一维泥石流的静动力阻力特征研究及数值模拟

泥石流是山区多发的一种地质灾害,它的发生和发展威胁着人们的生命和财产安全,影响着人们的正常生活,因而需要加强对其发生和发展过程的研究。结合泥石流的动力模型方程采用数值模拟方法再现泥石流发生和发展的过程,是研究和预测模拟泥石流灾害的有效手段。目前的动力模型方程大多只关注动力过程,却忽视了静动力过程的统一,这将导致在一些情况下产生错误的结果。本文研究了一维泥石流的静动力阻力特征,通过修正泥石流动力学方程的阻力项,得到了具有静动力统一特征的模型方程。并以Roe格式的近似Riemann解为基础,采用MUSCL线性重构方法建立了具有较高精度和分辨率的有限体积数值求解。具体算例的数值验证表明,方程阻力项的修正是合理的,所建立的数值求解也是稳定和有效的。     

ON INITIATION OF GULLY DEBRIS FLOW BY LIMIT EQUILIBRIUM ANALYSIS1)

沟道泥石流启动的力学本质为沟道中的堆积体所受剪切力克服摩擦力的过程。本文通过堆积体临界状态的受力平衡分析确立颗粒堆积体的临界平衡条件,发现堆积结构稳定性受坡度、颗粒内摩擦系数、堆积高度和水流速度共同作用。在此基础上通过文献中的系列实验数据分析拟合得到了一个泥石流启动的临界流速条件,相关结果和文献中的两个系列实验结果吻合良好,有望为沟道泥石流启动提供一定的支撑。     

基于极限平衡条件的沟道泥石流启动条件研究

沟道泥石流启动的力学本质为沟道中的堆积体所受剪切力克服摩擦力的过程。本文通过堆积体临界状态的受力平衡分析确立颗粒堆积体的临界平衡条件,发现堆积结构稳定性受坡度、颗粒内摩擦系数、堆积高度和水流速度共同作用。在此基础上通过文献中的系列实验数据分析拟合得到了一个泥石流启动的临界流速条件,相关结果和文献中的两个系列实验结果吻合良好,有望为沟道泥石流启动提供一定的支撑。     

基于因素敏感性分析的人工排土场高边坡稳定性研究

在考虑人工排土场松散高边坡基本特征、变形破坏方式等的基础上,采用因素敏感性分析法,计算讨论了影响排土场高边坡稳定的主要因素--坡体几何形态特征、日常爆破震动、水等因素的变化对其稳定性的影响程度,确定了坡体几何形态特征因素为影响其稳定性的关键因素以及在确保排土场高边坡稳定条件下的单台阶合理坡角、坡高、预留宽度等人工堆积参数及最大堆积高度。     

基于沿程坐标积分模式颗粒流与结构物阵列相互作用的数值模拟

近年来, 由颗粒物质流动主导的泥石流、滑坡等自然灾害评估及其防护工作越来越受到人们的关注. 本文基于沿程坐标积分模式建立了陡峭地形条件结构物作用下颗粒流运动的数值模型, 可以较为准确地表征陡峭地形情形结构物影响下颗粒流的流态特征和运动过程, 尤其是相互作用过程中激波结构的形成与演化, 颗粒流的反射、绕射和爬升等动力效应. 通过数值模拟研究了颗粒流与不同分布密度四面体结构物阵列相互作用时的流态演化与堆积形貌, 提出了新型偏转效率无量纲指标, 结合流通效率, 定量评估了四面体结构物阵列对颗粒流流通距离和侧向铺展特征的影响. 结果表明, 单个四面体结构物对颗粒流的作用包括耗散作用和偏转作用两种模式, 其中偏转作用尤为显著; 结构物阵列对颗粒流产生综合的耗散和偏转作用, 通过多级作用形成系列的弓形激波耗散颗粒流能量, 通过偏转作用分隔和改变颗粒流路径, 增强耗散作用, 调控堆积形态, 可望对下游地区产生显著的防护效果.      

颗粒柱塌落中的尺寸效应和瞬态流变性研究

颗粒材料是自然界和工程中广泛存在和普遍应用的材料,泥石流、滑坡和混凝土等均可视为颗粒材料。颗粒材料研究有助于更好地控制相关自然灾害或利用其某些特性。对颗粒材料柱体的塌落动力学研究不仅可以方便理解颗粒材料在瞬态流动时的流变性,还可以引申到泥石流等岩土材料的运动与堆积形态。本文利用扩展多面体离散单元法对颗粒堆积柱的塌落进行了细致的研究,探索高宽比、摩擦系数以及颗粒柱相对尺寸等对柱体塌落的影响。对颗粒集合进行分网并分析每个网格内的应力与应变率之间的关系,讨论其瞬态本构关系。相关研究对于深入理解颗粒材料重力流的动力学性质以及颗粒集合体的堆积形态具有重要意义。     

汶川震区北川9.24暴雨泥石流特征研究

2008年9月24日汶川震区的北川县暴雨导致区域性泥石流发生,这次9.24暴雨泥石流灾害导致了42人死亡,对公路和其他基础设施造成严重损毁。本研究采用地面调查和遥感解译方法分析地震与暴雨共同作用下的泥石流特征,获取的气象数据用于分析泥石流起动的临界雨量条件。本文探讨了研究区泥石流起动和输移过程,并根据野外调查,分析了泥石流形成的降雨、岩石和断层作用,特别是强降雨过程与物源区对泥石流发生的作用。根据应急调查发现北川县境内暴雨诱发的泥石流72处,其分布受岩石类型、发震断层和河流等因素控制。根据对研究区震前和震后泥石流发生的临界雨量和雨强的初步分析,汶川地震后,该区域泥石流起动的前期累积雨量降低了14.8%～22.1%,小时雨强降低25.4 %～31.6%。震区泥石流起动方式主要有二种,一是由于暴雨过程形成的斜坡表层径流导致悬挂于斜坡上的滑坡体表面和前缘松散物质向下输移,进入沟道后转为泥石流过程;二是"消防水管效应"使沟道水流快速集中,并强烈冲刷沟床中松散固体物质,导致沟床物质起动并形成泥石流过程。调查和分析发现沟内堆积的滑坡坝对泥石流的阻塞明显,溃决后可导致瞬时洪峰流量特别大。研究结果表明了汶川震区已进入一个新的活跃期。因此,应该开展对汶川地震区的泥石流风险评估和监测、早期预警,采取有效的工程措施控制泥石流的发生和危害。     

泥石流研究述评

泥石流这一特殊的二相流体是山区常见的一种自然灾害,一般可分为稀性泥石流(颗粒碰撞及离散力起主导作用)和粘性泥石流(粘性力起主导作用)两大类。本文概略地评述了泥石流的几个问题,即泥石流形成学、分类学、动力学等,指出急需解决的问题有泥石流汇流理论、泥石流阻力规律等。文中还根据近年来的动态和趋向,推断更加深入的理论研究和以数学模型为核心的泥石流流域管理模式将会成为泥石流学科发展的主要方向。      

三峡库区康家嘴滑坡破坏过程及演绎研究

三峡库区康家嘴滑坡是在其老滑坡泥石流的前缘堆积扇体中形成的新滑动变形体。滑体表面为第四纪风化土层,滑带为灰绿色粉质粘土或粘土,在降雨与库区蓄水的周期性浸泡作用下,饱和后蠕滑变形,处于欠稳定-极限稳定状态,亟需整治。本文针对其破坏过程及形态加以详细描述,并对滑坡的阶段性演绎过程加以追溯。在查清滑坡地质条件与发展趋势的基础上,通过经济对比分析,对康家嘴滑坡不同变形阶段提出了具有针对性的防治方案:在新滑坡体(强变形区)采用抗滑桩+排水沟+局部回填压脚、后部变形体采用抗滑桩+排水沟。经对滑体计算,该滑坡体处于稳定状态,达到了防灾减灾的目的。     

基于表面设计减阻的水下航行体模型实验与数值分析

针对水下航行体高速航行时提高航速的需要,开展近壁面湍流边界层减阻的研究。进行表面设计使旋涡流动加强导致局部空化从而产生壁面附着的微气泡,以降低流体粘性系数,伴随近壁面湍流结构的改变来实现一定幅度的减阻。设计并进行轴对称体模型在高压循环水洞中的空化现象观测和阻力测量并做了相应条件下的数值计算。。实验和数值结果分析的基本结论比较一致:某种特征表面形貌在湍流中有一定幅度的减阻,局部空化效应在中低流速下牺牲压差阻力而导致航行总阻力升高,在高流速条件下则降低总阻力。     

两相爆轰波的松弛结构

两相爆轰波的松弛结构明显区别于均相爆轰,除需考虑化学反应的影响外还需考虑两相流效应。本文的理论分析表明,化学反应效应和两相流效应对爆轰波松弛区内某些参数变化的影响是一对矛盾因素,这使得松弛区内的参数分布呈较为复杂的形态,均相爆轰中这类分布曲线往往是单调变化的。根据作者提出的云雾和粉尘爆轰模型所进行的计算表明理论分析与计算结果所呈现的态势一致。 文中还讨论了两相爆轰波的C-J条件,Rayleigh方程和Hugoniot方程,并根据计算绘制了Rayleigh曲线和Hugoniot曲线,这从另一侧面反映了两相爆轰波松弛结构的特征。     

泥石流类型与地貌分形特征的关系研究

泥石流是一种频繁发生且危害性很大的自然灾害。作为中国泥石流灾害重灾区之一的陇南地区,泥石流不仅严重阻碍G212线的正常运营,也严重影响沿线地区的经济发展和人民生活。通过对G212线陇南段232条泥石流沟的调查资料分不同属性、不同发展阶段和不同危害程度进行统计,结合分形理论,分析了泥石流沟道数与地貌要素的定量关系。结果表明:地貌形态要素对泥石流的属性、发展阶段和危害程度等不同类型泥石流的影响程度不同; 综合分维值、形成区形态参数和地形坡度等参数都在一定程度上定量反映了不同类型泥石流的特征。     

不同重力下90°弯管内气液两相流流型及流动特性研究

研究了不同重力条件下90°弯管内气液两相流流型分布形态及流动特性. 通过建立90°弯管内气液两相流流动的三维数学物理模型,采用VOF 方法,对10-6g₀, 10-4g₀, 10-2g₀, 1g₀ (g₀= 9.8m/s2) 重力下的90°弯管内气液两相流流型分布特征、截面空隙率、滑速比及气相尾部最大斜向角进行了比较分析. 研究结果表明:所建立的模型能够正确模拟不同重力条件下90°弯管内气液两相流流型和截面空隙率,并得到气液两相弯管二次流与单相二次流的不同特性. 随着重力水平的提高,90°弯管对气相流型的影响作用减弱,气相整体向弯管内侧积聚靠拢,弯管对尾部的斜向作用减弱.      

柳杨沟泥石流特征及其工程影响分析

2001年7月11日晚11点至12日凌晨,位于小天都水电站下闸址以下约600 m的柳杨沟爆发泥石流,造成数十万元的经济损失,对小天都电站下闸址造成了一定影响。通过现场调查和室内计算,研究了柳杨沟泥石流的发育特征和运动特征,并分析在各种设计概率下发生泥石流对水电工程可能造成的影响。     

四川凉山州美姑县“6·1”泥石流灾害研究

四川凉山州美姑县“6.1”泥石流灾害实例研究表明,该泥石流约为20年一遇的中小规模的泥石流。流域上游短历时强降雨和冰雹天气过程是这次泥石流暴发的诱因,流域内退化的生态环境和中下两岸不稳定边坡以及沟道内大量的松散堆积物为这次泥石流提供了丰富的固体物质来源。泥石流堆积物具有典型的多峰型粒度特征,且有较高的粘粒含量。巨大的泥石流漂砾、石背石现象、龟裂现象、侧积堤和龙头堆积证实了这次泥石流为粘性泥石流。危险度评价表明,采莫洛沟属于高度危险的泥石流沟,危险度为0.67;乃托沟属于中度危险的泥石流沟,危险度为0.58。风险评估结果可知,两沟都属于泥石流高风险区风险度分别为0.52和0.45。高风险区的泥石流灾害给当地的经济社会造成了严重影响并直接造成了较大的人员伤亡和财产损失。     

管内固-液两相流动阻力特性影响因素的敏感性分析

在浆体管道的工程设计中，管道阻力损失是一项关键参数。在大量实验的基础上，本文根据取得的有关实验成果，对影响管内固-液两相流动阻力的4个最主要因素-管径D、颗粒比重S、浆体浓度Cv和倾角θ进行了深入探讨，并采用多因素分析法比较了它们对于固体物料管道水力输送阻力输送阻力损失的影响程度大小关系，从而为在工程设计降低管道输送阻力提供了主要调整手段。     

基于流固耦合理论的泥石流冲击桥墩的动力响应分析

以双柱式桥墩结构为研究对象,基于流固耦合分析理论,采用ANSYS+CFX建了泥石流与双柱式桥墩的耦合分析模型,分析了在不同泥石流速度冲击时桥墩的响应情况。分析结果表明:该方法可以很好地模拟泥石流从进口到墩位处再到出口过程中整个流场的发展和分布情况;在泥石流冲击作用下,墩柱底部承受较大的横向冲击力,导致桥墩根部出现较大的负弯矩、拉应力和压应力,其值均随速度的增加而增大;上游立柱冲击力大于下游立柱的冲击力,而且进口流速越大其遮流作用也越大;由于双柱式桥墩结构横向刚度大,泥石流冲击产生的墩顶横向位移却很小;泥石流中的块石对桥墩的冲击影响较大,不可忽视。研究结果对双柱式桥墩预防泥石流冲击具有一定的参考价值。     

磨西河流域泥石流流域形态的非线性特征

泥石流是磨西河流域地质环境演化的一个重要地表过程,研究该流域内泥石流的地貌发育及演化特征可为磨西河流域第四纪以来地质环境的演变提供重要信息。通过对流域51条泥石流沟地貌形态的统计分析发现,磨西河流域内泥石流的分布在空间上表现出明显的不均性,流域内泥石流沟的数量与对应的主沟长度、主沟纵比降及流域面积之间存在着明显的分形现象,具有较高的自相似性。结果表明,泥石流沟谷形态的非线性演化特征及现象是对磨西河流域冰川环境和地质构造环境响应的直接结果,主要体现在现代冰川对流域的强烈侵蚀和贡嘎山隆升而导致流域的强烈下切。研究结果可为流域内泥石流灾害的形成机理、防灾减灾及流域环境演化提供理论依据。     

水平油水两相流流型对阻抗式含水率计的影响研究

实验研究了水平条件下20mm管径油水两相流的流动特性对阻抗式含水率计测量的影响.首先利用阻抗式含水率计测量不同含水率和流量条件下的混合物电阻率,并使用高速摄像记录对应的流型特征,进而分析流型对测量值的影响.通过对低、高流量分别采用电学和流体动力学模型分析后发现:低流量下混合物电阻率的主要影响因素是油水两相之间的速度滑脱,采用双流体动力学模型能有效地反映其变化规律.而高流量下(水包油分散流时)速度滑脱很小可以忽略,油水两相的空间结构对混合物电阻率的影响是问题的关键.近似绝缘的油滴分散在导电的水中形成的含孔导体电阻率高于实心导体,适用的电学模型是Maxwell电阻率模型.     

泥石流预测、预报技术方法的研究现状浅析

泥石流灾害的预测、预报是减灾防灾重要环节和基础。在充分研究泥石流形成条件基础上 ,正确预测、预报泥石流 ,是目前最大限度减少泥石流灾害损失所采取的主要方法。本文综合了当前泥石流预测预报的方法 ,分析了泥石流长期、中期、短期预报及泥石流预报的原理 ,不同时期泥石流预报的特征及存在的问题。我国是受泥石流危害最为严重的国家之一。每年由泥石流造成的直接经济损失约达几十亿元之多 ,减少泥石流灾害造成的损失主要取决于预测预报工作等。