基于CBOS有限元粘性泥石流动力特性数值模拟研究

发布时间：2020-07-27 15:07

【摘要】：泥石流是一种常见于山区的自然灾害。其中,粘性泥石流最为典型且危害最大,对人们的正常生活和财产安全造成了极大影响。近年来,随着动力学模型和科学计算不断发展,数值计算方法已逐渐成为研究粘性泥石流运动特征的有效方式。本文将特征线算子分裂有限元法与结构两相流单流体模型相结合,建立了一种求解粘性泥石流的有限元模型。以刘希林和唐川所做物理堆积实验为依据,对不同条件下粘性泥石流的动力过程进行了模拟;采用无量纲化后的简单阻力模型,分析了不同底阻、不同障碍物设置条件对泥石流动力学特征参数的影响,并应用简化后的模型对某山地泥石流灾害进行了研究。具体内容如下:应用数学分裂的方法将结构两相流单流体模型中的方程分裂成扩散方程、对流方程、泥深修正方程和平均流量校正方程,采用特征线-Galerkin法处理对流方程。该模型克服了传统Galerkin有限元法求解结构两相流单流体模型对流占优的问题,并提高了计算效率。应用该模型对单次来流条件下的粘性泥石流动力过程进行了模拟,计算结果与现有研究数据吻合较好。连续来流条件下,泥石流堆积体长度、宽度和面积随补给量增加呈线性增长的趋势,堆积体形状由扇形逐渐过渡为椭圆形;堆积体长度随堆积区坡度增加而增大,堆积体宽度随堆积区坡度增加而减小;当泥石流容重不断减小时,内部阻力逐渐下降,堆积形态由半圆形过渡为椭圆形;底阻条件对泥石流堆积扇的面积和最终位置影响较大,且不均底阻条件可能造成运动过程波动。在研究阻碍物的不同朝向设置中发现:当阻碍物远高于泥深时,堆积扇之间将产生一个“安全地域”。当阻碍物朝向下坡时,泥石流体被截留了一部分,致使堆积区形成的堆积扇面积减少,“安全地域”范围增大。因此,合理设置阻碍物,有助于降低泥石流体对下游基础设施的破坏。利用简化后的模型对某山地泥石流灾害进行了计算,结果与实际致灾范围大致相同,表明本文提出的有限元模型具有较高可靠性,在研究泥石流灾害方面具有良好应用前景。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P642.23
【图文】：

泥石流,桥梁

1 绪论.1 选题背景与依据泥石流是一种常见于山区的自然灾害，主要由强降雨和地质活动等条件影响导坡失去稳定性而形成，细颗粒、粗颗粒和水是其主要构成物。泥石流在运动过程有很大的动能，严重时会破坏下游的基础设施（如公路和桥梁）见图 1，也会吞没和土地（如图 2），造成河流的淤积堵塞。另一方面灾害爆发时，伴随大量堆积物生，原先的肥沃土地会在这些堆积物的影响下转化成废弃的沙石滩地，造成自然的严重破坏。与此同时，这些堆积物大量汇入主河道，将致使河流堵塞而最终形然坝和堰塞湖。在连续暴雨的影响下，天然坝和堰塞湖可能再次发生溃决性的泥灾害，刹那间导致河床的地形地貌发生翻天覆地的变化[1]。因此，泥石流非常具有性，将对人们的正常生活与学习产生严重影响。甚至威胁到生命财产的安全，导大的经济损失[2]。近年来，由于气候变化和人类活动对自然坏境的破坏，泥石流灾发生频率不断增加，灾害规模也越来越大[2]。

地形图,泥石流,领土,季风气候

泥石流,粘性泥石流,泥浆

图 1-3 泥石流发生消亡过程在空间上的分布[66]清水汇流区具有较高的森林覆盖率，且山坡为没有受到严重侵蚀破坏陡峭的岩石。由于该地区在降雨后易形成地表径流，为粘性泥石流的形成提供了诱发动力。区主要由汇水区和固体物质供给区两个部分构成，其地势特性对研究泥石流具有要的意义。在泥石流形成区内，由于崩塌、滑坡及各类腐蚀沟谷等不良地质现象常见，因此该区域水土流失严重，为粘性泥石流灾害提供了充足的固相颗粒物。水区聚集了大量的地表径水，为粘性泥石流灾害提供了充足的液相浆体[22]。黏性流的流通区域在其运动过程中起到搬运的作用，它主要位于沟谷的中下游。泥石在流通区域运动过程中，会对河谷底面进行冲刷、侵蚀等。泥石流体的流速较低其流动形态主要呈阵流，此时会在河床上滞留大量的淤泥，造成河谷的堵塞。当流的堆积厚度逐渐增加时，会导致泥浆继续向坡度小的地域流动。因泥浆内部之在着相互作用力，顶层的泥浆将会带动相接触部分的下层泥浆一起向坡度较小的方向流动。粘性泥石流爆发时一般具有较大流速，河床上的大量松散固体颗粒物在侵蚀作用下被带入混合，导致其动力过程中受到的底部阻力逐渐增加。堆积区势一般较为平坦且坡度较小，主要位于泥石流流动区域的下游或者山口外。按照地貌的不同，泥石流分为山前、山区、山坡型 3 类；山前的区域地势宽广辽阔，

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