（水力学及河流动力学专业论文）泥石流入汇交汇区水沙运动特性.pdf

四川大学博士学位论文 泥石流入汇交汇区水沙运动特性 水力学及河流动力学专业 研究生：郭志学指导教师：方铎 摘要 以大容重、高流速、大流量和强摧毁力为特征的泥石流骤然间将大量包含 各种粒径( 尤其是大尺寸颗粒) 的泥沙输入主河，在短时间内改变主河水沙组 成及局部边晃条件，对主河水沙运动特性及演变规雒等都带来重要的影响。在 泥石流与主河交汇区，主河水位被壅高，泥石流中固体物质在该区段发生淤积， 给交汇区及其上、下游河段一定范围内的河床地形和水流条件带来重大改变， 严重时还可能形成堵江坝和堰塞湖，淹没上游农田、铁路、公路等沿江建筑物， 造成大范围灾害。当洪水漫过堵江坝时，又可能发生溯原冲刷，而当堵江坝溃 决时，会产生大规模的溃决洪水，造成下游长距离超常冲刷。冲毁下游农田和 沿江建筑物，形成二次灾害。泥石流入汇问题与山区人民生产生活、经济建设 和生命财产安全息息相关，对其进行研究具有重要的应用价值。此外，从学科 范畴来说，泥石流入汇主河属于复杂的非牛顿流体与牛顿流体相互作用问题， 对在交汇区复杂水沙及边界条件下主河水流和泥石流之间相互作用机制以及交 汇区的水沙运动特性等的研究又具有重要的理论意义。 本文在试验的基础上对泥石流入汇主河后交汇区的水沙运动特性进行了分 析和归纳，通过理论分析与试验相结合的方法对诸如水位壅高、交汇区淤积变 化规律、堵江临界舅j 别条件以及宽级配非均匀沙再起动等一系列交汇区水沙运 动特性方面的问题进行了研究。论文共分六章，现分别简要介绍如下： 论文第一章对泥石流及支流入汇闯题研究现状进行了回顾，指出泥石流入 汇主河属于复杂的非牛顿流体与牛顿流体相互作用问题，迄今缺乏系统深入的 研究，极需结合试验对泥石流入汇后交汇区的永沙运动特性开展探索性的研究。 第二章主要介绍了为探讨泥石流入汇机理所进行的系列水槽试验，包括成 都山地灾害与环境研究所试验，西南交通大学试验和中国水利水电科学研究院 试验以及前两家所进行的泥石流堵江试验。本章对各家试验布置、设备、试验 内容及观测手段做了说明，文中还对试验现象作了详细的描述。并对试验资料 所显示的相关因素之间的关系做了初步的分析和归纳：通过对不同容重的泥石 流入征主河后试验现象及试验结果的差异的分析发现，泥石漉容重是影响交汇 区紊动强度的主要因素，泥石流容重越低，进入主河的流速越高，在交汇区引 起的紊动就越强烈，反之亦然。对不同流量比的泥石漉入汇试验现象的分析发 现，流量比是影响主支流对比关系的主要因素，流量比越大，支流加于主流的 作用越强，表现为，在泥石流容重较小时交汇区紊动加强，泥矗流容重较高时 结构性保持完好，容易形成堵江，主支流量相当时则对不同容重的泥石流都表 现为较强烈的交汇区紊动掺混。其次结合不同交汇角的泥石流入汇试验现象 分析认为，交汇角是影响泥石流对主河作用的一个重要因素。交汇角越大，泥 石流入汇后对主河的壅水作用越明显，在交汇区越容易形成堵江现象。此外 通过对不同流速的泥石流入汇后交汇区运动变化特性的分析还发现，流速是影 响交汇区掺混强度和紊动强弱的主要因素之一支流流速越高，进入主河时对 主河的侧向冲击越强，交汇区紊动掺混越强烈。 论文第三章对各家试验成果进行了分析。通过对泥石流入汇后交汇区上游 水位变化的分析认为，受泥石流入汇的影响，交汇区上游水位壅高，其壅高幅 度随交汇角的增大而增加，在交汇角一定时则随流量比的增大而增大。此外， 对交汇区淤积特性的分析指出，随流量比的增大，交汇区淤积量总体上呈增大 的趋势。平均淤积深度具有随流量比的增大而先增大后减小的趋势，并表现出 与主河流量有很好的相关性，主河流量越大，淤积物越分散( 出现堵江情况例 外) ，淤积深度越小。最大淤积深度出现在主支流量相当时，最大淤积深度点多 分布于支槽对岸主河下游侧，当泥石流容重较高时，则多集中分布在支槽出口 附近。 论文第四章应用动量原理对交汇区永沙运动特性迸行了分祈，引入输运率 和淤积率等概念，研究了泥石流入汇后流量比和容重比等因子变化对交汇区水 沙特性影响的规律，并推导褥出可以综合反映泥石流入汇君水位壅高和交汇区 泥沙淤积的关系式。此外，对泥石流入汇引起堵江的各种因素所进行的分析指 四川i 大学博士学位论文 出，随泥石流入汇角、泥石流与主河的流量比、泥石流入汇总量、泥石流浆体 屈服应力等的增大有利于堵江现象的发生，而主河宽度和主河比降的增大则不 利于泥石流堵江，泥石流容重和泥石流与主河流速比的影响呈现一种抛物线型 关系，即随参数的增大对堵江先有利而后朝不利方向发展。最后建立了泥石流 堵江的临界判别式。 论文第五章探讨了交汇区淤积体在主河水流作用下的再起动问题。文中引 入泥沙颗粒切点公切线与水平面的交角作为表征泥沙颗粒在床面位置的参量， 根据床沙处于不同位置时受力情况，确定颗粒起动的判别条件。结合指数流速 公式，推导了与泥沙粒径和位置参量( 公切角) 相关的非均匀沙起动流速公式。 此外，从泥沙与水流相互作用机理出发，建立了可以反映泥沙颗粒对近底处水 流结构影响的以粒径为参变量的含沙水流流速公式，并在此基础上，结合受力 分析，推导得出了非均匀沙起动流速公式，该公式能够较合理的反映宽级配非 均匀沙的起动特性。 第六章对本文的研究成果作了总结。 关键词：泥石流交汇角流量比堵江非均匀沙起动 t h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co f f l o wa n ds e d i m e n ti n c o n f l u e n c ea r e aw h e nd e b r i sf l o w sj o i n ei nt h em a i n r i v e r m a j o r ：h y d r a u l i c s a n dr i v e rd y n a m i c s p h d c a n d i d a t e ：g u oz h i x u e s u p e r v i s o r ：f a n gd u o a b s t r a c t d e b r i sf l o w , w i t h b i gs p e c i f i cg r a v i t y , h i g hv e l o c i t y , l a r g ed i s c h a r g e ，a n ds t r o n g d e s t r u c t i v ep o w e lc a r r yag r e a ta m o u n to fs e d i m e n t ，e s p e c i a l l yt h el a r g e - s i z eo n e , i n t ot h em a i nr i v e r t h ec o m p o s i t i o no ff l o wa n ds e d i m e n ta n dt h eb o u n d a r y c o n d i t i o nw i t h i nt h ec o n j u n c t i o na r e ai sc h a n g e di nas h o r tt i m e ，w h i c hw i l ls e r i o u s l y a f f e c tt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co fs e d i m e n ta n df l o w , a n de v e nt h ee v o l v e m e n to f t h em a i nr i v e r t h ew a t e rl e v e lo ft h em a i nr i v e rw i l lb eb l o c k e du pa n dt h es o l i d m a t e r i a lo fd e b r i sf l o ww i l lb ed e p o s i t e di nt h ec o n j u n c t i o na r e a t h i sc a u s e sa s e r i o u sc h a n g ef o rt h eb e df o r ma n dt h ef l o wc o n d i t i o ni nal o n gd i s t a n c en e a rt h e c o n j u n c t i o na r e a ad a ma n db a r r i e rl a k ew i l l b eb u i l tu n d e re v e nm o r es e r i o u s c o n d i t i o n a sa ne f f e c t ，t h eg r a i nf i e l d ，r a i l w a y , h i g h w a ya n da l lo ft h ec o n s t r u c t i o n a l o n g t h er i v e ri nu p s t r e a mw i l lb e s u b m e r g e d e v e nt e r r i b l e ，i f t h ew a t e ro v e r f l o w , i t w i l ll e a dt ob a c k w a r de r o s i o n ；a n di ft h ed a r no u t b u r s t ，m a j o ro u t b u r s tf l o o dw i l l c o m ef o r t h b e c a u s eo ft h e l o n gd i s t a n c eu n c o m m o ns c o u r , t h eg r a i nf i e l do f d o w n s t r e a ma n dc o n s t r u c t i o na l o n gt h er i v e rw i l lb e d e s t r o y e d ，w h i c h i sas e c o n d a r y d i s a s t e li tw i l lb ec r o w n i n gc a l a m i t yf o rd o w n s t r e a mi n h a b i t a n t n m si tc a nb es e e n t h a tt os t u d yt h em e c h a n i s mo fd e b r i sc o n f l u e n c ew i t ht h em a i nr i v c rh a s o p e r a t i o n s i g n i f i c a n c e m o r e o v e li ti sac o m p l e xi n t e r a c t i o nb e t w e e nn o n n e w t o n i a nf l o wa n d 四川大学博士学位论文 n e w t o n i a nf l o ww h e nd e b r i sf l o wj o i n e si n t oam a i nr i v e r t os t u d y t h em o v e m e n t m e c h a n i s mo ff l o wa n ds e d i m e n tu n d e rt h ec o m p l i c a t e dc o n d i t i o nh a st h e o r e t i c s i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，t h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co ff l o wa n d s e d i m e n ti nc o n j u n c t i o na r e ai ss t u d i e d t h eh e i g h to fb a c k w a t e ri nm a i nr i v e r , t h e d e p o s i tl a ww i t h i nt h ec o n j u n c t i o na r e a ，t h ec r i t i c a lc o n d i t i o no f r i v e rb l o c k i n ga n d t h er e i n c i p i e n to fw i d e s i z ed i s t r i b u t e dn o n u n i f o r ms e d i m e n th a v eb e e ns t u d i e di n d e p t ht h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t 乃ep a p e rc o n s i s t so f 6 c h a p t e r s n l em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ， t h er e s e a r c hs t a t u so fd e b r i sf l o wa n dc o n f l o wa r ei n t r o d u c e di nt h ef i r r s t c h a p t e r i ts h o w st h a tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nd e b r i s f l o wa n dm a i nr i v e ri sa c o m p l e xp r o b l e mo f i n t e r a e t i o nb e t w e e nn o n - n e w t o n i a nf l o wa n dn e w t o n i a nf l o w , w h i c hi sl a c ko fs y s t e m i cs t u d yb yn o w i ti sa l s ob ep o i n t e do u tt h a tt h ec o m p l e x p r o b l e m ，e s p e c i a l l y , t h ef l o wa n ds e d i m e n tm o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i ci nc o n j u n c t i o n a r e a ，s h o u l db es t u d i e db a s e d o nt h ee x p e r i m e n t as e r i e so f e x p e r i m e n t sa i m e da te x p l o r i n gt h em e c h a n i s mo f t h ec o n f l u e n c e b e t w e e nd e b r i sf l o wa n dt h em a i nr i v e ra r ei n t r o d u c e di nt h es e c o n dc h a p t e r t h e a r r a n g e m e n t ，e q u i p m e n t ，a n dc o n d i t i o no ft h ee x p e r i m e n t sa r ed e a l e dw i t h ，t h e e x p e r i m e n tp h e n o m e n a a r ed e s c r i b e di nd e t a i l b yc h a r t s ，f i g u r e s a n d p h o t o s m e a n w h i l et h er e l a t i o na m o n gt h er e l a t i v ef a c t o r si s a n a l y z e da n ds u m m e du p t h r o u g ht h ed e s c r i p t i o no ft h ec o n j u n c t i o ne x p e r i m e n tp h e n o m e n ao fd e b r i sf l o w w i t hd i f f e r e n ts p e c i f i cg r a v i t y , i ts h o w st h a ts p e c i f i cg r a v i t yo fd e b r i sf l o wi sam a i n f a c t o rt h a ti n f l u e n c et h et u r b u l e n c ei n t e n s i t yo f c o , u n c t i o na r e a 1 1 1 el o w e rd e b r i s f l o ws p e c i f i cg r a v i t y , t h eh i g h e rj o i n e dv e l o c i t y , a n dc o r r e s p o n d i n g l yt h es t r o n g e r t u r b u l e n ti n t e n s i t y v i c ev e r s a a c c o r d i n gt ot h er u l eo ft h ee x p e n m a n to fd i f f e r e n t d i s c h a r g er a t i o ，d i s c h a r g er a t i oi sam a i nf a c t o rt h a tr e f l e c t st h ee o n t r a s t i v er e l a t i o n o fd i s c h a r g eo fd e b r i sf l o wa n dt h em a i nr i v e r t h eb i g g e rd i s c h a r g er a t i o t h e s t r o n g e ra c t i o no f d e b r i sf l o wt ot h em a i nr i v e r a sar e s u l t ，w i t hl o wd e b r i sf l o w s p e c i f i cg r a v i t yt h et u r b u l e n ti n t e n s i t yw i l lb ei n c m a s e d w h e nd e b r i sf l o ws p e c i f i c g r a v i t yi sh i g h ，t h es t r u c t u r eo f i ti sm a i n t a i n e d , a n dr i v e rb l o c k i n gw i l lb ep r o d u c e d e a s i l y b u ti ft h ed i s c h a r g ei se q u i p o n d e r a n t ，i t w i l ls t i rs t r o n g l yf o rb o t hh i g ha n d l o wd e b r i sf l o ws p e c i f i cg r a v i t y c o n j u n c t i o na n g l ei sf o u n dt ob ea n o t h e ri m p o r t a n t f a c t o rw h i c hi n f l u e n c e st h em e c h a n i s mo fd e b r i sf l o wi o i n i n gi n t ot h em a i nr i v e r t h eb i g g e rc o n j u n c t i o na n g l e ，t h eh i g h e rb l o c k w a t e ri nt h em a i nr i v e r , a n dt h e e a s i e rr i v e rb l o c k i n g i na d d i t i o n ，t h ev e l o c i t yo fd e b r i sf l o wi sa l s oa ni m p o r t a n t f a c t o rt h a ta f f e c t st h es t i ra n dt u r b u l e n t i n t e n s i t y t h eh i g h e rd e b r i sf l o wv e l o c i t y ，t h e s t r o n g e r l a t e r a l s u r g i n gf o r o e ，a s ar e s u l t ，t h e s t r o n g e r t u r b u l e n ta n ds t i ri n c o n j u n c t i o na r e a t h e r u l e i n c l u d i n gt h eh e i g h to f b a c k w a t e ri nm a i n r i v e r , t h ed e p o s i tv o l u m e a n dt h ed i s t r i b u t i o nl a wo fs e d i m e n tw i t h i nc o n j u n c t i o na r e a i ss t u d i e df r o mt h e a n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t r e s u l ti nt h et 1 1 i r dc h a p t e r , f r o mt h e a n a l y s i so f t h ec h a n g e o fw a t e rl e v e lo ft h em a i nr i v e rb e f o r ea n da f t e rt h ec o n j u n c t i o n ac o n c l u s i o ni s d r a w nt h a tt h ew a t e rw i l lb eb l o c k e du pw h e nd e b r i sf l o w j o i n e di n t ot h em a i nr i v e r t h er e l a t i v eh e i g h t0 f b l o e k u p w i l li n c r e a s ea sc o n j u n c t i o n a n g l ei n c r e a s e s ，a n da l s o ， t h es a m et ot h ed i s c h a r g er a t i o w h e nt h ed e p o s i tc h a r a c t e r i s t i co ft h es e d i m e n ti n c o n j u n c t i o na r e ai sa n a l y z e d ，i ts h o w st h a tt h ea m o u n to fd e p o s i tw i l li n c r e a s ea s d i s c h a r g er a t i oi n c r e a s e s w h e nd i s c h a r g ei n c r e a s e s ，t h ea v e r a g ed e p o s i td e p t hw i l l i n c r e a s ef i r s t ，t h e nd r o pd o w n a tt h es a m et i m e ，a v e r a g ed e p o s i td e p t hh a sg o o d r e l a t i v i t yw i t hd i s c h a r g eo ft h em a i nr i v e r l a r g ed i s c h a r g eo ft h em a i nr i v e rw i l l c o r r e s p o n d t ol o w a v e r a g ed e p o s i td e p t h a n dw i d e d i s p e r s eo f t h ea c c u m u l a t i o n t h e l a r g e s td e p o s i td e p t hw i l la p p e a rw h e n t h ed i s c h a r g eo fd e b r i sf l o wi se q u i v a l e n tt o t h a to ft h em a i nr i v e r a n dt h ep o i n to fl a r g e s td e p o s i td e p t hi sd i s t r i b u t e da tt h e d o w n s t r e a m o f o p p o s i t e s i d eo f t h em a i nr i v e r t h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co ff l o wa n ds e d i m e n ti n c o n j u n c t i o na r e a i s s t u d i e dt h e o r e t i c a l l yi nt h ef o u r t hc h a p t e r 1 1 1 et r a n s p o r tr a t i oa n dd e p o s i tr a t i oi s d e f i n e dt o s t u d yt h ec h a n g e o fd i s c h a r g er a t i oa n d s p e c i f i cg r a v i t y r a t i oo f d o w n s t r e a mo ft h ec o n j u n c t i o n a ne q u a t i o nt h a tc a nr e f l e c to ft h eb l o c k - u pa n d s e d i m e n td e p o s i ti sd e r i v e da tl a s t t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs i n g l ep a r a m e t e r , i ti s f o u n dt h a tt h el a r g e rc o n j u n c t i o na n g l e ，l a r g e rd i s c h a r g e ，t h em o r ea m o u n to fd e b r i s f l o wa n dl a r g e ry i e l ds t r e s so fd e b r i sf l o ww i l ld og o o df o rr i v e rb l o c k i n g o nt h e 竺型奎耋堡圭兰堡堡圣 c o n t r a r y , b i g g e rw i d t ha n ds t e e p e rg r a d i e n tr a t i oo f t h em a i nr i v e rw i l lg oa g a i n s t w i t hr i v e tb l o c k i n g ，a n dt h e s p e c i f i cg r a v i t yo fd e b r i s f l o wh a sp a r a b o l i c - t y p e i n f l u e n c eo nr i v e rb l o c k i n g i ti se q u a lt os a yt h a t ，t h er i v e rb l o c k i n gw i l lb ef i r s t e a s yt h e nd i f f i c u l ta st h es p e c i f i cg r a v i t yo f d e b r i sf l o wi n c r e a s e s ad i s c r i m i n a n tt o d i s t i n g u i s h t h er i v e rb l o c k i n gi sf o u n db a s e do nt h ea n a l y s i so f s i n g l ef a c t o r i nt h el a s tb u to n e c h a p t e ro f t h ep a p e r , t h er e i n c i p i e n to fs e d i m e n tt h a td e p o s i t i nt h ec o n j u n c t i o na r e ab yd e b r i sf l o wi sc o n s i d e r e d t h ep a r a m e t e ro fc o m m o n t a n g e n ta n g l et h a tc a l lc h a r a c t e r i z et h ep o s i t i o no fs e d i m e n tp a r t i c l e si si n d u c t e d w i t ht h ep a r a m e t e ro fc o m m o n t a n g e n ta n g l e ，a n dc o m b i n gw i t l lt h ef o r c ea n a l y s i s ， t h ei n c i p i e n to r d e rc a d _ b ed e t e r m i n e d a n dt h e nw h e nt h ee x p o n e n t v e l o c i t yi su s e d ， a ni n c i p i e n tv e l o c i t yf o r m u l aw h i c hi n c l u d e st h ed i a m e t e ro fs t u d i e d p a r t i c l ea n d t h e c o m m o nt a n g e n ta n g l ei sd e r i v e d t h ec h a n g eo ff l o ws t r u c t u r eb e c a u s eo ft h e e x i s t i n go fs e d i m e n t p a r t i c l e si sa l s os t u d i e d av e l o c i t yf o r m u l ao fs e d i m e n t ，l a d e n f l o wi sf o u n d ，w h i c hc a l lr e f l e c tt h ec h a n g eo f v e l o c i t yt h a tc a u s e db yt h es e d i m e n t p a r t i c l e si nt h eb o t t o m b a s e do ni t ，af o r m u l ao fs e d i m e n ti o c i p i e n tv e l o c i t yi s d e r i v e d ，w h i c hi sm o r ei np o i n tf o rt h es t u a yo ft h ei n c i p i e n to fs e d i m e n tw i t hw i d e g r a d i e n t i nt h el a s tc h a p t e rt h ec o n c l u s i o ni ss u m m e d u p k e yw o r d s ：d e b r i sf l o w , c o n j u n c t i o na n g l e ，d i s c h a r g er a t i o ，f i v e b l o c k i n g ， n o n u n i f o r i l ls e d i m e n ti n c i p i e n t 塑奎兰矍圭茎堡鎏圣 引言 地球是人类赖以生存的空间，世世代代，人类在大自然赋予的这个环境里 生存、发展，同时通过自己的种种活动给大自然烙上了人类自身的印记。随着 科技和人类社会经济的进步和发展，人类介入大自然的步伐愈跨愈大，其活动 的深度和广度成百上千倍的增加。人类向自然界索取的东西越来越多，却不给 它以修养生息的机会，于是各种与人类不合理的对自然资源的开支利用相伴生 的自然灾害频繁爆发，其中泥石流就是一种发生频繁严重危害人民生命财产安 全的自然灾害，也已经成为一种全球性的突发性自然灾害。我国是泥石流最为 发育的国家之一，在我国三分之二国土面积以上的山区中，不同程度地发育着 泥石流。全国有2 6 个省有泥石流灾害，目前已查明全国特大型泥石流沟2 0 0 0 多处，大中型泥石流沟1 5 0 0 0 多条，主要分布在我国西部和西南地区。青藏高 原主要是冰川泥石流，西北黄土高原以高浓度泥流为主，东北、华北和其它山 区以水石流为主，发育泥莅流最多的省份是云南、四j i l 和甘肃省，其中云南东 川地区、四川凉山地区和甘肃省武都地区的泥石流活动闻名中外。东川蒋家沟、 大桥河、达德沟；凉山利子依达沟、黑沙河：武都泥湾沟、火烧沟、柳湾沟都 是著名的泥石流沟谷。西藏古乡沟泥石流一次输沙量达1 1 0 0 万m 3 ，流量最大 达2 8 6 0 0n a 3 s ，最多一年内爆发8 8 次，为全球之首。流域面积仅2 ，9 5 0 平方 公里的云南小江流域，每年爆发泥石流总次数为5 0 0 一1 ，0 0 0 次，个别年份可 达二三千次。泥石流的动力最大值一般出现在泥石流得以充分发展的流通区。 但由于该区域开发利用条件差，经济发展水平较低，所以就泥石流灾害破坏力 而言，危害最为严重的区域往往是更适宜人类生活居住和发展的出山口以后的 堆积区和与主河的交汇段。 以大容重、高流速和大流量为基本特征的泥石流骤然间将大量包含各种粒 径( 尤其是大尺寸颗粒) 的固体物质输入主河，在短时闯内改变主河水沙组成 及局部河段的边赛条件，对主河水沙运动特性及演变规律等带来重要的影响。 在泥石流与主河交汇区，主河水位被壅高，泥石流中固体物质在该区段发生淤 积，给当地的河床地貌和水流条件带来重大改变，严重时还可能形成堵江坝和 堰塞湖，淹没上游农田、铁路、公路等沿江建筑物，造成大范围危害。当洪水 漫过堵江坝时，又可能发生溯原冲刷，而当堵江坝溃决时，会产生大规模的溃 引吾 坝洪水，造成下游长距离超常冲刷，冲毁下游农田和沿江建筑物，形成二次灾 害。此外泥石流入汇主河，属于复杂的非牛顿流体与牛顿流体相互作用问题， 也是山区较常见的一种自然现象，由它所引发的包括堵江在内的一系列环境、 生态、河道演变等问题同样不容忽视。 综上所述，泥石流及其入汇主河是发生在我国山区的一种主要灾害类型， 其危害大，影响面广，已成为制约我国山区社会经济持续发展的重要因素之一， 对其相关的机理、规律开展系统的试验研究，有着重要的理论意义和应用价值。 本文拟在试验的基础上着重对泥石流入汇主河汇流区的水沙运动特性加以探 讨，期望通过对有关试验资料的分析以及从理论上归纳和总结，对揭示这一复 杂问题的物理实质有所帮助，更期望通过对该问题的研究，能对山区生产生活 条件的改善发挥一点作用。 2 塑些查兰璧圭耋堡丝三 第一章序论 泥石流是山区多发性自然灾害现象，它爆发突然、来势凶猛、历时短暂、 破坏力大，不仅会淹没农田、抬高河床、污染环境，而且严重时还可能堵塞江 河、淤埋村庄，威胁人民的生命财产安全、破坏水利水电工程、桥梁、道路和 通讯设施，常给山区本就脆弱的生态环境和经济发展带来致命的打击。我国因 泥石流造成的经济损失平均每年达2 0 - 2 5 亿元之多】。 泥石流骤然间将大量包含各种粒径( 尤其是大尺寸颗粒) 的泥沙输入主河， 在短时间内改变主河水沙组成及局部边界条件。泥石流极强的输沙能力、特有 的固体物质组成可含超大尺寸的粗颗粒的特性、较高的流速、悬殊的流量比以 及各支沟的联合作用都将对主河水沙运动特性和主河演变规律等带来重大的影 响1 ”。 泥石流与主河交汇问题属于复杂的非牛顿流体与牛顿流体相互作用问题。 关于主河水流( 挟沙或不挟沙) 以前研究较多，也比较成熟。对于泥石流，关 于它的运动以及输移规律，以往虽曾做了大量的研究，但由于问题本身的复杂 性，至今还有不少关键的问题未自解决，甚至就连泥石流的定义和流变方程， 目前也还存在很多不同的看法。至于汇流问题，关于清水和挟沙水流交汇，过 去做过一些研究，而对于支流挟带泥石流这种非牛顿流体与主河交汇问题的研 究则非常少见。 l 泥石流研究现状 泥石流作为山区种独特的自然现象，最早由美国地质学家b 1 a c k w e l d e r 于1 9 2 8 年科学地加以记载州。当时他已提出了泥石流形成的基本条件：陡峻的 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，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，也描述了泥石流发生 后剧烈的地形改变。 1 9 7 8 年v a n e s 4 l 把泥石流作为流动类型中的快速运动有别于滑动及其它4 种类型而单独列出。他较为详细地描述了泥石流发生的环境条件、流动过程、 物质组成和地貌表现，将泥石流阵流的成因解释为源地区松散碎屑物质周期性 移动或下游沟道松散碎屑物质周期性阻塞和释放的结果。此外，还有l o n g w e l l 【s 】 第一章序论 等，t u t t i e ，s t r a h l e r t 6 1 以及e a s t e r b r o o k 等在各自的专著中，在有关坡地块体运动 的类别中都列出了泥石流这一类型。 泥石流在其发生的很短时间内，可使地形地貌发生急剧变化，原来的沟道 突然消失，新的沟道瞬刻间形成；原来的侵蚀洼地突然填平，新的堆积台地突 然出现。这种快速的外营力，作为坡地地貌过程的一种特殊类型，首先引起了 地学界的浓厚兴趣。泥石流强大的冲击力，可摧毁途经的建筑物和基础设旌， 造成人员伤亡和财产损失。泥石流作为一种自然灾害现象，引起了灾害学界的 极大关注。为了对泥石流灾害进行预测预报和有效控制，泥石流启动、输运和 堆积机理的研究受到了力学晃的重视，他们采用实验和理论分析的方法，对泥 石流运动规律进行了研究。随着工程治理和生物工程措施方面工作的进展，人 们进一步认识到灾害管理和灾害保险等非工程措施也是泥石流减灾防灾的一项 有效途径，因此诞生了管理学中的一门分支学科灾害管理学p 1 。目前专门 从事泥石流研究的专业人员较少，但涉及到泥石流研究的学科并不少，至少有 地学、灾害学、力学、工程学、管理学和环境学六大学科与泥石流有关。 关于泥石流的定义，一直是泥石流学者不断探索的一个问题，但由于各研 究者对泥石流的认识和工作侧重点的不同，一直没有一个大家公认的定义，目 前已有不少于2 0 种不同的表述形式。1 9 7 6 年t w i d a l e t 在对泥石流组成物质的 叙述中提到了粘土，并在描述泥石流运动时指出流体表面存在明显的流线。同 年b u t z e r t s l 定义泥石流的组成物质中固体物质应大于5 0 ，泥石流沟谷流域的 纵坡应不小于5 0 。d e r b y s h i r e t 9 】在1 9 7 6 年对泥石流的阐述首次加人了成因机理 的内容，认为泥石流是与宾汉( 粘塑) 变形有关的流体。1 9 7 9 年e m b l e t o n 和 t h o m e s t l 0 1 给出了泥石流的定义：泥石流是在重力作用下由砂砾、粘土、水和空 气混合物体的运动。英国地质学会工程组【“1 的定义则是：泥石流是介于水流和 滑坡之间的一系列过程，因而包括有重力作用下松散物质、水体和空气三者构 成的块体运动。前苏联学者弗来施曼【1 2 1 将泥石流定义为：。泥石流是水体和松散 碎屑岩石混合物构成的山地洪流，它包括有众多的自然现象，即自雨水洪流至 土滑和滑坡。国内钱宁等【”1 定义为：“泥石流是发生在沟谷和坡地上的饱含小至 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， 固相是较粗颗粒。吴积善等4 1 认为：泥石流是脆弱山区介于挟沙水流与滑坡体 之间的土、水、气混合流有三层涵义：1 泥石流发生在脆弱山区：2 泥石流 4 四川i 大学博士学位论文 介于挟沙水流与滑坡体之间，既不属挟沙水流，也不属滑坡体，3 泥石流是土 f 粘粒到巨砾) 、水、气混合流，系三相流体，由于气体含量甚微，可略而不计， 故一般视为二相流体。最近陈德明【1 5 1 在总结各种观点后提出的定义为：泥石流 是产生在山地沟谷中或坡面上的，由水与泥沙、石块和大漂石组成的不均质的 混合体，介于块体运动与水力运动之间，呈稀性紊流