泥石流运动衰减动力学初步研究

我国公路泥石流病害严重，泥石流淤埋公路构建筑物是一类常见的公路泥石流病害类型。泥石流衰减动力学是防治泥石流淤埋病害的重要关键技术，也是泥石流运动学、动力学研究的核心问题之一。本文作者运用泥沙运动力学及流体力学原理，初步建立了泥石流固相颗粒和液相浆体的能量衰减条件，把泥石流衰减模式概化为两类，即能量抑制衰减和能量自由衰减；通过泥石流沉积模型试验，得到了不同粘度泥石流体的沉积扇变化形态，随着泥石流体粘度的增大，沉积扇边缘变陡、扩展范围变小、纵轴线长度减小等结论与实际情况吻合；初步建立了泥石流能量衰减速率计算方法。研究成果为防治公路泥石流病害奠定了基础。     

泥石流浆体与大颗粒冲击力特征的试验研究

开展了密度为1 400～2 200 kg/m3的泥石流浆体、浆体与大颗粒混合流体的冲击力试验,获取了流速为2.8～4.9 m/s条件下31组冲击力试验数据。采用小波分析方法有效地去除了冲击力数据中的噪声信号,依据离散傅里叶变换（FFT）为基础的频谱分析结果,将低频泥石流浆体冲击和高频大颗粒冲击的临界频率值界定为2 Hz,实现了浆体和大颗粒冲击信号的分离。目前水动力学公式中待定系数α缺乏统一的确定方法,以不同地区157组泥石流观测和试验数据为基础,建立了待定系数?与流体Fr数的幂函数关系,形成可表征不同流态,且弱化尺度效应的浆体动压力计算公式。与泥石流浆体平滑信号相比,大颗粒冲击压力具有一定随机性。泥石流大颗粒冲击次数与频率随大颗粒的质量比增加而增大,其质量比从0.05增至0.21时,冲击总次数从1 305次增至2 838次,冲击频率从82次/s增至195次/s,且龙头段大颗粒的冲击频率高于后续泥石流体。测得大颗粒的压力约为60 kPa,是相同密度和流速下浆体动压力的3倍。随着大颗粒比例的增加,上部1#和2#传感器测得大颗粒冲击频率增加量明显高于下部3#～6#。说明随着流体中大颗粒比例上升,颗粒物质多集中于泥石流上部或表层运动,也佐证了泥石流运动中大颗粒多集中在龙头顶部的认识。对大颗粒和浆体冲击规律的分析可为固液两相流运动机制研究和防治工程设计以及承灾体易损性定量评估提供合理参数。     

基于能量概念的泥石流减灾新思路

陆地上发生的很多变迁都是受能量流控制的,特别是在泥石流这种具有复杂性、突发性、群发性、继承性和局部性等特征的山地灾害过程中,能量趋于均衡化是它们发生和输移的根源和驱动力。本文从能量的角庞出发,通过阐述能量线性模型的原理,分析泥石流输移时的各种能量消耗,从宏观角度提出了减轻泥石流灾害的一种新的思路,即可以从控制能量或熵消耗的角度出发,通过减少固体物质来源量和增大摩擦两种途径来采取一系列减灾措施,为制定泥石流防治规划提供参考。     

速流结构防治泥石流的理论及应用

作为一种公路沿线发育的地质灾害，泥石流是路基、路面及相关建、构筑物最强烈的毁损动力。为了防治泥石流公路灾害，作者开发了速流结构。该结构由汇流槽和速流槽组成。其中汇流槽的侧墙长度、高度’、厚度等参数通过泥石流沟形态及其冲击力综合确定；而速流槽的宽度、侧墙及纵横断面则由泥石流排泄量、流速、锁固桩及流体性质综合确定。根据公路穿越速流结构的方式，将速流结构分为底越式和顶越式2种。速流结构对于解决具有大冲大淤特性的冲淤变动型沟谷泥石流灾害具有重要应用价值。据此可以确保穿越泥石流沟的公路构、建筑物的安全与稳定．确保公路交通有序进行。此外，文章对速流结构的一些子结构，如速流槽侧墙及锁固桩进行了力学分析。位于川西南西昌-木里干线公路的平川泥石流属于典型的冲淤变动型沟谷泥石流。该沟长度8．2km，沟床平均比降0．181，平均流速9．0m／s，沉积区宽度500m左右。为了确保该段公路交通的有序进行，作者干1999年实施了平川泥石流速流结构。通过2000年以来的研究及现场测试，显示了该防治结构的优越性。但是，作为一种特殊的水工结构，泥石流对速流结构的磨蚀作用是比较强烈的。因此，开展速流结构的抗冲、抗撞研究是进一步研究具有重要价值。     

中国公路泥石流研究

公路泥石流是指发育于公路沿线并对公路桥涵、路基路面及相应防护结构具有冲击毁损和淤埋破坏的病害类型。丰富的物源、具有焚风效应的气象条件以及泥石流沟轴线与区域新构造应力场主压应力方向一致等是形成大型泥石流的宏观背景。将泥石流概化为固、液两相流体,运用两相流理论、泥沙运动力学、Bingham流变方程和Bagnold颗粒相互作用试验结果等,初步建立了泥石流固-液分相流速计算方法、基于泥石流在防治结构表面及泥石流沟岸产生的冲击形迹建立的反求泥石流冲击力计算方法以及泥石流磨蚀力计算方法。开发了速流结构、泥石流隧道及翼型墩汇流结构等10余种防治技术,集成了拦-汇-排等多种综合治理模式。据此撰写了《公路泥石流防治工程设计、施工指南》。实施了60余个防治工程。效果显著。研究成果初步构建了公路泥石流理论及技术体系。     

汶川震区北川9.24暴雨泥石流特征研究

2008年9月24日汶川震区的北川县暴雨导致区域性泥石流发生,这次9.24暴雨泥石流灾害导致了42人死亡,对公路和其他基础设施造成严重损毁。本研究采用地面调查和遥感解译方法分析地震与暴雨共同作用下的泥石流特征,获取的气象数据用于分析泥石流起动的临界雨量条件。本文探讨了研究区泥石流起动和输移过程,并根据野外调查,分析了泥石流形成的降雨、岩石和断层作用,特别是强降雨过程与物源区对泥石流发生的作用。根据应急调查发现北川县境内暴雨诱发的泥石流72处,其分布受岩石类型、发震断层和河流等因素控制。根据对研究区震前和震后泥石流发生的临界雨量和雨强的初步分析,汶川地震后,该区域泥石流起动的前期累积雨量降低了14.8%～22.1%,小时雨强降低25.4 %～31.6%。震区泥石流起动方式主要有二种,一是由于暴雨过程形成的斜坡表层径流导致悬挂于斜坡上的滑坡体表面和前缘松散物质向下输移,进入沟道后转为泥石流过程;二是消防水管效应使沟道水流快速集中,并强烈冲刷沟床中松散固体物质,导致沟床物质起动并形成泥石流过程。调查和分析发现沟内堆积的滑坡坝对泥石流的阻塞明显,溃决后可导致瞬时洪峰流量特别大。研究结果表明了汶川震区已进入一个新的活跃期。因此,应该开展对汶川地震区的泥石流风险评估和监测、早期预警,采取有效的工程措施控制泥石流的发生和危害。     

崩岗泥砂流粒度特性及流体类型分析——以广东五华县莲塘岗崩岗为例

崩岗泥砂流是降雨过程中在崩岗流域内形成的一种固液两相流,是崩岗侵蚀泥沙向外输移的主要方式,泥砂流流体类型的判别也是崩岗治理的依据之一。通过野外考察与现场采样,对崩岗泥砂流的粒度组成特性进行了分析。结果表明,泥砂流容重介于1.16~1.60 t/m3之间,含沙量为257.03~960.55 kg/m3,且均自沟道上部至下部逐渐降低。泥砂流浆体以粉砂和黏粒物质为主。随着容重的增加,粒度曲线由单峰型转变为与风化壳土体类似的双峰型,呈现无分选搬运的特点,且流体粒度逐渐粗化。泥砂流固体物质中值粒径与流体容重有较好的线性正相关关系。通过对泥砂流与泥石流和黄土丘陵沟壑区高含沙水流粒度特性的对比后发现,泥砂流属于高含沙水流向泥石流过渡的中间类型,但与泥石流具有更为密切的关系,可以认为泥砂流是广义泥石流的一个亚类,即崩岗型泥石流。     

射流冲刷底泥起动输移规律及机理

水下高速流体射流冲沙是清淤作业的必要手段，如何有效提高射流造浆效率对河(航)道清淤和水库库容修复等工程具有重要价值。采用射流冲刷底泥起动输移试验与高速射流喷头流场数值模拟手段，研究不同水力要素下射流对底床的冲刷效果，分析射流流速分布及衰减规律，探明高速射流底泥冲刷机理。研究结果表明：射流造浆过程中存在最优冲沙距离，使得造浆速率及浑水体浓度增长速度最快；射流中线剖面上横断面射流时均速度分布、最大速度衰减规律具有相似性，不同射流流速下射流初步发展区的射流速度半宽增长率相同；射流冲刷效率与射流发展中的阻力损失和到达床面时的能量损失直接相关，确定合理的射流喷头布置高度有利于提高造浆效率。研究成果对射流造浆能力与速率的提升乃至清淤设备的升级改造提供了有力支撑。     

粘性泥石流体的应力应变特性和流速参数的确定

文章从粘性泥石流体的组成，应力应变特性和减阻作用的观测试验入手，揭示了粘性泥石流体运动的阻力特性，探讨了粘性泥石流流速公式中的曼宁糙率系数的表征。粘性泥石流体运动的阻力特性主要与沟槽特征以及泥深和粘附层流变特性有关。根据高、低不同阻力的粘性泥石流浆体的泥砂比，浆体介质的流变参数（ηp、τBf）和体积浓度（Cvf)，可获得不同阻力介质状态下统一的阻力糙率系数与它们的相关式，以此来确定曼宁糙率系数。     

不同级配颗粒材料的循环硬化行为与能量耗散

颗粒材料在循环荷载作用下呈现循环硬化行为,然而关于循环硬化行为的宏-微观相对应的机理解释的研究却不多见。本文通过3D-DEM实施了循环三轴数值模拟试验,研究了不同级配下颗粒材料在循环荷载下的循环硬化行为,并分析了(轴向)平均模量和由滑动接触造成的能量耗散的演化趋势。结果表明随着循环荷载的进行,平均模量逐渐增加并趋于渐进值。每个循环内的能量耗散随着循环数的增加不会一直衰减,存在一个阈值。不同颗粒级配下平均模量的增加指数和能量耗散衰减指数的大小相近(约为0.6),表明在描述循环荷载硬化行为时,无论是使用变形模量还是归一化能量耗散在结果上是一致的,即微观尺度上滑动接触引起的能量耗散映射出宏观尺度上平均模量的变化。颗粒平均粒径越大的颗粒体系,其平均模量越大,而且越早完成能量耗散过程,但不同的颗粒级配下对应的能量耗散阈值差异较小,基本上维持在一个常数(约为0.15)。     

强震区侵蚀-溃决型泥石流的动力特性定量分析

强震作用导致流域内松散物源、微地貌及水文环境发生剧烈变化,致使强震区泥石流的形成机制和活动规律区别于普通泥石流。从启动判别、沟床侵蚀和溃决放大效应等3个方面入手,利用物理模型和数值模拟,定量分析了强震区泥石流启动-流通-堆积全过程的动力特性。结合案例验证了强震侵蚀-溃决型泥石流的力学机制。分析表明,泥石流沟床侵蚀是外部应力增加、内部强度衰减和松散物质基础3种机制的综合结果,沟道堰塞体溃决导致泥石流流量被瞬间放大,进而反馈到侵蚀机制中,导致泥石流规模剧增。红椿沟8·14泥石流案例验算显示,H02、H03堰塞体溃决导致泥石流流量放大至800.80m3·s-1,沟床侵蚀物质总量达34.72×104m3,约占总规模的50%。     

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。     

北京怀柔7·16暴雨泥石流发育特征与形成机理

2018年7月16日北京怀柔云蒙山地区突发山洪泥石流灾害,国道G111和省道S310多处毁损,周边4个乡镇506人被迫紧急转移。本文通过灾害发生前后高清卫星影像解译和现场详细调查,研究了区域内典型泥石流沟的地形地貌特征和松散固体物质来源,分析了泥石流形成的降雨激发条件,估算了容重、流速、流量等重要参数,并基于沟床块石稳定性分析改进了泥石流启动与降雨强度之间的关系式。研究表明,怀柔7·16泥石流属极端气象条件下短历时强降雨所激发的稀性泥石流,在连续2 h降雨条件下,其临界激发雨强不低于8~15 mm·h-1,物源主要来自于沟床堆积物的揭底输移,沟床岸坡松散堆积体侧蚀增加了物源补给,强降雨条件下很可能再次发生类似规模的泥石流。该研究可对今后区域内泥石流的防灾减灾工作提供参考。     

泥石流启动过程PFC数值模拟

泥石流松散碎屑物质具有散粒体的基本特征,在暴雨激发下容易形成泥石流,整个过程具有散粒体大变形的特征。颗粒流理论是基于离散单元法模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用,在模拟颗粒相互作用和大变形问题研究方面具有显著的优越性。为分析泥石流松散碎屑物质启动形成泥石流的过程及其与土体含水率的关系,采用二维颗粒流程序（PFC2D）分析降雨作用下松散碎屑物质启动形成泥石流的过程,揭示崩滑堆积体在降雨作用下含水率超过临界值后质点运动速度和位移增加,松散碎屑物质启动并加速而导致滑坡泥石流连锁式破坏的过程和机制。     

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。     

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。     

城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展

城市地表"径流-灰尘-污染物"作为一个三相介质系统，相互作用机理十分复杂。分别从城市地表灰尘颗粒对不同种类污染物的吸附效应及时空分布规律、地表（坡面）降雨径流特性及过程模拟、地表径流-灰尘-污染物协同输移与削减等方面，总结与分析了现有的研究进展。从本质上来看，城市地表灰尘可视为由不同粒径泥沙颗粒组成的综合体，有必要基于泥沙运动力学理论加强对地表径流中灰尘颗粒运动规律的研究，并以灰尘颗粒对不同污染物的吸附、沉淀作用为纽带，探讨"径流-灰尘-污染物"的协同输移与削减机制。其中，如何有效扩展城市调查样本容量，比较研究不同下垫面径流动力特性，并从径流能量或功率角度出发，研究不同粒径灰尘颗粒的分组起动与输移规律，并建立在径流输送过程中的挟沙力方程，将是今后需要深入研究的问题。     

沿江公路泥石流与滑坡起动坡度分析

基于拜格诺液固两相流理论,分析山区沿江公路泥石流的形成条件及其起动力学机理,以指导典型泥石流区公路建设、防护及沟道整治。建立泥石流和滑坡的起动坡度与相关参数的表达式,提出易发生泥石流的坡度区间和滑坡临界坡度。以小江流域泥石流沟为例,计算其易发生泥石流的坡度范围和易发生滑坡的临界坡度,计算结果符合小江流域泥石流和滑坡发生情况。     

基于固相沉积法的大型排土场暴雨泥石流流动特性预测研究——以四川某矿山泥石流为例

泥石流作为矿山常见的地质灾害,已经成为危害人类最重要的地质灾害之一,但目前对大型排土场暴雨泥石流的流动特性和灾害预测研究相比崩塌、滑坡及洪水相对较弱。以四川某矿山排土场暴雨形成的泥石流为例,提出了固相沉积分析法,并对矿山排土场暴雨泥石流流动特性进行预测分析,研究了稀性、低黏度泥石流固相沉积规律,对泥石流密度、流速、固相流量、总流量等进行计算,深入探析了泥石流形成后随沟道变缓等因素衰减演变成山洪的过程。研究成果对泥石流的预测和防治有重要的现实指导作用。     

和龙市东城区泥石流灾害形成机制及防治措施

泥石流是山区常见的一种突发性固液二相(松散土体和水)混合体在重力作用下沿坡面输移的现象。在其流动和终止的过程中,泥位陡涨暴落,来势凶猛且历时较短,常常冲毁或淤埋铁路、公路、农田,以及水利、国防、通讯和旅游点等工程设施,甚至摧毁厂矿和城镇,对人类生产生活和自然环境造成灾难性后果。我国西南、西北、东北山区、秦岭山脉等地的泥石流活动尤为强烈。文章通过对和龙市东城区34条泥石流沟谷的实际调查资料,系统阐述了该区泥石流形成的因素和原因。境内地形地质条件及地质构造对各类地质灾害的发生起控制作用,降雨条件起触发作用,人类不合理活动对自然生态环境的破坏,又进一步恶化、诱发了灾害。针对灾害形成的原因提出了防治对策,以便对潜在灾害进行调查与防治。