泥沙起动概率的高速摄影测量方法

为了通过实验测量泥沙起动概率,基于封闭槽道内开展的泥沙起动实验,系统论述了基于高速摄影的起动概率测量方法所涉及的起动概率定义、相机采样频率、图像处理方法、起动比例与运动比例的关系等关键问题.根据泥沙在水流紊动猝发作用下起动的物理机制,定义实测起动概率为单个紊动猝发周期内,从一定面积床面上冲刷外移的泥沙比例.根据推移质运动概念模型,提出高速图片拍摄间隔应小于推移质运动的中间时间尺度,以捕获泥沙的每一次起动.在高速图像处理时,通过连续两帧图片之间的灰度差实现运动比例的无偏差提取.进一步分析表明,运动泥沙可处于起动、止动或滑翔状态,运动比例等于起动比例、止动比例和滑翔比例之和,起动比例与运动比例之比等于两张图片之间的时间间隔除以推移质运动的中间时间尺度.基于上述关键技术,将高速摄影测量方法用于泥沙起动概率的测量,结果表明,临界起动水流条件时,床沙处于少量起动现象,对应的临界起动概率与窦国仁所推导的2.28%接近.     

二氧化碳洗井中相关问题的探讨

二氧化碳洗井方法具有设备简单、用时少,效果好的特点,但随着钻孔深度和孔径加大,井管材料的更新换代,有时也会难以出现壮观的井喷场面,达不到理想的洗井效果,使用范围受到限制的问题。总结多年的洗井经验,依据二氧化碳洗井原理,运用洗井过程中起动压力和用气量的计算公式,进而对洗井深度和影响用气量的因素进行了分析,结果表明:1该方法比较适用于井深300m左右、孔径Φ325mm以内、泥浆相对密度小于1.1g/cm3的新打水井,对大于300m的深井,可采用分层洗井法或压风机引喷法进行洗井。2井喷形成时的二氧化碳气体用量,与瓶内气体的压力、钻杆的下入深度、环空体积、地面管路的长度与直径、钻杆内径、钻井液的密度等成正比,而与水温、气温等成反比;当井的含水层的水柱高度低于70m时,一般不易形成井喷。3二氧化碳洗井适用于井内下入钢管、铸铁管等抗压强度较高的井。对水泥管、塑料管等强度较低的井管则要视情况具体分析。     

极不充分采动条件下地表下沉规律及计算方法研究

随着煤矿开采的不断加深,地表呆动程度(开采宽度D与开采深度H之比DIH)不断降低,并逐渐趋向于极不充分采动,同样长度的工作面对地表的影响程度极不同于浅部开采。因此,需要重新认识深部开采时的地表下沉规律。极不充分采动条件下地表下沉规律具有特殊性。经过对国内外大量观测资料的综合分析,发现当开采宽度小于地表下沉起动距时(极不充分采动),地表的下沉或地表下沉率(q′／q)为零。当开采宽度达到地表移动起动距时,地表下沉缓慢增长;达到临界采动距时,地表下沉急剧增大。地表下沉率(q′／q)与开采宽、深比D／H之间为负指数函数关系。在极不充分采动条件下进行地表下沉预计时必须对概率积分法的下沉系数进行修正。算例证明了本文给出计算方法的可行性。但这种修正方法如何与概率积分法相统一仍需进一步研究。     

冰碛土体起动泥石流的特征研究

与广泛分布于干旱河谷的宽级配砾石土体特征不同,冰碛土广泛分布在青藏高原地区,属粗大颗粒多、粘粒含量少、摩擦阻力大、粘滞阻力小的宽级配砾石土体。在冰川融雪与降雨的共同作用下冰碛土体可失稳并起动泥石流,形成灾害。针对冰碛土体起动泥石流机理研究薄弱的现状,本文选取波密县帕隆藏布流域的支流嘎弄沟一冰碛土堆积坡面,通过模拟降水与冰雪融水起动冰川泥石流实验,比较不同颗粒组成、不同实验条件下的土体起动泥石流特征,分析其起动成因及力学特性,探讨冰碛土体起动泥石流的机理。研究发现冰碛土体失稳起动泥石流是粘滞阻力降低、孔隙水压力升高、拖曳力与渗流侵蚀共同作用的结果,起动过程受粘土颗粒含量和径流类型的影响。当粘粒含量较高时(>3%),土体通过铲蚀与面蚀形成泥石流;粘粒含量中低时(不高于3%),大部分坡面土体主要经掏蚀与坍塌起动泥石流;粘粒含量过低时(<0.32%),土体难以起动泥石流。在降水作用下土体孔隙水压力迅速增加,易造成土体破坏,起动泥石流;而在冰雪融水的作用下,土体孔隙水压力波动幅度不大时,土体同样可能发生失稳破坏起动泥石流。     

泥石流学科的发展和对策

泥石流研究首先要积极投身于国民经济建设主战场,并以泥石流综合防治为契机,促进山区生态经济系统的良性循环,使得根治泥石流灾害与社会、经济、生态环境协调发展。其次,要突破学科的前沿问题——泥石流起动理论和阻力规律。初步提出了实现目标的措施。     

泥石流源地松散体起动人工降雨模拟及放水冲刷实验

以神府－东胜矿区人为泥石流及云南东川蒋家沟自然泥石流为研究对象,采用人工降雨及放水冲刷模拟实验方法,分析了不同类型,不同地区泥石流源地松散体起动条件及泥石流过程,得出一些有意义的结论。     

海岸沙丘沙运动特征若干问题的研究——以闽江口南岸为例

在海岸带,沙粒粒径和水分含量是决定沙粒起动风速的最主要因素。闽江口南岸海滩沙的平均粒径为2.0Φ,水分含量多在0.3%~1.0%之间。运用Johnson的经验公式,可计算出海滩沙的起动风速为6~7m/s。这一结果与实际观测值十分吻合。由于海岸环境因素的影响,使得同等条件下海岸带沙粒的起动风速明显大于内陆沙漠沙,而风沙流的输沙率明显小于内陆沙漠沙。海岸带是风速剧变带,在引用陆地气象台站的风速记录分析海岸风况和研究风沙运动规律时,必须对风速进行订正。     

不同沟床坡度堰塞坝溃口展宽历程试验研究

为了解堰塞坝在不同沟床坡度地段的溃口展宽历程,进行了沟床坡度为7°~13°,间隔为1°的7组水槽试验。对比分析7组试验观测数据,评价不同沟床坡度对堰塞坝溃口展宽历程的影响。得到如下结果及结论:(1)漫顶破坏的堰塞坝在不同沟床坡度地段的溃口展宽历程是十分相似的,根据其溃决特征,可将其展宽历程划分为溃口贯通、突变和稳定边坡形成等3个阶段。(2)在突变阶段溃口边坡沿x轴方向会发生多次失稳,溃口顶部形态在背水坡呈“S”型,在坝顶呈“U”型,在迎水坡呈“弧”型。(3)不同沟床坡度条件会影响突变阶段的溃决特征,随沟床坡度的增加突变阶段溃口边坡单次失稳规模表现出先增大后减小的特征,溃口边坡失稳次数呈现出先减少后增加的特征。(4)溃口边坡的稳定性主要取决于溃口的侧蚀宽度和下蚀深度,其与溃口顶、底部侧蚀宽度之差呈负相关关系,与溃口下蚀深度呈正相关关系。(5)不同沟床坡度堰塞坝的溃决流量随溃决时间的延长具有相同的变化趋势,但不同沟床坡度堰塞坝的溃决峰值流量和峰值流量到达时间却不尽相同,随沟床坡度的增加峰值流量逐渐减小,峰值流量到达时间先提前后推迟。     

土壤风蚀过程颗粒释放机理研究

针对目前土壤风蚀中土壤颗粒释放过程机理研究存在的不足,建立了颗粒在土壤表面起动、滚动、起跳的土壤颗粒释放力学模型,同时考虑了太阳辐射及地表温度产生的向上垂向风速对颗粒起动风速的影响,并采用前人的实验结果与本文模型数值计算结果进行了对比分析,证明其模型的合理性。数值结果表明：起动风速随颗粒粒径的增大先减小后增大,其中在0.12~0.14 mm粒径范围内颗粒最容易起动,同时床面温度越高对颗粒的起动风速影响也越明显,同一粒径下床面温度越高起动风速越小。颗粒在床面上的运动不是纯滚动,而是滚动中有滑动。颗粒起跳速度主要分布在0.3~0.65 m/s之间;起跳角度30°~35°之间;颗粒起跳的角速度主要分布在600~1 200 rev/s。土壤颗粒释放微观过程的研究将对改进土壤风蚀输送过程中的宏观监测与预报起到重要作用。     

全风化花岗岩突水通道扩展的颗粒起动流速研究

突水突泥是富水全强风化花岗岩隧道施工常见的地质灾害,地层颗粒的流失是导致突水通道扩展的关键因素,其中颗粒达到起动流速是其流失的临界条件。考虑水流冲刷和土体黏结作用,对突水通道断面颗粒进行三维受力分析,导出颗粒的临界起动条件,建立了考虑颗粒粒径、颗粒坡面位置、相对暴露度三因素的颗粒起动流速函数,并利用数值方法分析了上述三因素对起动流速的影响规律。计算分析表明:起动流速随粒径增大先减小后增大,通道断面不同坡面位置颗粒起动流速呈明显的对称性,总体上起动流速随相对暴露度的增大呈增大趋势。采用正交试验法研究了三因素对颗粒起动流速的敏感性,发现粒径对起动流速影响最为显著。同时根据断面颗粒起动最小流速标准及相对暴露度的随机性,简化颗粒坡面位置和相对暴露度两因素,导出颗粒起动流速的简化公式,最后利用室内试验和工程实例验证了该公式的合理性。