基于GIS和Voellmy模型的泥石流运动堆积过程模拟

泥石流流体具有速度快、破坏力强的特征,严重威胁着山区城镇的发展建设、群众生命财产安全。如何针对泥石流运动堆积过程进行模拟一直是泥石流研究的热点和难点。本文基于GIS技术以及近似Voellmy解的连续介质理论,建立了泥石流动力模型,采用数值模拟仿真的方法,以一典型泥石流沟为研究实例进行分析,通过模拟泥石流运动、堆积的动力过程,分析其最大速度、压力、过流量、堆积高度以及堆积面积,为后期泥石流危险性评价区划及防治提供有力支撑。     

运用Voellmy模型方法模拟泥石流运动堆积动力过程

泥石流流体具有速度快、破坏力强的特征,严重威胁着山区城镇的建设、民众生命以及财产安全。如何针对泥石流的运动堆积过程进行模拟一直是泥石流研究的热点和难点。基于近似Voellmy解的连续介质理论,建立泥石流动力模型,采用数值模拟仿真的方法,以一典型的泥石流沟为研究实例进行分析,通过模拟泥石流运动、堆积的动力过程,分析其最大速度、压力、过流量、堆积高度以及堆积面积,为后期泥石流危险性评价区划及防治提供有力支撑。     

基于HBP本构模型的泥石流动力过程SPH数值模拟

本构模型是描述泥石流流变特性的关键,也是决定其动力过程数值模拟准确性的核心问题之一。泥石流流体属多相混合物,现有的研究已证实其存在剪切增稠或剪切变稀的现象,传统基于Bingham及Cross线性本构关系的数值模型难以准确描述泥石流流变特性。文中探讨了Bingham模型在低剪应变率下的数值发散问题,在光滑粒子流体动力学（SPH）方法框架上建立了整合Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP）本构关系的稀性泥石流动力过程三维数值模型。相比传统基于浅水波假设的二维数值模型,所述方法从三维尺度建立SPH形式下的泥石流浆体纳维?斯托克斯方程并进行数值求解,可获取泥石流速度场时空分布及堆积形态,同时采用HBP本构关系描述泥石流流变特性,能在确保数值收敛的前提下反映泥石流流体在塑性屈服过渡段及大变形状态下应力?应变的非线性变化。为验证提出方法的合理性,结合小型模型槽实验观测进行了对比,结果表明数值模拟与实测结果基本吻合。     

浅水方程数值计算方法的研究

求解以水位为变量的连续方程,并根据Navier-Stokes方程压力修正算法的基本思想,建立了浅水方程的水位修正算法,放宽了对离散时间步长的限制.通过对离散方程系数矩阵的重新构造,建立了高分辨率有限元格式,该格式既具有较高的离散精度又避免了数值解的伪振荡.对动量方程的阻力项做负坡线性化处理,提高了露滩计算的稳定性.数值模拟结果与解析解吻合良好,表明所建立的数值计算方法是正确的和可靠的.     

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。     

雅鲁藏布江色东普沟冰崩—堵江—溃决灾害数值模拟

为了揭示雅鲁藏布江色东普沟2018年10月17日冰崩—堵江—溃决灾害链的动力演化过程,基于Massflow数值模拟仿真平台,使用Fortran编程语言,根据研究区域地质条件特征对程序进行二次开发以优化Voellmy模型,模拟冰崩—泥石流动力过程;将模拟泥石流得到的堰塞坝体嵌入地形中,运用ArcGIS计算堰塞湖范围及体积,通过Manning模型模拟堰塞湖溃决洪水动力过程。采用分段模拟法再现冰崩—泥石流—堵江—堰塞湖—溃坝的完整动力过程,对泥石流运动过程中的流速、流深,坝体高度,溃决洪水的流深、流速等参数进行定量化研究,为色东普流域的防灾减灾工作提供有效支撑。为了揭示雅鲁藏布江色东普沟2018年10月17日冰崩-堵江-溃决灾害链的动力演化过程,采用Massflow数值模拟仿真平台,以Fortran语言为编程手段,根据研究区域地质条件特征对程序进行二次开发优化Voellmy模型,模拟冰崩-泥石流动力过程;将模拟泥石流所得到的堰塞坝体嵌入地形中,采用ArcGIS计算堰塞湖范围及体积,通过曼宁模型模拟堰塞湖溃决洪水动力过程。采用分段模拟法再现冰崩-泥石流-堵江-堰塞湖-溃坝的完整动力过程,对泥石流运动过程中的流速、流深,坝体高度,溃决洪水的流深、流速等参数进行定量化研究,为色东普流域的防灾减工作提供有效支撑。     

基于GIS泥石流二维数值模拟

为了模拟泥石流的运动规律,预测降雨诱发的泥石流到达距离和泛滥范围,减少和避免泥石流引起的灾害,给出了一个模拟泥石流运动的二维数值模型。由于GIS中的栅格网络数据可以直接作为有限差分的网格,二维数值模型可用有限差分来求解。模型应用于2003年7月20日发生在日本九州南部熊本县水俣市宝川区集村的泥石流。模拟再现了这个真实泥石流的传播和泛滥的过程,并与实际检测结果很吻合,验证了这个深度积分的二维数值模型的有效性和实用性。模型可用于预测泥石流的流动距离和泛滥范围,以及泛滥范围内的危险房屋和路段,也可以用于泥石流灾害的风险性分析。     

基底侵蚀作用下泥石流动力过程分析

基底侵蚀是运动物体与浅层地表在沿非滑动接触面剪切的时候而产生的相互作用,该作用可以改变泥石流系统的动力作用机制,从而影响泥石流的危害程度,是泥石流研究中的一项重要议题。本研究提出侵蚀率概念,分析了初始运动物质与夹带物质系统的侵蚀关系;同时建立了相关的数学模型和流变本构的数值实现,构建了数值模拟试验进行参数化评估。详细阐述了基底侵蚀作用对泥石流运动行为和整体流动性的影响。选取的流变模型和参数会产生比较好的模拟结果,侵蚀速率概念以及无量纲形式和动态模型的提出会给具有强烈侵蚀泥石流分析提供一套科学的潜在应用,也为地质灾害防治提供一定的技术参考。     

灰色GM(1,1)模型在汶川县泥石流活动趋势预测中的应用

泥石流的发生是一个动态变化的过程,灾变时间及活动强度具有明显的非线性特征,认识和掌握泥石流发生、发展规律,对未来泥石流活动趋势进行预测,是地质灾害防灾减灾与宏观规划防灾预案工作的基础。本文以四川省汶川县1960~2010年50a的泥石流灾情数据作为原始数据序列,建立灰色GM(1,1)灾变预测模型,采用2011~2019年9a泥石流灾情数据来验证模型预测精度。为了提高预测精度,采用傅里叶变换修正误差残值。经计算GM(1,1)模型的预测结果相对误差为3.582%,傅里叶变换误差修正后相对误差为0.073%,预测结果与实际发生年份一致,并预测未来一段时间汶川县将于2033年或2034年、2051年或2052年发生大规模群发性泥石流。     

Godunov格式下高精度二维水流-输运耦合模型

针对复杂流体运动中物质输运方程的数值求解面临地形复杂、数值阻尼过大以及数值振荡等难题,建立了Godunov格式下求解二维水流-输运方程的高精度耦合数学模型,提出了集成输运对流项的HLLC (Harten-Lax-van Leer-Contact)型近似黎曼算子,可同时计算水流通量及输运通量,不仅有效模拟了复杂地形上水流运动,而且解决了输运方程中对流项产生的数值阻尼过大和不稳定振荡等难题。采用水深-水位加权重构技术和Minmod限制器,提高了模型处理复杂混合流态的能力,同时结合Hancock预测-校正方法,使模型具有时空二阶精度。算例结果表明,模型精度高、稳定性好,能有效抑制数值阻尼,适合模拟实际复杂流体运动中物质的输运过程,具有较好的推广应用价值。     

泥石流堆积过程数值模拟及防灾效益评估方法

根据动量守恒和质量守恒原理 ,研究建立了泥石流堆积过程的数学模型 ,运用有限差分法求解数学模型 ,用以模拟泥石流堆积的动态过程。在此基础上 ,结合云南省东川市深沟泥石流堆积区的实际情况 ,对泥石流灾害的危险范围和程度进行了分析评价 ;结合各类受灾体经济损失评价 ,对比防灾工程造价 ,进行了减灾效益分析评价。     

泥石流堆积物粒度分布特征影响因素分析及分形维数预测

泥石流堆积物作为泥石流发育最终的产物,含有大量与泥石流发生过程和发育特征相关的信息,能够反映泥石流灾害程度和活动强度。研究表明,泥石流堆积物颗粒具有明显的自相似性和无标度区间,运用分形理论,计算泥石流堆积物颗粒分布的分维数。分析分维数与主沟长度、泥砂补给段长度比、主沟平均比降、流域最大相对高差和松散物源量的关系,结果表明分维数与各因素之间存在较强的非线性响应关系。以乌东德库区泥石流实测数据为例,以上述的5个因素作为输入单元,建立了泥石流堆积物分维数支持向量机预测模型,并对分维数进行了预测,其预测结果的最大误差为1.25%,说明预测值与实测值吻合度较高。综合表明支持向量机预测模型能够较好地模拟和泛化数据,是一种行之有效的泥石流堆积物分形维数预测方法,可用于不具备筛析条件的泥石流堆积物粒度分布特征的预测与研究,进而可为研究泥石流的形成机理、类型、危险度和堆积物的形成演化特征及物理力学性质提供一个新思路。     

基于FLO-2D数值模拟的泥石流流动与堆积影响因素研究

泥石流和普通的山体滑坡不同,它是发生在山区的一种含有砂土和石块的暂时性水流,具有宾汉体的性质和运动阻塞双重特性,国内外众多学者在流动学实验及流动学模型的基础上,对数值模拟方法进行了大量研究,通过泥石流的灾害范围、运动速度、运动时间与实际情况进行对比,开发出适用于泥石流预报的数值模拟程序,FLO-2D就是其中之一。工程实践证明,在对泥石流组成物质的流动特性研究基础上,对泥石流移动及沉积特性进一步研究是非常重要的。本文运用FLO-2D流动模型数值模拟方法对泥石流的移动特性进行模拟,以此分析泥石流流动及堆积特性与黏性系数和屈服应力的关系。通过分析得到:随着黏性系数的增大,泥石流流速呈非线性减少;屈服应力作为影响泥石流发生及停止的因素,随着屈服应力的增大,流深也随着增大,但在泥石流移动特性中,屈服应力对泥石流流速的影响并不明显;随着黏性系数的增加,泥石流冲击力减小,而随着屈服应力的增加,泥石流的冲击力则增大。     

平山县泥石流的形成特征和机理分析

平山县是河北省太行山区主要泥石流地质灾害频发区,每年7～8月份强降雨期间,沟谷源头侧壁岩土体在雨水的浸泡下失稳破坏,形成崩塌与滑坡,崩滑的岩土体与沟源洼地中积聚的洪水迅速混合形成泥石流。本文认真分析了该区泥石流的分布概况,研究了泥石流灾变的形成特征,并从泥石流形成的物源条件和动力条件两方面分析了泥石流发生的机理和崩滑转化机制。     

自然泥石流与矿渣泥石流复合效应与防治对策

石棉县后沟是一条典型的自然泥石流和矿渣泥石流并存的泥石流沟。本文以石棉后沟为例,结合早期自然泥石流、矿产开采以来矿渣泥石流、以及2013年7 4复合型泥石流,总结了自然泥石流和矿渣泥石流的复合效应,包括泥石流物源补给的多元效应、泥石流发展演化的逆转效应、泥石流起动发生的复杂效应、泥石流动力沿程的放大效应、泥石流致灾破坏的链式效应。对照泥石流对已建防治工程的破坏,提出了自然泥石流和矿渣泥石流复合型泥石流沟防治对策,建议充分利用起动位置和物源集中补给位置的差异,加强对中上游及支沟自然泥石流起动和运动的拦挡防治,最大限度减小自然泥石流对下游矿渣防护工程的基底侵蚀和冲击破坏,从而保障综合防治工程的有效性。     

泥石流本构模型及动力学模拟研究现状综述

由于泥石流动力学过程的复杂性,其本构模型及数值模拟研究仍然存在众多的难点问题。本文根据大量的文献资料和实例研究,对目前泥石流本构模型和动力学模拟研究现状和存在的问题进行了综合论述,主要包括:(1)已有泥石流动力学本构模型原理及适用性问题;(2)已有数值模拟方法的实现及选择应用;(3)泥石流动力学复杂环境效应研究,复杂地形和水文环境条件下的泥石流应力分布、动能传递等。最后对泥石流动力学G IS模拟的前景进行了讨论。     

四川雷波碉楼沟泥石流特征及防治对策

碉楼沟泥石流沟为西苏角河左岸的一级支流,位于四川省雷波县西侧,流域面积0.85km~2,主沟长度1.6km,纵比降504.4‰。碉楼沟流域属构造侵蚀高中山地貌,呈叶状,支沟众多,主沟较少暴发泥石流。2015年5月7日碉楼沟暴发山洪灾害,造成8人死亡和严重财产损失,并对下游马颈子场镇居民的生命财产安全构成了威胁。在地质勘查的基础上,分析泥石流基本特征、形成条件,计算泥石流的重度、流速、一次泥石流总量等动力学参数。结合碉楼沟泥石流的特征和场镇社会、经济可持续发展的需要,提出防治方案,对该类泥石流沟谷的调查和防治具有一定实际意义。     

河北太行山区木作沟泥石流形成条件及特征分析

通过对太行山区木作沟泥石流实地勘查,分析并总结了该沟泥石流形成条件及发育特征.在此基础上,采用经验公式法计算了木作沟泥石流运动特征参数值,即4条主要支沟典型断面处泥石流流速、峰值流量、整体冲击力等参数,进一步分析了泥石流活动及发展趋势,最后计算得到泥石流最大危险范围.研究结果表明：木作沟具有利于泥石流形成的地形条件、气象水文条件及物源条件;泥石流易发程度为易发,发展阶段为壮年期,并逐步向衰退期过渡.综合判断木作沟具备再次发生泥石流的条件,对沟内居民仍具有严重威胁.建议在泥石流形成区设置谷坊坝,在流通区修建排导渠.     

泥石流的宏观沉积构造与形成机理

根据云南东川、甘肃武都、辽宁阜新现代和古代泥石流沉积概括出３类不同泥石流，即稀性泥石流、过渡型泥石流和粘笥泥石流的宏观沉积构造特征。在云南东川和甘肃武都进行现代泥石流暴发和堆积过程实地观测的基础上，对上述３类泥石流沉积构造的形成机理了探讨。初步建立用宏观构造现象组合识别石流类型的模式。