泥石流的结构两相流模型：I.应用

本文应用泥石流的结构两相流模型对各类泥石流的运动机理进行探讨,并成功地解释了泥石流运动中的一系列特殊现象,如可能出现的颗粒浓度“上大下小”型分布,泥石流垂线速度的“反Ｓ”型分布,泥石流中颗粒脉动速度分布变化的特殊性,泥石流的输移特性以及在一定条件下出现的“流核”现象,等等,模型计算结果得到了实验资料的验证。     

泥石流的颗粒流模型

颗粒流的应力由三部分:弥散应力、摩擦应力和碰撞应力组成。对快速颗粒流来说,颗粒碰撞应力占优势,其他应力可略去不计。颗粒流模型非常适合描述颗粒间流体相互作用较小的无粘泥石流或水石流,作为应用例子的是:从颗粒流模型导出的速度分布与无粘泥石流的大量试验测量结果相一致。除颗粒流模型外,在泥石流研究中应用较多的还有宾汉体模型、膨胀体模型和粘塑体模型。它们都能作为特例,包括在两相流模型之中。     

泥石流的结构两相流模型：I.理论

泥石流的运动既有类似于固液两相流之处,又在很程度上不同于固液两相流。在泥石流滨汉体模型,膨胀体模型,粘塑体模型及颗粒流模型研究的基础上,本文提出了一种新的模型－泥石流的“结构两相流模型”这种模具有以往各类模型的优点,同时又便于对不同类型的泥石流进行描述,在理论上,它比现行各类模型更加严密,在应用上,它较现行各类模式更加方便,能够适用于更加广泛的各类条件,泥石流的结构两相流模型中将现行模型的作为特例     

泥石流颗粒级配倒置浅释

泥石流固体颗粒级配倒置,影响流速垂线分布、流态与冲击力,是一个十分重要的问题。本文根据力学及流变学对泥石流固体颗粒级配倒置进行了解释,对于泥石流运动机理的认识是有裨益的。     

以计算流体动力学模型（CFD）模拟的戈壁地表风沙两相流运动特征

尘暴过程中沙砾质戈壁地表的风沙两相流运动,一直是风沙物理学关注的问题。但由于技术限制,野外观测及风洞实验难以捕捉大规模颗粒运动。为此,本文通过构建流体-颗粒碰撞互馈模型进行三维场域数值模拟,分析了不同砾石盖度下尘暴来流中的风沙两相流运动规律。结果表明：基于三维场流体-颗粒碰撞互馈模型修正后的求解结果能够较为准确地模拟戈壁地表风沙两相流运动过程。(1)不同来流尘暴过程,风相速度均会随砾石盖度的增大而减小,并在砾石盖度大于40%的戈壁近地表形成拜格诺焦点。相较于风相,沙相降速不明显。此外,距砾石床面4 cm以上,风沙两相速度基本保持一致。(2)当尘暴速度大于10 m·s^-1时,在距地1.5～2.1 m高度形成风沙两相流速度交点,交点上下表现为“风快沙慢”及“风慢沙快”现象。(3)尘暴过程中近地表沙尘浓度沿均值线呈“脉动”规律,表现为地表粉尘沉降与再释放循环过程,同时砾石盖度大小会直接影响沙尘沉积分布,当盖度大于40%时能够有效抑制沙尘释放。     

泥石流运动流型与流态特征

泥石流的运动流型与流态是研究泥石流运动力学的重要内容。以云南东川蒋家沟泥石流运动观测为例,对阵流型、连续型、复合型三种流型及相应的流量过程特征进行了分析;借鉴水力学的流态理论,对天然沟遭中泥石流的流动状态(即层动流、波动流现象)进行了探讨分析,指出在一阵流动过程中也会出现几种不同流态特征。     

从蒋家沟泥石流阵流看泥石流堆积

野外观测和实验证明，泥石流的堆积是经过无数随机的“元堆积”叠加形成的。“元堆积”保留了泥石流的活动特征。根据云南东川蒋家沟泥石流阵流资料和阵流的数值模拟，发现堆积厚度与阵流的深度和速度，在统计上是一致的，说明了堆积与运动之间的系统性联系。这种联系为泥石流活动的系统性和泥石流灾害的评估提供了新的线索。     

颗粒组成与泥石流运动的涨落

泥石流物源、流体和堆积物的颗粒分布满足P(D)=CD~(-μ)exp(-D/Dc),其中参数C,μ和D_c由传统的粒径分布特征决定。μ随细颗粒(特别是粘粒)含量的增大而增大,D_c刻画粒径的范围,且随粗粒含量而增大。蒋家沟泥石流的观测表明,同一场泥石流包含着数十到数百个不同性质、流态和规模的阵流。阵流的涨落和多样性是与流体的颗粒组成密切相关的。一定的颗粒组成对应着一定的饱和颗粒浓度,决定一定的饱和流体状态。阵流的涨落,是在没有达到饱和状态时的随机运动的状态。阵流涨落随D_c增大而趋于平缓;当流体达到饱和态时,阵流达到最大的流深、流速和流量,且与颗分参数(μ,D_c)具有幂函数关系。运用本文的方法,可根据颗分参数来预估泥石流的性质和规模。     

二维气固两相后台阶流动的大涡模拟

采用大涡模拟、Smagorinsky亚格子应力模型及SIMPLER 算法,数值模拟了气固两相流体后台阶流动中各物理量的输运特性。首先,讨论了后台阶流动中分离涡旋结构和回流区长度随入口速度分布、台阶上游长度的变化情况;然后,用颗粒追踪法,计算了不同入流速度、不同粒径的颗粒在后台阶流场中的扩散行为。计算结果表明,选择抛物线型入口速度分布,能比较好地模拟真实的后台阶流动;在气固两相流动中,颗粒运动是气相涡旋和固相颗粒惯性共同作用的结果,随着颗粒粒径的增加,颗粒对气体涡旋的跟随性逐渐变弱,而其惯性特性表现得越来越显著。当大量颗粒由不同粒径组成时,颗粒的扩散将具有选择性,显示出多尺度耦合现象。所得结果有助于解释风成地貌形态的形成机理,也可以为风沙流风洞模拟实验设计提供一定的理论指导。     

粘性泥石流阻力和运动方程验证分析

现有的粘性泥石流阻力方程可以大致归纳为三类：一类是将泥石流视为固液两相流,通过理论分析建立的泥石流阻力运动方程;二类是认为粘性泥石流符合宾汉姆流体阻力方程;三类是依据泥石流体具有基本符合库伦公式的剪切强度,将泥石流视为固体颗粒散体重力流,在理论分析基础上建立的阻力和运动方程。用粘性泥石流动力学实验数据对三类阻力运动方程进行了验证,结果表明第三类阻力和运动方程与实际接近。     

基于起跳初速度分布的沙颗粒浓度廓线的数值模拟

跃移层内沙颗粒浓度分布是风沙两相流相互作用的结果,准确的沙颗粒浓度分布有助于弄清风沙互馈机制及沙颗粒间相互作用机制。由于沙颗粒浓度分布与沙颗粒起跳初速度分布以及气流运动密切相关,本文基于特定的沙颗粒起跳初速度分布函数,通过构建的沙颗粒在气流中运动的物理模型,并利用四阶精度的Adams-Bashforth-Moulton方法对所构建运动模型进行求解,统计分析稳定状态下两相流中沙颗粒运动轨迹的分布,分析其浓度廓线的垂向分布规律。计算结果表明跃移层内沙颗粒浓度分布廓线与高程呈负指数或伽马分布关系;高度一定时沙颗粒浓度廓线随摩阻风速的增大而减小,随颗粒直径的增大而增大。     

密集颗粒流中的速度波动及自扩散特征

 密集颗粒流是颗粒介质中非常重要的一种运动状态,其内部单个粒子的速度波动通常是导致系统出现输运、混合、分离等宏观过程的微观基础,因此,如何对其进行定量描述是颗粒介质研究中一个非常关键的问题。基于所建立的环形剪切颗粒流的离散元模型,首先分析了系统达到剪切稳定状态时不同局部区域内微观粒子速度波动的宏观统计特征;通过引入自扩散系数定量研究了剪切颗粒流内粒子扩散运动过程中的局部化和各向异性特征;最后讨论了局部剪切率、初始体积分数以及粒子间的摩擦系数对系统自扩散系数的影响规律。     

泥石流的阵性波状运动

首先描述了在云南东川蒋家沟观测到的在粘性泥石流运动过程中的铺床作用，阵次交替的波状运动，以及相关的波的分化、叠加等现象。然后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。两者间存在物质循环流动。由实测数据推算的波速表明阵性波是一种急流。最后从波的空间形态和传播速度的角度将泥石流的波状运动分为缓波、滚动短波和滚动长波。     

泥石流产生的力学分析

泥石流为我国山区常见的一种自然灾害,是由水和泥沙组成的两相流体。它暴发突然,来势凶猛,运动快速,历时短暂,是介于块体滑动和水力运动之间的的一种颗粒剪切流;其堆积形态多为岗状、岛状(舌状)和片状,其沉积物毫无分选具有大小石块混杂的结构。泥石流堆积形态为山前泥石流堆积扇。     

泥石流沟道汇流对堆积危险范围影响的数值模拟研究

利用离散元法和图形处理器（GPU）并行计算手段建立泥石流运动堆积模型,以自然界沟道泥石流汇流后运动堆积特征及危险范围作为模拟参照,利用所构建的泥石流流通槽完成沟道泥石流不同交汇角汇流模拟试验和堆积危险范围预测,实现了泥石流沟道汇流的可视化模拟和数值模拟。试验结果表明,可视化模拟能够模拟出自然界中泥石流自流通区运动汇流后产生堆积的运动特征;数值模拟实现了锐角条件下仅考虑单因素即沟道交汇角对泥石流堆积危险范围影响的模拟试验。此外,利用GPU并行计算的优势可用于模拟大规模泥石流汇流现象,模型的可扩展性为泥石流汇流堆积危险范围分析向更为复杂的地理环境模拟奠定基础。     

流团模型在泥石流危险度分区中的应用

应用王光谦等发展的流团模型，在泥石流摩阻为速度的二次多项式的条件下，根据一定的地形条件、流量过程线及泥石流体的一些参数，模拟了泥石流在堆积扇上的扩散堆积运动。由数值模拟结果，以泥石流的最大动能为分区指标，建立了泥石流危险度分区模型。最后将该方法应用到云南东川尼拉姑沟，取得了该沟50a一遇泥石流的泛滥范围和危险度分区。     

西藏古乡沟泥石流的数值模拟

泥石流运动数值模拟是确定泥石流泛滥范围、进行危险性分区、辅助减灾工程设计与检验的重要方法。以西藏波密古乡沟为实例,从泥石流的二维运动方程出发,使用一种新的数值方法对古乡沟50a一遇泥石流在堆积扇上的运动过程进行了数值模拟,获得了其最大流速、流深、动量和动能的空间分布,并据此确定了受泥石流危害较小的川藏公路穿越堆积扇方案。将泥石流数值模拟结果与游勇等1997年做的模型试验结果进行了比较,具有较好的相似性。     

泥石流堆积的分布

野外观测和实验模拟表明，泥石流堆积是通过若干阵流在保持相对完整的形态下叠加形成的。本文利用蒋家沟阵流的观测数据，根据阵流流深一流速关系和各自分布，并结合浊流的堆积分布、数值模拟的流深、堆积分布，提出泥石流堆积厚度的分布具有与流深相同的负幂分布形式，并估计了分布指数的下限。结果表明，泥石流堆积厚度的分布很不均匀，分布的估计为堆积区的危险性的划分提供了新的定量依据。     

稀性坡面泥石流粗颗粒在不同水力作用下的起动

"5.12"汶川地震产生了大量崩滑堆积体,这些棱角状粗颗粒体在水流激发下易起动形成坡面泥石流。在对汶川地震区坡面泥石流地质模型调研基础上,建立以立方体为稀性坡面泥石流粗颗粒的基本模型,结合坡面泥石流的宽级配特性,提出立方体模型的滑移、翻转(包括绕边翻转、绕支点翻转及嵌固绕边翻转)等起动方式。并以水力学、泥沙动力学为理论基础,推导得出粗颗粒在滑移、翻转起动方式下的起动平均流速公式。参照陈伯奇的实验数据,计算粒径为5~10 mm颗粒在不同坡度条件下的起动流速,并对比显示两者具有较好的吻合性,表明立方体作为稀性坡面泥石流粗颗粒的起动模型是合理的。计算结果也表明,在同一坡度条件下,粗颗粒滑移起动所需的水流激发流速最低,绕边起动次之,颗粒嵌固起动所需的激发流速最大,如坡度为30°条件下,滑移起动的水流激发流速为0.349 m/s,绕边起动为0.430 m/s,嵌固起动为0.473 m/s。据此推断,当水流达到一定流速(如30°坡度下、流速为0.349 m/s)时,粗颗粒的最初起动以滑移为主;随着流速增大,逐渐出现翻转起动;当水流流速急剧增大时,大部分嵌固粗颗粒会以翻转的方式瞬间起动,从而形成稀性坡面泥石流。成果对稀性坡面泥石流起动条件研究具有一定的理论意义,对泥石流灾害预警具有一定的指导作用。     

栾川“7·24”暴雨泥石流启动模式分类

2010年7月河南省栾川县连续降雨达半月之久,24日又突降大暴雨,导致县境内暴发区域性泥石流(简称“7·24”暴雨泥石流),全县14个乡镇普遍受灾,死亡68人、失踪21人,直接经济损失约19.8亿元.为给当地政府提供合理的泥石流防治建议,对栾川县“7·24”暴雨泥石流中31个灾害点进行了野外调查并进行了工程地质分析.调查发现,此次栾川县暴雨泥石流类型丰富,泥流、泥石流及水石流均有发育;地貌上看,泥石流多属于坡面型,水石流基本上为沟谷型.同时,因栾川县采矿业发达,矿渣型泥石流发育十分典型,且大多为尾矿坝溃决所致.鉴于栾川“7·24”暴雨泥石流范围大、类型多的特点,若按规范分类则很难提供针对性的泥石流防治建议,而若按启动模式分类则能在防治建议中对症下药.因此结合前人研究成果和此次调查分析结论,按启动模式将栾川县泥石流划分为7种类型,分别为:沟道拖拽-溃决型、沟道冲切-崩滑型、冲击液化型、坡面崩滑型、坡面冲刷-沟道启动型、尾矿溃决型及其复合型.同时,对7种类型中典型泥石流点的启动模式进行了详细分析.