黏性泥石流对球型大颗粒启动的临界条件分析

泥石流是一种破坏力巨大的地质灾害,其破坏力主要来源于浆体中裹挟的大颗粒。相近速度情况下,相同体积的大颗粒比液相浆体拥有更大的冲击力。本文针对黏性泥石流沟内大颗粒的滚动启动,建立了合理并且较为简洁的计算模型。水流条件是泥石流爆发的关键因素,通过分析计算球型大颗粒在浆体冲击下受到的上举力、推移力、有效重力等,考虑支承颗粒和启动颗粒相对位置的随机分布问题,求解大颗粒临界启动时的力矩平衡方程,得到对应的上游来流临界条件。临界启动流速公式符合普适性规律,并且通过计算流体软件FLUENT对3个典型算例的数值模拟,得到的数值解与理论解吻合得较好。本文结论对黏性泥石流沟的防治工程设计,特别是水石分流中排水流量的计算具有一定借鉴意义。     

品字形桩林防护结构对泥石流冲击桥墩作用的影响

减缓和消除泥石流对桥墩的冲击作用对大桥安全至关重要。以品字形桩林作为防护结构,结合泥石流运动特征参数和桥墩宽度等因素,提出了一种桩林结构尺寸的设计原则。先通过模拟泥石流中大块石对不同型式桩林结构的冲击作用获得了桩林结构的最佳布置方式,然后采用SPH(光滑粒子流体动力学)-FEM(有限元)结合的方法分析了含大块石泥石流对设置品字形桩林结构情况下桥墩的冲击作用。结果表明：大块石与泥石流浆体共同撞击桥墩的冲击力为3 843 kN,远大于无防护时纯泥石流浆体对桥墩冲击力1 840 kN和有防护时的1 452 kN;桩间距3.0 m、桩排距1.0 m是品字形桩林结构最为合理稳固的布置方式;设置防护结构时桥墩所受泥石流浆体的冲击力峰值、墩底应力峰值和数值模拟t=8.0 s时墩底位移峰值相比于无防护状态下分别减小了约21.1%、79.0%和29.4%。采用品字形桩林防护结构对于桥墩受泥石流冲击破坏有相当显著的防护作用。     

泥石流冲击桥墩动力相互作用物理模型试验

在我国西部山区地震、地质活跃带,泥石流灾害对位于泥石流沟道、沟口等位置处的桥墩构成重大威胁。如何量化描述泥石流冲击桥墩的动力过程,是泥石流减灾领域拟要解决的一个重要科学问题。以泥石流灾害威胁成兰铁路沿线桥墩的工程背景为基础,依托大型泥石流模拟系统,进行多组室内大比例泥石流冲击桥墩物理模型试验。研究泥石流流速、流深以及流体特征参数与泥石流冲击压力的相关性。试验结果表明:冲击过程主要受到弗汝德数Fr和雷诺数Re两个无量纲数控制,稀性泥石流冲击压力主要控制参数为Fr,而对于黏性泥石流则同时有Fr和Re的影响;不论是对于峰值冲击力还是冲击功率谱,不同类型泥石流差别显著;在相同重度等条件下,稀性泥石流具有更大的冲击能量;此外,各种类型泥石流通过临界Fr线得到了本质上的区分。研究成果将为桥墩抗泥石流冲击结构设计提供技术支持及科学依据。     

沟岸侧蚀对泥石流不稳定动力过程的影响

泥石流作为非牛顿体,屈服应力大,运动过程通常不稳定。前人建立了许多模型来研究沟床揭底和堰塞体溃决对泥石流不稳定动力过程的影响,沟岸侧蚀对泥石流不稳定动力过程的影响研究较少。通过侧蚀为主的模型和完全底蚀的模型两种水槽实验的对比,针对泥石流的动力过程展开研究。实验发现两种工况条件下泥石流正应力和孔隙水压力随着龙头高度沿程波动性的增长而相应地波动性增大,但侧蚀作用使得这种波动特征更加明显。通过力学分析,证明侧蚀作用导致泥石流龙头的阻力更大,但是龙身颗粒和龙头颗粒的速度差更大,使得龙头附加坡降更大,因此,侧蚀作用使得泥石流龙头的平均速度更快。泥石流龙头浓度和容重的不断增大,使得阻力不断增大,阻力和动力的动态平衡关系是泥石流不稳定运动的原因之一。     

小秦岭金矿区碾头岔矿渣型泥石流特征值计算

泥石流的运动参数是泥石流研究的主要内容和防治设计的重要基础。以矿渣型泥石流为对象,通过地形测量和工程地质测绘查明,碾头岔地形陡峻,沟道顺直,为泥石流的形成提供了有利的地形条件。通过钻探、坑槽探发现可能的物源包括矿渣、坡面松散层及小型沟岸滑塌体。工程力学分析表明,采矿废渣在自重状态下的稳定性系数为1.022~1.063,处于欠稳定和基本稳定之间;在自重+暴雨状态下,稳定性系数介于0.889~0.947之间,属于不稳定状态,是研究区内的主要物源。根据降雨量数据计算出碾头岔沟最大洪峰流量大于30m~3/s。在此水动力条件下,预测了泥石流发生时流体重度值为22.80k N/m~3,泥石流流速为5.11m/s;估算了20年、50年和100年一遇洪水的泥石流流量分别为4.31m~3/s、44.6m~3/s和95.5m3~/s,计算得到泥石流整体冲击力为58.34k Pa,超高2.13m,泥石流堆积区的最大危险范围0.21km~2,为小秦岭金矿区矿渣型泥石流防治工程方案的设计提供了基础参数。     

泸定县牧场沟泥石流动力特性预测

对牧场沟泥石流的动力特性进行了预测,认为该沟可形成中小规模泥石流,可提供的物源量约14×104m3。按周期50年一遇算,峰值流量为58.43m3/s,泥石流体冲击应力达6.52×104Pa,单块最大冲击力可达199.74×104N,发生一次泥石流总量为18510m3,一次泥石流冲出的固体物质总量为6571m3。     

舟曲“8．8”三眼峪特大泥石流特征值分析

在对甘肃省舟曲县“8．8”特大泥石流调查的基础上,分析计算了三眼峪泥石流的静力学和动力学特征值。三眼峪泥石流重度介于2．O～2．15t／m^3之间,属于黏性泥石流;支沟大眼峪和小眼峪坡降大,谷底窄,泥石流流速比主沟流速大,最大流速达9．2m／s,流通区积蓄能量巨大;主沟最大流量位于大眼峪沟与小眼峪沟交汇处（峪门口）,流量达1830m^3／s,一次最大冲出量为152×10^4m^3,泥石流规模为特大型;三眼峪沟泥石流冲压力最大为小眼峪沟沟口断面处,冲击力为245kPa;实测泥石流堆积扇中石块最大粒径为11．2m,计算三眼峪沟泥石流中石块最大运动速度达15．06m／s。特征值分析结果可为舟曲泥石流灾后重建过程中工程设计提供重要依据。     

泥石流对桥墩冲击力的试验研究

泥石流冲毁桥墩是桥梁在遭受泥石流冲击时的常见破坏形式。为了研究泥石流对桥墩的冲击力大小,通过调整黏土、沙、石子、水的不同含量,配置不同流变特性、不同密度的泥石流,使用所配置的原料在泥石流槽内对两种形状（圆形、方形）的桥墩缩尺模型进行冲击,综合考察了流变特性、流速、桥墩形状以及冲击力的关系。试验表明：试验配置的泥石流原料流变特性差异明显,且可以用简单的选择流变仪测得,用牛顿流体或宾汉体描述。泥石流的流速可用曼宁公式求得,而公式中的糙率系数与泥石流黏度满足幂函数关系。相同工况下,不同形状桥墩所受的冲击力差异明显,方形桥墩阻力系数普遍大于圆形桥墩。使用非牛顿流体雷诺数（Re）可以综合反映流变特性和流速,因此,圆墩的阻力系数可表达为Re的函数,而方墩则没有明显关系。为方便工程应用,可根据黏性泥石流、稀性泥石流对圆墩的阻力系数分别为2.3、0.9,对方墩分别为2.6、1.9进行选用。     

马边滑坡运动特征及冲击强度的数值研究

滑坡运动堆积特征及其冲击强度研究对滑坡风险定量评估具有重要意义。通过对四川乐山市马边滑坡基本特征调查,利用支持向量机模型(SVM)和颗粒流方法(PFC),对滑坡岩土体细观强度参数进行反演和标定,结合UAV数据生成滑坡区高精度DEM,在此基础上,重构马边滑坡三维颗粒流数值模型,模拟并研究滑坡的运动堆积和冲击过程。结果表明:马边滑坡运动时长32 s,主滑时间16 s,运动开始5 s后速度达到峰值,为10.2 m/s;滑坡中后部岩土体运动迹线为直线型,中前部运动迹线成扩散状态,最终呈扇形堆积;滑坡在坡脚处的冲击力可达1.5×109 N,并随着坡脚距的增大,冲击力呈现出指数衰减特征。研究结果与滑坡运动过程实际视频解译结果及堆积现状基本一致,相关研究方法为滑坡定量风险评估提供借鉴。      

泥石流对桥墩冲击力的试验研究

泥石流冲毁桥墩是桥梁的遭受泥石流冲击的常见破坏形式。为了研究泥石流对桥墩的冲击力大小,本文通过调整黏土、沙、石子、水的不同含量,配置不同流变特性、不同密度的泥石流,使用得到的原料在泥石流槽内对两种形状(圆形、方形)的桥墩缩尺模型进行冲击,综合考察了流变特性、流速、桥墩形状以及冲击力的关系。试验表明:试验配置的泥石流原料流变特性差异明显,且可以用简单的选择流变仪测得,用牛顿流体或宾汉体描述。泥石流的流速可用曼宁公式求得,而公式中的糙率系数与泥石流黏度满足幂函数关系。相同工况下,不同形状桥墩所受的冲击力差异明显,方形桥墩阻力系数普遍大于圆形桥墩。使用非牛顿流体雷诺数(Re)可以综合反映流变特性和流速,因此圆墩的阻力系数可表达为Re的函数,而方墩则没有明显关系。为方便工程应用,可根据粘性泥石流、稀性泥石流对圆墩的阻力系数分别为2.3、0.9,对方墩分别为2.6、1.9,进行选用。     

基于流域形态完整系数的泥石流容重计算方法

通过对四川山区20条典型泥石流沟道的现场调查,建立了流域形态完整系数与泥石流浆体容重的统计关系,通过拟合分析形成了基于流域形态完整系数泥石流容重的指数式计算公式,获取了回归曲线,并采用误差分析、影响因素分析及趋势分析验证了该计算公式的合理性。研究表明,泥石流流域形态对泥石流浆体容重有很大影响,在区域地质背景条件相似时,浆体容重随流域形态完整系数的增大而减小。当流域形态完整系数大于0.3时,形成的泥石流多为稀性泥石流,且逐步向水石流、夹砂水流的状态发展,浆体容重可达到1.28t/m3的极值,这与目前观测到的泥石流容重最小值相符。基于统计关系所建立的拟合公式尤其适用于流域形态完整系数较大的桦叶形泥石流沟,可为无法观测（已暴发或难以到达）的泥石流沟容重的计算提供简便方法,亦可为容重参数的合理确定提供区域性参考。     

滑源区粒序分布及颗粒粒径对碎屑流冲击作用的影响研究

滑体的运动速度、堆积形态、冲击力等因素决定了碎屑流的致灾程度。滑源区不同岩性特征和结构分布的差异导致了滑体粒序分布和颗粒粒径的差异。在运动过程中产生的碰撞、摩擦、跳跃,影响着滑坡碎屑流的致灾程度。在物理模型试验的基础上,运用三维离散元软件PFC3D,探究滑源区粒序分布及颗粒粒径对滑体运动速度、堆积形态、冲击力的影响。研究结果表明:碎屑流中各粒径颗粒的平均速度受颗粒粒径及滑源区初始粒序的共同影响,且初始粒序对各颗粒平均速度影响更大;在堆积形态方面,粒径大小对厚度方向上的粒序排布影响较大,而滑源区粒序分布对单种颗粒的堆积形态影响较大;在颗粒分选作用下,颗粒粒径成为控制峰值冲击力的主要因素,而滑源区粒序分布则通过决定滑体堆积形态控制了准静态堆积阶段碎屑流的冲击力。     

滑坡-碎屑流冲击导引结构的离散元模拟

滑坡碎屑流对拦挡结构的直接冲击常产生较高的峰值冲击力和冲击能量,导致结构发生破坏而失效;而导引结构通过改变碎屑流的运动路径,可减缓其冲击效应,提高结构抗冲击能力。文章运用三维离散元模拟软件,结合室内休止角试验的结果,校准数值模拟参数,以三种不同导引结构(凹型圆弧、直线型、凸型圆弧)为变量进行数值模拟分析。研究结果表明:凹型圆弧结构B1可以有效地将碎屑流颗粒的冲击力进行转化,结构所受的法向力最小,切向力最大,对颗粒的导引作用最大。经过三种不同导引结构后,颗粒与滑槽之间的碰撞和摩擦是导致颗粒动能减小的主要原因;而三种不同导引结构对颗粒动能的耗散效果无显著差异。导引结构的作用对于颗粒堆积体积分布有显著的影响,主要影响区是靠近坡脚处,对导引结构之后的堆积区域的颗粒体积分布影响不显著。通过对冲击效应和堆积特性的研究,得到凹型圆弧结构形式最优,可以为碎屑流的防护工程抗冲击设计提供参考。     

泥石流堆积物中细颗粒含量与渗透系数关系试验研究

泥石流拦砂坝通常建造在沟床堆积物上。泥石流堆积物的渗透性是影响坝底扬压力的关键因素。目前关于土体渗透性的研究主要集中于无黏性粗粒土,对泥石流堆积物这种宽级配土体渗透性的研究比较缺乏。选择北川县泥石流沟床堆积物作为试验材料,通过渗透试验,确定了影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径;在此基础上,通过试验研究了细颗粒含量与渗透系数的关系。结果表明,泥石流堆积物中粗颗粒仅起骨架作用,细颗粒才是决定其渗透性能的关键;显著影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径为0.1 mm;细颗粒（<0.1 mm）含量与渗透系数呈负指数关系,并且当细颗粒含量超过20%以后,泥石流堆积土的渗透性趋于稳定。     

基于EDEM的碎屑流运动规律及冲击性能研究

泥石流运动规律及其冲击性能对于泥石流灾害的影响范围及严重程度具有重要决定意义。出于泥石流这类多相介质的复杂性,本文采用离散元仿真软件EDEM 2018对碎屑流冲击流槽试验进行了数值模拟研究,考虑流槽坡度、底部拦挡结构角度以及颗粒级配的影响,在已有研究成果的基础上对固体颗粒运动过程及冲击性能展开了系统研究。本文将数值模拟结果与现存试验数据进行了对比分析,验证了数值模拟方法的可靠性,在此基础上得出了以下结论:(1)在拦挡结构角度与颗粒级配相同的情况下,流槽坡度越大,对应的碎屑流运动速度与冲击力的峰值也越大;(2)在流槽坡度与级配相同的情况下,拦挡结构越陡,与其相互作用的固体颗粒数量越多,碎屑流越快达到速度和冲击力峰值,且对应的速度与冲击力峰值也越大;(3)在运动过程中,各颗粒级配的碎屑流均出现反序现象,且细颗粒含量的提升可提高碎屑流运动速度,但同时冲击力降低,而粗颗粒含量的提升可增大碎屑流对拦挡结构的冲击力,对于运动速度的影响较小。     

A unified CFD‐DEM approach for modeling of debris flow impacts on flexible barriers

This paper presents a unified modeling framework to investigate the impacts of debris flow on flexible barriers, based on coupled computational fluid dynamics and discrete element method (CFD‐DEM). We consider a debris flow as a mixture of fluid and particles where the fluid and particle phases are modeled by the CFD and the DEM, respectively. The fluid‐particle coupling is considered by the exchange of interaction forces between CFD and DEM calculations. The flexible barrier is simulated by the DEM as a network of bonded particles with remote interactions. The proposed coupled CFD‐DEM approach enables us to conveniently handle the complicated three‐way interactions among the fluid, the particles, and the flexible barrier structure for debris flow impact simulations. The proposed approach is first used to investigate the influences of channel inclination and the volumetric solid fraction in a debris mixture on the impact force, the resultant deformation, and the retained mass in a flexible barrier. The predictions agree well with existing experimental and numerical studies. We further examine the possible failure modes of a flexible barrier under debris flow impact and their underlying mechanisms. The performance of different components in a flexible barrier system, including single wires, double twists and cables, and their load sharing mechanisms, are carefully evaluated. The proposed unified framework offers a novel, promising pathway towards physically based, quantitative analysis and design of flexible barriers for debris flow mitigation.     

Analysis of the Grain Size Properties and Flow Body Classes of the Mud Sand Flow: An Example of Liantanggang Collapsing Hill and Gully in Wuhua County of Guangdong

Mud sand flow is a kind of solid-liquid two-phase flow formed in collapsing hill and gully basin during rainfall. It is the main way to export erosion product. The discrimination of its fluid type is one of the collapsing hill and gully control theoretical basis. This paper analyzed the basic characteristics of mud sand flow like grain size and so on through fieldwork and sampling. The results show that the density of mud sand flow is between 1.16~1.60 t/m³ and the solids content is between 257.03~960.55 kg/m³, both of which decrease from the upper to the lower channel. The slurry of mud sand flow is composed mainly of silt and clay. As the density increases, the particle size distribution curve transforms from a single peak to the bimodal distribution similar to the weathering crust with no sorting, and the grain size of mud sand flow becomes coarser which shows a well positive linear correlation between the sediment median particle diameter and density of mud sand flow. The comparison during mud sand flow, hyperconcentrated flow and debris flow shows that collapsing hill and gully mud sand flow, which belongs to an intermediate class between hyperconcentrated flow and debris flow, has a closer link with debris flow. Therefore, mud sand flow can be considered as a sub-class of generalized debris flow that may be called as collapsing hill and gully type debris flow.     

Properties of debris flow deposits and source materials compared: implications for debris flow characterization

In the Alps, debris flow deposits generally contain <5% clay‐size particles, and the role of the surface‐charged <2 μm particles is often neglected, although these particles may have a significant impact on the rheological properties of the interstitial fluid. The objective of this study was to compare debris flow deposits and parent materials from two neighbouring catchments of the Swiss Alps, with special emphasis on the colloidal constituents. The catchments are small in area (4 km²), 2·5 km long, similar in morphology, but different in geology. The average slopes are 35–40%. The catchments were monitored for debris flow events and mapped for surface aspect and erosion activity. Debris flow deposits and parent materials were sampled, the clay and silt fractions extracted and the bulk density, <2 mm fraction bulk density, particle size distribution, chemical composition, cation exchange capacity (CEC) and mineralogy analysed. The results show that the deposits are similar to the parent screes in terms of chemical composition, but differ in terms of: (i) particle size distribution; and (ii) mineralogy, reactivity and density of the <2 mm fraction. In this fraction, compared with the parent materials the deposits show dense materials enriched in coarse monocrystalline particles, of which the smallest and more reactive particles were leached. The results suggest that deposit samples should not be considered as representative of source or flow materials, particularly with respect to their physical properties.