砾对被撞结构物的冲击力，视所建立的计算模型的不同， 建立的计算公式较多，主要有 4 , 9 - 1 1 , 1 4 - 1 5 ：船筏撞击力计算公式、悬臂梁式计算公式、 简支梁式冲击计算公式、撞击历时计算公式、落石冲击力计算式和弹性球冲击计 算公式。 魏鸿眄1 1 基于室内试验，进行稳定均匀颗粒水石两相流龙头冲击坝体的水槽试 验研究。运用压力波理论结合颗粒流的应力关系建立了泥石流龙头对坝体的冲击 力计算式 p = 勋j2 r 2( 1 1 3 ) 篇= l f ( p ) v o5 ：乒砰 n m ) = 警+ 石( 1 - 2 丽) p ( 1 1 5 ) 式中，r 为泥石流体中颗粒的代表粒径 ) ，k 为常数，、为泥石流中颗粒的 运动速度沏s ) ，为泥石流内部压力波传播的速度( 或称龙头冲击的初速度) ，s 为 碰撞的能量恢复系数( 可取o 6 ) ，p 为龙头整体密度( 培m 3 ) ，p 。为液相密度 ( k g l m 3 ) ( 一般可取清水密度) ，a 为颗粒线浓度，以为颗粒密度( 培肼3 ) ，p o 为龙 头冲击坝前的密度( k g l m 3 ) ，尸0 为流体初始压力( 七) ，由( 1 ，1 6 ) 式计算 r = g p o h 。 ( 1 1 6 ) 式中，h 。为龙头冲击前泥石流体的流深( m ) 。 吴积善h ，6 1 等通过对蒋家沟泥石流观测将冲击力概化为锯齿形脉冲、矩形脉冲 和尖峰形脉冲。如图1 3 、圈1 4 、图1 5 。它们反映了泥石流冲击力随泥石流本身特 征如流速、流量、容重、颗粒级配及颗粒形状等不同而变化。 第一章绪论 图1 3 锯齿形脉冲图1 4 矩形脉冲图1 5 尖峰形脉冲 f i g1 3h a c k l ei m p u l s ef i g1 gr 。c t a n g l ei m p u l s ef i g1 , 5s h m , p ei m p u l s e 刘雷激等【7 2 1 在中国科学院东川泥石流观测站于1 9 8 2 1 9 8 5 年对蒋家沟泥石流冲 击力进行了实地测量。采集了一批数据，将巨砾撞击力概化为矩形脉冲谱，而视 泥石流浆体压力为三角形脉冲谱。 朱鹏程根据蒋家沟测站的几次典型冲击力与地声频谱的测验资料，与紊动 水流能量谱进行了模拟分析，对泥石流内部的能量与传递与损耗、时间变化做出 了解释，定性说明了沟床的冲淤规律。 陈洪凯 5 , 1 9 - 2 0 1 将泥石流体概化为由固相颗粒和浆体组成的等效两相流体，运用 两相流理论构建了泥石流体分相流速计算公式 巧= 兰g ( 1 - 1 7 ) 露= 瓶 ( 1 1 1 8 ) 厂j v ( 1 - a ) p , 一m 2 印， ( l 1 9 ) 式中，吒、0 分别表示泥石流体中固相和液相的实际流速( m s ) ，v ，表示泥石流 体中固相理论流速( m s ) ，口表示泥石流固相比，n 、p ，分别表示固相和液相 的平均密度( g c m 3 ) ，g 表示固相流速差异系数，是泥石流固相比、流通区长度 和泥石流厚度的函数，m 为泥石流圃液相流速比例，为同相i ：g 口的函数，计算公 劫m 2 高。 陈洪凯 5 , 1 s - 2 3 墩授在其建立的泥石流等效两相流理论基础上，假定泥石流的冲 击力由固相冲击力和液相冲击力共同构成，构建了泥石流冲击力计算公式 p 拥5 置嗑1 扣儿”；+ 1 一f ) 以h ) ( 跏口) 2 ( 1 2 0 ) 式中， 为固相颗粒容重( k i v l m 3 ) ，k 为液相浆体容首t ( i d v m 3 ) ，“，为固相流 第一章绪论 速( r a s ) ，u s ：为液相流速( m s ) ，d 为固相颗粒平均粒径( m ) ，善固相颗粒的体积分