粘性泥石流龙头形态与阻力模型适用性研究.pdf
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1、引用格式:李彦稷,李浦,胡凯衡粘性泥石流龙头形态与阻力模型适用性研究 山地学报,():,():山 地 学 报 文章编号:():收稿日期():;修回日期():基金项目():国家自然科学基金项目(;);中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题();陕西省自然科学基金青年基金项目()。(;);,();()作者简介():李彦稷(),女,博士研究生,主要研究方向:山地灾害防治工程。(),:通讯作者():胡凯衡(),男,博士,研究员,主要研究方向:泥石流减灾理论与技术。(),:粘性泥石流龙头形态与阻力模型适用性研究李彦稷,李 浦,胡凯衡(中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所,成都 ;中国科学院大
2、学,北京 )摘要:泥石流运动阻力是泥石流动力学的核心问题。泥石流内部多种流变类型和应力过程并存,目前各类阻力模型难以准确描述其运动阻力。本文基于原位监测与数值模拟方法,针对宾汉模型、湍屈模型、模型、膨胀塑流模型四种不同的阻力模型,分析粘性泥石流龙头形态特征与阻力模型的适用性;基于 (时间过程线)和 (空间过程线)两种视角,将数值计算结果与蒋家沟实测粘性泥石流龙头形态数据进行比较;进一步改变粘性泥石流的密度和底床坡降,分析四种阻力模型计算结果对这两个基本参数的敏感性。结果表明:()综合考虑了固液两相混合流屈服摩阻、粘性应力和分散应力的膨胀塑流模型适用于描述粘性泥石流的运动阻力。()宾汉模型计算结
3、果与实测数据相差较大,而膨胀塑流模型计算结果并未随密度变化产生差异,但受坡度影响较大,与实测数据较为吻合;湍屈模型、模型计算得到的速度几乎不受坡降变化影响,与实际泥石流不符,初步分析可能与湍流阻力项中残留层的计算受坡降影响有关。本文可为泥石流灾害风险评估和防治工程设计过程中的阻力模型选取提供参考。关键词:粘性泥石流;阻力模型;龙头形态;过程线;数值分析中图分类号:文献标志码:泥石流是高山峡谷区一种常见的地质灾害,具有爆发突然、破坏力强等特点。不同于一般的低含沙量水流,泥石流固相颗粒物浓度高、级配宽,可将泥石流体视为介于挟沙水体和土体之间的过渡性体 。这种过渡性质使得泥石流在山谷或沟道中的运动过
4、程中,出现许多与洪水、一般水流不同的现象。泥石流动力学的研究关键在于科学认识和描述其阻力特性 。现有的泥石流防治工程设计中,通常用曼宁糙率系数量化泥石流运动的阻碍作用 ,其取值与自身物质组成和沟床特性有关。糙率系数和运动阻力的大小影响泥石流的流速计算 ,从而进一步影响其整体冲击力和淤埋范围的评估。因此,选取合适的阻力模型,准确评估泥石流运动阻力,对泥石流灾害风险评估与防治工程设计具有重要意义。已有河流动力学研究中,低含沙水流的运动阻力计算往往基于均匀恒定的明渠阻力公式(如谢才公式、曼宁公式、公式),由此结合水流断面平均流速、坡度、水力半径以及沟床粗糙度等变量得到水流运动的阻力系数。泥石流物质组
5、成复杂,固相颗粒级配宽、液相浆体粘度高,多种流变类型和应力过程并存,如固 固碰撞和摩擦应力、液相粘性和湍流应力、固 液相间作用力等 ,导致其运动特性与低含沙水流差异巨大。由此,诸多学者相继提出了考虑泥石流上层 塞流体 的宾汉阻力模型 、基于固相颗粒间碰撞应力的膨胀体模型 、综合考虑宾汉阻力和碰撞应力的膨胀塑流模型 、基于土力学理论和孔隙流体压力效应的库伦混合阻力模型 以及考虑固、液两相相间作用力的两相流模型 。选取符合实际的泥石流运动阻力模型,是准确模拟泥石流运动过程、科学评估灾害风险和合理设计防治工程的关键。云南蒋家沟 场泥石流运动观测资料的分析表明,粘性泥石流运动阻力可以用归一化的粘性碰撞
6、模型()描述 。进一步结合粘性泥石流模型实验数据进行分析,发现库伦摩尔阻力模型更适合描述野外粘性泥石流的运动阻力 。国外典型流域泥石流事件(日本 流域、瑞士 大流域)实测数据和数值计算结果的对比分析表明,相比于宾汉模型,模型更适用于预测堆积扇泥石流冲出距离 。针对泥石流在陡坡中的运动情形和堆积扇上的停淤过程,数值分析表明发现包含湍流阻力项的阻力模型(如湍屈模型 、阻力模型 )计算结果与泥石流实测泥深、速度和冲出距离更为吻合。已有泥石流阻力模型的适用性研究,大多基于数值结算结果和实测数据的对比分析,考虑泥石流运动速度、堆积区冲出物质总量、灾害泛滥范围和泥深空间分布的差异。这些研究往往基于泥石流宏
7、观运动或动力学参数,尚未聚焦到泥石流运动过程的龙头形态特征。泥石流运动过程中的龙头形态是其内部固相颗粒垂向速度分布、粗细颗粒循环和分选过程、液相浆体粘性等因素综合作用的结果,反映了泥石流整体的运动阻力特性。云南东川蒋家沟是我国泥石流天然的博物馆,蒋家沟观测站借助相关仪器设备进行了长期的野外泥石流原位观测,积累了大量的泥石流运动相关资料,为分析不同泥石流阻力模型适用性提供了有力支撑。本文以云南东川蒋家沟泥石流为例,借助数值模拟手段,针对宾汉模型、湍屈模型、模型、膨胀塑流模型 种常见阻力模型,通过分析计算得到的泥石流龙头形态与野外沟道实测数据的差异,比较各阻力模型的适用性。并进一步改变数值计算时泥
8、石流密度和底床坡降,探讨各阻力模型计算结果对两者的敏感程度。本文针对粘性泥石流阻力模型适用性的对比研究,有利于促进泥石流动力学和流域地貌演化研究,也可为泥石流防治工程设计提供理论依据,对泥石流防灾减灾具有重要的意义。粘性泥石流阵流特征粘性泥石流的运动方式通常是以阵性运动为主的 。云南东川蒋家沟、四川黑马河马颈沟、甘肃武都火烧沟三处泥石流均以阵性流为主要运动形态。云南省东川蒋家沟是一条典型的暴雨型粘性泥石流,是全世界最大的泥石流自然博物馆,其流域面积 ,主沟长 、平均纵比降 ,每年 月是泥石流频发期 。流域上游物源区广泛分布的亚黏土、黏土残积层及砾石层是粘性泥石流土体颗粒的重要来源之一 。阵性泥
9、石流的特点主要有:流量过程有间断现象、流速和泥深一般呈正变关系、每次阵性流的外形基本相似,即呈头大、身短、尾长的蝌蚪形 ,图 为实拍的蒋家沟泥石流阵性流形态特征。粘性泥石流阵性流的龙头形态如峰值泥深、速度等,往往能直观地反映一次泥石流的整体规模和灾害泛滥范围。以往蒋家沟现场观察结果表明,粘性泥石流通过观测断面时近似为楔形,形状基本不变 。泥石流阵性流的流量过程线可以简化为三角形 ,即泥石流泥深随时间是一种线性变化,进而计算泥石流一次径流总量。进一步的野外实测数据表明,泥石流阵性流流量的时间过程线并不是简单地三角形,陡峭的龙头过后泥位会急剧下降 。由此,可以引入 (时间过程线)和 (空间过程线)
10、这两种坐标系,来分析泥石流泥位过程线的形态差异 。当泥石流流经一段沟道时,对于岸边的观察者而言,泥石流空间形态是同一时刻不同空间位置的泥位,即 空间过程线;对于固定于测量断面的超声波传感器而言,它记录的泥位时间序列反映的是同一空间位置不同时刻的泥石流形态,即 时间过程线。两种观察视角的示意图如图 所示。图 为 年 月在蒋家沟实测的阵性泥石流的龙头纵剖面泥深数据 。图 是 年 月在蒋家沟利用超声波监测的某一时段阵性泥石流 ,粘性泥石流龙头形态与阻力模型适用性研究泥位的时间过程线。本文拟借鉴该方法,从空间过程线和时间过程线两个视角入手,对比分析不同阻力模型计算结果和实测泥石流阵流龙头形态的差异。图
11、 蒋家沟阵性泥石流的形态特征 图 两种不同观察视角下的泥位过程线:()超声波测量泥位和观测者观测泥位示意图;()野外实测泥石流阵流的龙头纵剖面泥深数据;()超声波监测的断面泥位数据 :();();()控制方程和数值方法?控制方程泥石流运动过程具有以下特点:存在自由表面、以重力为主要驱动力、水平流速沿垂向近似分布均匀、水平运动尺度远大于垂直运动尺度等,因此可将泥石流运动过程视为浅水运动 ,可以根据一维的浅水波方程(圣维南方程)进行数值计算。为了降低计算过程离散化带来的误差,同时满足间断跳跃条件,本研究采用守恒形式的圣维南方程,即:()()()()()式中,为输运量;为输运通量;为源项;变量 为泥
12、石流泥深();为泥石流基于深度平均的速度值();为重力加速度();代表泥石流沟道底床坡度();为泥石流的阻力坡降(),运算符号函数 是为了确保泥石流在逆坡时的阻力与实际运动阻力符合。?泥石流阻力模型泥石流是一种物质组成复杂、包含多种应力过山地学报 卷 第 期程的固液两相流,粘性泥石流固液两相分离不明显,相间速度差可以忽略,因此可视为一相流。本文将运用于泥石流数值模拟中的各种不同的单相阻力形式进行数值模拟的对比分析。考虑 种典型的泥石流阻力形式,具体形式如表 所示。表 种不同的泥石流阻力模型 名称阻力项构成阻力项形式()宾汉模型宾汉阻力 湍屈模型湍流阻力、屈服阻力 槡 模型湍流阻力、库伦阻力 槡
13、 膨胀塑流模型屈服阻力、粘性应力、分散应力 ()()注:表中,;为泥石流密度();为刚度系数();为宾汉剪切力();为屈服应力();为单宽流量();为床面糙率系数();为残留层厚度(),其计算公式为 ,为底床坡度(),为泥石流内部摩擦角(),为谢才系数(),为阻力经验系数(本文取值为 )。?数值方法本文数值计算时采用非振荡中心守恒型 ()格式,计算区域为交错网格。计算格式主要分为两步,即预测步和校正步,分别为:()()()()()()()()()()()式中,()、()分别网格 、的输运量;、分别为对应的输运量梯度;()为网格 处 时刻的输运量预测值;()为交错网格 处 时刻的输运量校正值;为
14、时间步长 与空间步长 的比值;()()、()()分别网格 、处 时刻的输运通量;为对应的输运量梯度。泥石流参数和计算参数选取根据蒋家沟泥石流的分类 ,泥石流密度 为含沙水流,处于 为稀性泥石流,处于 为亚粘性泥石流,为粘性泥石流。本文选取的泥石流密度 ,根据泥石流通过沟道后的粘附层厚度计算蒋家沟亚粘性泥石流和粘性泥石流的屈服应力与泥石流密度的定量关系 ,即:()()根 据 蒋 家 沟 泥 石 流 浆 体 的 流 变 试 验 结果 ,当 时,泥石流刚度系数与屈服应力比值保持稳定,即:()式中,为刚度系数()。由此,计算得到 ,。为了与实测数据进行对比分析,数值计算时泥石流沟道长设计为 ,底床坡降
15、取 (与图 坡降一致),计算区域网格数为 ,。四种阻力模型计算结果比较?与蒋家沟实测泥石流龙头形态比较基于 种不同的阻力模型,将模型数值计算结果与蒋家沟实测阵性泥石流龙头形态进行对比分析。阵性泥石流的龙头形态不仅取决于自身物质组成特征,也与沟道形态有关,如沟道宽度、横向弯曲变化等。本研究中,蒋家沟阵性泥石流龙头形态数据的观测点位于主沟顺直沟段,且测量时间处于阵流流宽相对稳定期间,因此可以忽略沟道形态对实测泥石流龙头形态的影响。数值计算时基于一维的圣维南方程,因此沟道宽度默认为单位宽度(即沟道宽度是不变的),也没有考虑横向弯曲的影响,因此不同的计算结果主要反映了不同阻力模型构成项的差异。,粘性泥
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