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。     

成都粘土泥浆流变模型探讨

泥浆是泥石流动力学的重要研究对象.细小的黏性颗粒是黏性泥石流泥浆的基本组成部分,传统流变模型可以描述粘性泥石流中颗粒物质相互作用,然而各灾害点物质组成的差异性使得泥浆流变模型的应用各有不同,且当前研究缺少对不同模型应用的详细讨论.本研究利用MCR301流变仪,开展不同含水量成都粘土泥浆流变实验,分析成都粘土泥浆剪切应力...     

泥石流体的沉积稳定浓度与颗粒级配之关系

沉积稳定浓度主要反映了泥石流固体物质的级配特点,它涉及到泥石流体的固体颗粒的大小和排列状况。利用这种浓度可确定泥石流体的粘滞系数、宾汉剪切力以及与泥石流颗粒级配有关的其他参数。分析了泥石流体的沉积稳定浓度与颗粒级配的理论关系,并用实验方法建立了它们的关系式。     

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。     

泥石流浆体黏度计算中最大体积分数的确定

泥石流浆体的黏度是泥石流运动模型中的重要参数。利用相对黏度-颗粒体积分数的计算方法得到浆体黏度需要最大体积分数这一关键参数。本文利用不同来源泥石流堆积物中的细颗粒部分配置浆体开展流变实验,研究最大体积分数的确定方法。首先利用Anton Paar MCR301流变仪的同心圆筒系统测量每个细颗粒土体在不同颗粒体积分数下的流变曲线,通过宾汉模型得到各样品的塑性黏度,进而计算其与同温度下清水的相对黏度。然后利用6个应用较为广泛的相对黏度-颗粒体积分数计算方法对实验数据进行拟合,对各方法拟合的最大体积分数进行比较,分析其与细颗粒土体的特征体积分数(随机疏松堆积体积分数、随机密实堆积体积分数、击实体积分数、沉积稳定体积分数)的关系。结果显示对于同一土体配置的浆体,不同计算方法拟合的最大体积分数有所不同,但是同一种方法得到的不同土体的最大体积分数与土体的击实体积分数存在显著的线性关系,据此建立了各计算方法中最大体积分数的经验计算式。此外还建立了浆体相对黏度与颗粒体积分数、击实体积分数之间的指数关系式,该式可用于估算中等浓度和高浓度浆体与清水的相对黏度。     

稀性泥石流容重计算的改进方法

稀性泥石流的沉积样的粒度不能反映稀性泥石流的实际粒度,过渡(亚粘性)泥石流的沉积样的粒度也不能完全反映亚粘性泥石流的实际粒度.通过分析稀性泥石流和亚粘性泥石流沉积样中的粗颗粒和细颗粒组成的百分比与稀性泥石流和亚粘性泥石流的实际粒度分布关系,得出稀性泥石流以细颗粒为主,>5 mm的粗颗粒的百分比较小,大多数稀性泥石流的沉积样中这部分粗颗粒百分含量被夸大.去掉稀性泥石流沉积样中>5 mm的粗颗粒可以修正被夸大的粗颗粒比例,由此粒度分布和修正公式计算的稀性泥石流容重与实际容重吻合较好.去掉亚粘性泥石流沉积样中>20 mm的粗颗粒,可以修正亚粘性泥石流的粒度分布,由此粒度分布计算的亚粘性泥石流容重与实际容重吻合更好.     

粘性泥石流体的应力应变特征和应力本构关系的研究

通过粘性泥石流体阵性流的野外观测和最新研制的泥石流流变仪应用,含有砾石的粘性泥石流体具有明显的应力过冲、触变能量、剪切稀化和双屈服应力等流变特征被得到研究。粘性泥石流应力应变的自组织临界特性分析表明,泥石流的规模与频率间存在着幂定律关系。粘性泥石流体在低速率区启动初始段,其应力本构关系可用剪切稀化的幂定理方程来描述。粘性泥石流体在剪切速率区流动剪切段的应力本构关系,应包含滑动摩擦作用的零次项和反映惯性碰撞的平方项,具有屈服应力和剪切膨胀的流变特征。     

粘性泥石流应力应变特征的初步试验研究

采用自己最新研制的泥石流流变仪，测试自然界活泥石流体的样品，发现粘性泥石流体在低速率受剪时具有应力过冲和剪切稀化等特征。这些特征的讨论和认识，为进一步深化泥石流模型理论研究奠定了基础。     

《泥石流体的流变特性与运移特征》出版

<正>由王裕宜、詹钱登、严璧玉等编著的《泥石流体的流变特性与运移特征》,是一本研究泥石流体的流变特性和运移特征的专门著作,于2014年初由湖南科学技术出版社出版,83万字。全书共18章,大致上可分为5部分。第一部分1-4章叙述了泥石流固体颗粒、浆体的物理化学性质和结构组成特点,是全书的基础部分;第二部分5-7章:叙述了泥石流形成的构造应力状况,泥石流发育区的工程地质选线,泥石流启动应力过冲     

宽级配弱固结土体内细颗粒迁移规律研究评述

宽级配弱固结土体中细颗粒的迁移是导致滑坡和泥石流的一个重要原因。本文总结了宽级配弱固结土和细颗粒分界粒径的基本概念,以及细颗粒迁移特性,并总结了现有细颗粒迁移在各学科研究的实验方法、数值模拟方法以及研究成果。现有研究表明在宏观尺度上,宽级配土体内细颗粒在水动力条件下的迁移,会导致土体孔隙堵塞,是土体渗透性的降低、发生滑坡泥石流的重要原因;同时亦影响水利科学中土石坝运行,甚至造成管涌破坏。在细观尺度上,相关成果仍旧不完善,亟待在今后进行深入研究。未来建议重点发展微观数值模拟技术,高精度的试验监测手段,并考虑孔隙结构和颗粒级配变化、细观-微观-宏观多尺度转换以及气、固、流多相流耦合条件下的细颗粒迁移规律。     

西藏波密县古乡沟泥石流模型试验中的模型砂配制

对西藏古乡沟泥石流模型试验中的模型砂配制进行了研究,旨在保证模型试验的合理性和科学性,从而为泥石流灾害防治工程提供可靠的设计依据。通过对泥石流形成区和堆积区样品的粒径分析,根据模型试验的目的和条件,选定模型的几何比尺为1∶100,但模型砂的配制采用泥砂分段模拟法,原型中小于0.1 mm的颗粒不缩小,仍按重量百分比配制;原型中大于0.1 mm的颗粒按相似比尺缩小后用小于0.1 mm模型砂代替。并通过模型样品的选用和粒径组合对泥石流体以及堆积扇的模型砂配制过程进行了详细的分析研究,使模型试验获得了比较好的结果。     

蒋家沟泥石流流态

蒋家沟是一条规模巨大、暴发频繁、类型齐全、流态典型的暴雨型泥石流沟,为开展泥石流流态和流变的研究提供了良好的条件。本文试图从讨论泥石流的流变特性着手,研究各类泥石流的流态性质,分析影响泥石流流态的诸因素,阐明泥石流流态的时空变化,为建立泥石流所特有的流动模式提供论据。因笔者水平限制,文中谬误之处,谨请指正。     

砾石土分形特征及其与泥石流启动关系试验

对116条泥石流沟取样,所取土样共182个,通过室内颗分试验得到其颗粒组成特征,以此为基础引入分形理论计算各土样的分维值,并分析分维值与级配特征之间的关系。分析发现:泥石流源区砾石土以一重分形特征为主,分维值介于2.250~2.798之间,分维值大的砾石土颗粒组成较为均匀,分维值减小,砾石土中的细颗粒含量逐渐降低。基于砾石土分维值分布区间,在野外配置土样开展泥石流启动试验,综合分析试验现象、孔隙水压力及含水量变化情况得到以下结论:形成泥石流的砾石土具有临界特征,分维值小于2.4的砾石土不易形成泥石流;分维值介于2.4~2.6时,以土力类泥石流为主,泥石流重度较高且规模较大;分维值介于2.6~2.7时,以水力类泥石流为主,泥石流的重度较低,以稀性泥石流为主,并伴有明显的阵性特征。分维值及降雨条件相同时,土体变形(未启动形成泥石流)或破坏启动形成泥石流的时间与密度呈正相关关系。     

泥石流颗粒组成的分形特征

泥石流是主动的流域物质输移形式,土体的颗粒组成决定了泥石流的活动。不同地区、不同流域、不同密度的泥石流样本分析表明,高密度(如籽s>2g/cm3)泥石流的颗粒分布曲线总体上具有指数形式,指数呈现出显著的区域性差异。泥石流多发生在一定的指数区间;颗粒组成具有良好的分形特征,不同密度泥石流颗粒的分形区间不同,这个区间可以认为是形成泥石流结构的颗粒区间,从而也确定了泥石流基质的颗粒界限;颗粒的分维随密度变化,密度越大(大颗粒含量越多),分维越大。颗粒的分形结构也是颗粒孔隙的分形结构,它决定了土体的液化,因而也决定了泥石流所表现的特征。     

云南东川蒋家沟宽级配砾石土原位渗透试验初步研究

土体的渗透试验是研究滑坡转化泥石流起动过程和机理的重要研究手段。选择泥石流典型流域——云南东川蒋家沟的泥石流源地土体和堆积土体进行原位土体渗透试验。由于宽级配砾石土的与众不同的特征，表现出特殊的渗透特性。通过试验发现：1．泥石流源地土体的渗透特性的原位渗透系数依次由大到小顺序为林地→耕地→灌丛→荒地→滑坡前缘；2．有表层的堆积土体的渗透性比去除了表土层的渗透性小得多；3．堆积土体的侧渗性很大。结合蒋家沟径流与人工降雨实验，发现在宽级配砾石土体中渗流出的浑水中有许多细颗粒土体，可以认为宽级配砾石土体的渗流不同于一般的渗透，其伴随有细颗粒土体的运移，随时间发展土体渗透性在空间上和时间上都在不断变化。     

震区砾石土泥石流起动临界状态与力学性状

虽然汶川震区的松散砾石土历经近10年的自然固结过程,坡面植被恢复良好,但灾后持续活跃的泥石流等地质灾害告诉我们,了解这类因地震产生的砾石土的力学性状,仍然是理解灾区地质灾害肆虐的最重要的方面之一。本文以汶川县映秀镇牛圈沟泥石流源区的砾石土为研究对象,采用人工水槽模型试验与三轴测试,观察泥石流起动时砾石土的宏细观现象,分析粗细颗粒含量变化对砾石土干密度的影响,并从临界状态土力学角度,探讨了泥石流起动时砾石土的力学性状,提出砾石土临界状态数学表达式。结果表明:(1)泥石流起动时间、模式与初始干密度密切相关,其过程伴随着干密度和孔隙比的变化;(2)细颗粒迁移与粗细颗粒含量调整引起土体内部细观结构重组是干密度与孔隙比变化的主要原因;(3)相同级配的砾石土在等同围压条件下排水剪切,会近似达到一个临界孔隙比;(4)砾石土力学性状可根据其状态参数(e,p')与e_c-p'平面临界状态线的相对位置来判断;(5)砾石土边坡在降雨淋溶下失稳形成泥石流,坡体内同时存在剪胀与剪缩两种力学性状,且以剪胀为主。本文研究成果一方面能对泥石流起动机理的理论体系进行完善与补充,另一方面能为震区砾石土泥石流的防治预警预报提供初步依据。     

基于无人机测量的泥石流固体颗粒图像识别与泥石流预警

强震导致崩塌与滑坡碎屑物在泥石流流域内广泛堆积,挤压侵占天然沟道,完全改变了沟床物源级配构成,泥石流激发降雨临界值急剧降低。震后泥石流物源粒径和沟道宽度的变化直接改变了震后泥石流启动过程及机制。泥石流预警模型并未考虑震后泥石流物源组成的动态变化作为主控因素,需要进一步改进。本文现场调查了泸定9·5地震后泥石流沟的形成区及流通堆积区松散堆积物组成,采用无人机航测采集岩土粒径,结合PCAS软件进行泥石流粒径识别,分别通过系统误差、高度误差及坡度误差三个方面进行误差分析,探讨无人机航测泥石流形成区沟道粒径方法的准确性;对泸定大渡河流域得妥乡内的洛进沟和两岔河沟进行粒径测量,结合泥石流1 h预报模型和改进的精细化泥石流1 h预报模型,得到这两条沟震前震后的综合降雨临界值,发现强震后泥石流流域颗粒粒径明显减小,两条泥石流沟的激发临界降雨量都大幅降低;通过误差分析,得到无人机近地观测结合软件测量研究区域内泥石流沟道形成区物源粒径的方法与人工现场测量之间的误差较小,可以用于泥石流物源粒径识别,且由于强震后泥石流的激发降雨临界值是一个动态变化过程,采用无人机可以高效识别泥石流沟道物源的变化。     

宽级配床沙起动规律的实验研究

本文在水槽实验的基础上,根据最小能量耗散原理,考虑诸如水流脉动、床沙组成、河床糙率、粗细颗粒间相互作用、河床粗化程度等因素的影响,建立了宽级配床沙起动的三种模式以及相应的非均匀沙起动流速公式,经实验资料检验,符合较好。     

沙丘沙休止角影响因素实验研究

休止角是沙丘沙重要的组合特性,是控制沙丘形态的重要因素之一。根据现有观测资料,从风沙物理学角度,定性分析了其主要影响因素;通过设计实验方案,选择不同材料,对不同状态下的沙丘沙休止角进行了实验,从机理上证实了各因素对休止角的影响过程。结果表明,粉体沙丘沙的休止角大小的主要影响因子是颗粒之间分子力;粒径并不是影响沙丘沙休止角大小的直接因素,而是通过砂砾的球形度、表面粗糙度间接来影响沙丘沙休止角的大小,且其球形度起主要影响作用;平均粒径相同,不同颗粒配级的沙丘沙休止角的大小也不一样,且随着颗粒配级不均匀程度的增大,休止角增大;沙砾的质地影响沙丘沙的休止角大小,如果矿物成分完全相异,即使两者级配一致,休止角大小也会有很大的差异;含水量对沙丘沙休止角的影响强于其他因素,但并不是简单直接的正比关系,而是呈先增大后减小的关系。     

北京大烂碴沟泥石流堆积扇的特征及其演变过程

北京山区由于山坡陡峻、构造发育、岩体破碎,加上气候条件,泥石流灾害的发生较为频繁.密云县是北京山区泥石流高发区,冯家峪镇则是密云县泥石流发生最多的区域.密云县冯家峪镇西白莲峪历史上发生多次泥石流,其流域自然地理条件复杂、泥石流堆积形态多样,大烂碴沟泥石流堆积扇具有一定的代表性.研究泥石流堆积特征及其演变过程,以期丰富北京山区泥石流基础资料,同时对完善泥石流灾害防治的危险区区划有所裨益.在收集当地泥石流发生历史资料的基础上,详细的调查了西白莲峪大烂碴沟的自然地理状况和泥石流堆积物的特点.大烂碴沟上游沟谷剖面呈"V"形,切割明显,地形坡度一般在32.以上,而下游沟谷剖面呈"U"形.从泥石流形成的年代和冲刷痕迹推测,"U"形沟谷为泥石流冲刷形成.整个流域成扇形,泥石流形成区面积为0.58 km2,流通区面积为0.09 km2.大烂碴沟流通区沟道极短,这样,形成区汇集洪水到达流通区后,严重冲刷沟谷坡脚,破坏基岩的稳定性,造成两岸岩石滑坡、崩塌和沟床岩石的整体性搬运,从而形成泥石流.流域出口处有泥石流扇形堆积体,砾石含量较多.采用野外调查和室内实验结合的方法对大烂碴沟泥石流的堆积物特点进行研究,具体如下:(1)地貌特征:采用野外量测与填图的方法,主要调查堆积扇的部位及其地形、沟道比降与宽度,堆积物外部形态等.(2)结构组成:主要有颗粒级配、岩性组成、砾石排列与分选性、堆积物的结构与构造特征,以及粒态、擦痕、砾石包裹情况,大漂砾粒径、堆积位置与排列等颗粒特征.砾石的调查通过在沟道内随机选取一定数量的砾石进行abc长度和倾向调查.以上参数通过现场观测、测量取得.选定泥石流堆积区典型部位Ⅰ和Ⅲ,通过挖圆形探坑,取出全部颗粒.将颗粒直径大于10 mm的大颗粒筛出,称重,将剩余颗粒1 kg左右带回实验室分析.粒度分析的主要方法为:平均粒径比中值能更正确地反映碎屑颗粒的集中趋势,按福克和沃德的平均粒径的表达式Mx:φ16 φ50 φ80/3判别碎屑颗粒的集中趋势;采用由福克和沃德提出的标准偏差σ=φ84-φ16/4 φ95-φ5/6.6判别颗粒大小的均匀程度;采用福,克和沃德的偏度公式:SK1=φ16 φ84 2φ50/2(φ84-φ16) φ5 φ95-2φ50/2(φ95-φ5)判别粒度分布的不对称程度;峰度是用来衡量粒度频率曲线尖锐程度的,也就是度量粒皮分布的中部与两尾端的展形之比,采用福克和沃德提'出的峰度公式KG=φ95-φ5 φ80/2.44(φ75-φ25)判别.在查阅历史资料和堆积物调查的基础上,本文对大烂碴沟泥石流堆积扇的发育和演变过程进行了分析.研究结果表明,该区泥石流堆积扇的形成受到初次水石流和二次粘性泥石流两种泥石流形成过程的影响,水石流形成堆积扇主体,粘性泥石流则起到显著改变堆积扇形态特征的作用.大烂碴沟泥石流堆积扇的演变过程和特征明显受到大烂碴主沟和西白莲峪主沟水流的影响.从外部特征来看,堆积扇可以分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ四个区,其中Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ区表现为二次泥石流堆积特征,Ⅳ区表现为初次泥石流堆积特征.两次泥石流形成过程中固体物质的运动方式、搬运距离和侵蚀强度不同,其堆积扇在不同分区的沙砾粒径、排列方向和圆度也反映出两次泥石流的形成特征.该研究结果对今后进一步探讨北京山区泥石流形成机理和运动过程以及为北京山区泥石流防治制定有效措施提供了科学依据.