泥石流起动条件与流动特征研究
发布时间：2021-06-24 16:24
近年来泥石流灾害经常发生,特别是大型泥石流灾害对人民生命安全和大型生命线工程造成了严重危害。泥石流的起动条件对泥石流预报和评估具有重要的意义,然而泥石流的起动条件相比于泥石流的动力过程的研究还很不成熟。由于近年来大型碎屑流灾害也经常被归类为泥石流,因此本文关注的泥石流为广义意义上的泥石流,包括传统泥石流和碎屑流。泥石流的起动是颗粒堆积体在流动和其他外力作用下的失稳过程,本文通过室内实验和一定的理论分析对泥石流起动问题开展了研究。本文设计并搭建了一个旋转斜槽试验系统,该系统包括控制系统、测量系统、水流系统等子系统,用于研究泥石流的起动条件。研究内容分为两部分:斜槽泥石流流动试验研究、水流作用下泥石流起动试验研究。斜槽泥石流流动试验研究了无水条件下泥石流起动模式,表征无水条件下泥石流运动特征,分析堆积体表层颗粒受力关系。水流作用下泥石流起动试验研究了水流作用下颗粒堆积运动特征,表征斜槽堆积体内部渗流特性,量化研究了水流对堆积体流动的影响。通过分析试验数据,本文得到以下几条结论:1、斜槽泥石流流动试验发现堆积结构、粒径、颗粒配比对泥石流起动存在较大影响:1)斜槽内颗粒粒径越小,休止角越大时,...
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２泥石流分类??
必须了解泥石流起动过程。??（１）孕育过程??泥石流起动涉及两种液相运动：渗流及径流冲刷。图１－３对两种运动过程进行了初??步描述。渗流运动可概括为雨水浸润堆积体的过程，雨水进入堆积体后一部分被土体基??质吸收；另一部分在土体骨架中流动［１２，１３］。??初始阶段雨水沿颗粒堆积体内部孔隙下渗，孔隙水在颗粒表层形成水膜，对堆积体??有润滑作用使其抗剪强度降低。堆体上层中的细颗粒随渗流运动向下运动，同时堆积体??内土体基质不断吸收雨水浆体化。土体内部气体被困于孔隙结构及水膜组成的封闭区域??内，浆体体积膨胀使颗粒间的骨架结构变松散，也降低了细颗粒向下的传输速度。随雨??水持续增加，土体基质的吸水性逐渐下降，上层堆体浸水性大于下层堆体排放速率，堆??体上层的孔隙水压力不断变大形成超孔隙水压，使得堆积结构变得松散，饱和的土体基??质在超孔隙压作用下，沿斜面做切向运动，流失过程给颗粒骨架造成极大破坏作用，与??此同时随着土体液化流失，土体上层堵塞的细颗粒逐渐下沉，导致上层堆体中的颗粒骨??架间的空隙变大，大颗粒逐渐发生转动滑动然后再堆积使得孔隙率变小，下层骨架注入??细颗粒后孔隙率变低，因此孔隙水压持续变大。最终从土体流失转化为泥石流起动。根??据上述对渗流作用的描述可知，随颗粒堆积体含水率升高，堆体稳定性逐渐降低［１４１，达??到临界含水量时泥石流起动［１５］。含水量由孔隙率及堆体物质组成决定ｔ１６Ｌ??降甭??图１－３泥石流起动示意图??６??
２、随机振动筛机制Ｍｌ，颗粒堆体内部通过力链结构保持稳态，粗颗粒构成强力链??网，细颗粒构成杂乱的弱力链。在剪切作用下颗粒层级产生相对运动，粗颗粒具备较强??抗剪切能力，颗粒以滚动、滑动方式改变强力链结构，而细颗粒构成的弱力链则容易被??剪切力破坏，细颗粒借助粗颗粒空隙向下运动。随机振动筛理论适用于颗粒浓度较大的??中慢速泥石流，颗粒堆体以准静态的方式运动，切应力以摩擦力为主，不考虑颗粒间碰??撞力［４６，４７］，如图１－６所示。??降雨??降雨?丨?｜??ＩＩ／／?脑径ＳＫ??地表径流?＼?１?＾??惯性颗粒流理论随机振动筛理论??（ａ）惯性颗粒流理论?（ｂ）随机振动筛理论??图１－６泥石流分选机理图??对比两种机理得知，泥石流分选的两个重要影响因素为：坡度、颗粒体积分数［３２，４２］。??坡度直接影响颗粒层堆积稳定性及能量转化效率；体积分数对颗粒间作用方式影响较大，??随颗粒体积分数増加，颗粒间相互作用由碰撞转化为摩擦，对应不同分选机理。分选效??应不仅能改变堆积结构，更对泥石流流态存在重大影响［４８］。??从力学角度分析：分选作用下龙头粗颗粒聚集，缺少细颗粒导致间隙水压减少，使??得龙头与坡面摩擦力迅速增大，而龙身龙尾处粗颗粒含量较低，土体流化现象严重，运??动速度明显大于龙头。能量角度分析：泥石流动能耗散主要来自于边界摩擦及颗粒层内??摩擦。泥石流运动初期，分选效果尚不明显，颗粒堆积体存在稳定结构，随着泥石流运??动演变，颗粒间的作用方式逐渐以碰撞为主，此种运动方式沿程消耗的能量远小于颗粒??层摩擦耗能。??（２）泥石流流速研究??泥石流按流态可分为：均匀流、非均匀流。均匀流为粘性泥石流、稀性泥
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于地貌参数的泥石流沟发育阶段划分[J]. 赵岩,孟兴民,庆丰,刘林通,郭富赟. 灾害学. 2018(04)
[2]基于网格密度控制的全国崩塌滑坡泥石流编图[J]. 尹春荣,李媛,杨旭东,曲雪妍,房浩. 中国地质灾害与防治学报. 2018(04)
[3]沟岸侧蚀对泥石流不稳定动力过程的影响[J]. 吕立群,王兆印,崔鹏,徐梦珍. 水科学进展. 2018(02)
[4]非均质泥石流起动判别关系式[J]. 舒安平,张欣,段国胜,王澍,师哲. 水利学报. 2017(07)
[5]泥石流中大颗粒的起动与水流条件的关系[J]. 汤碧辉,孙红月. 自然灾害学报. 2017(03)
[6]地貌学在泥石流研究中的应用与理论初探[J]. 赵岩,孟兴民,郑娇玉,庆丰. 灾害学. 2017(01)
[7]泥石流龙头的形成及特征研究[J]. 王洋,崔鹏,王兆印,梁双庆. 水利学报. 2017(04)
[8]泰宁“5·8”地质灾害是滑坡还是泥石流?[J]. 叶清. 厦门科技. 2016(04)
[9]两相泥石流龙头的非恒定运动过程及能量特征[J]. 吕立群,王兆印,崔鹏. 水利学报. 2016(08)
[10]细粒含量对泥石流斜坡失稳模式与规模的影响[J]. 王志兵,李凯,汪稔,胡明鉴. 水利水电科技进展. 2016(02)
本文编号：3247435
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２泥石流分类??
必须了解泥石流起动过程。??（１）孕育过程??泥石流起动涉及两种液相运动：渗流及径流冲刷。图１－３对两种运动过程进行了初??步描述。渗流运动可概括为雨水浸润堆积体的过程，雨水进入堆积体后一部分被土体基??质吸收；另一部分在土体骨架中流动［１２，１３］。??初始阶段雨水沿颗粒堆积体内部孔隙下渗，孔隙水在颗粒表层形成水膜，对堆积体??有润滑作用使其抗剪强度降低。堆体上层中的细颗粒随渗流运动向下运动，同时堆积体??内土体基质不断吸收雨水浆体化。土体内部气体被困于孔隙结构及水膜组成的封闭区域??内，浆体体积膨胀使颗粒间的骨架结构变松散，也降低了细颗粒向下的传输速度。随雨??水持续增加，土体基质的吸水性逐渐下降，上层堆体浸水性大于下层堆体排放速率，堆??体上层的孔隙水压力不断变大形成超孔隙水压，使得堆积结构变得松散，饱和的土体基??质在超孔隙压作用下，沿斜面做切向运动，流失过程给颗粒骨架造成极大破坏作用，与??此同时随着土体液化流失，土体上层堵塞的细颗粒逐渐下沉，导致上层堆体中的颗粒骨??架间的空隙变大，大颗粒逐渐发生转动滑动然后再堆积使得孔隙率变小，下层骨架注入??细颗粒后孔隙率变低，因此孔隙水压持续变大。最终从土体流失转化为泥石流起动。根??据上述对渗流作用的描述可知，随颗粒堆积体含水率升高，堆体稳定性逐渐降低［１４１，达??到临界含水量时泥石流起动［１５］。含水量由孔隙率及堆体物质组成决定ｔ１６Ｌ??降甭??图１－３泥石流起动示意图??６??
２、随机振动筛机制Ｍｌ，颗粒堆体内部通过力链结构保持稳态，粗颗粒构成强力链??网，细颗粒构成杂乱的弱力链。在剪切作用下颗粒层级产生相对运动，粗颗粒具备较强??抗剪切能力，颗粒以滚动、滑动方式改变强力链结构，而细颗粒构成的弱力链则容易被??剪切力破坏，细颗粒借助粗颗粒空隙向下运动。随机振动筛理论适用于颗粒浓度较大的??中慢速泥石流，颗粒堆体以准静态的方式运动，切应力以摩擦力为主，不考虑颗粒间碰??撞力［４６，４７］，如图１－６所示。??降雨??降雨?丨?｜??ＩＩ／／?脑径ＳＫ??地表径流?＼?１?＾??惯性颗粒流理论随机振动筛理论??（ａ）惯性颗粒流理论?（ｂ）随机振动筛理论??图１－６泥石流分选机理图??对比两种机理得知，泥石流分选的两个重要影响因素为：坡度、颗粒体积分数［３２，４２］。??坡度直接影响颗粒层堆积稳定性及能量转化效率；体积分数对颗粒间作用方式影响较大，??随颗粒体积分数増加，颗粒间相互作用由碰撞转化为摩擦，对应不同分选机理。分选效??应不仅能改变堆积结构，更对泥石流流态存在重大影响［４８］。??从力学角度分析：分选作用下龙头粗颗粒聚集，缺少细颗粒导致间隙水压减少，使??得龙头与坡面摩擦力迅速增大，而龙身龙尾处粗颗粒含量较低，土体流化现象严重，运??动速度明显大于龙头。能量角度分析：泥石流动能耗散主要来自于边界摩擦及颗粒层内??摩擦。泥石流运动初期，分选效果尚不明显，颗粒堆积体存在稳定结构，随着泥石流运??动演变，颗粒间的作用方式逐渐以碰撞为主，此种运动方式沿程消耗的能量远小于颗粒??层摩擦耗能。??（２）泥石流流速研究??泥石流按流态可分为：均匀流、非均匀流。均匀流为粘性泥石流、稀性泥
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于地貌参数的泥石流沟发育阶段划分[J]. 赵岩,孟兴民,庆丰,刘林通,郭富赟. 灾害学. 2018(04)
[2]基于网格密度控制的全国崩塌滑坡泥石流编图[J]. 尹春荣,李媛,杨旭东,曲雪妍,房浩. 中国地质灾害与防治学报. 2018(04)
[3]沟岸侧蚀对泥石流不稳定动力过程的影响[J]. 吕立群,王兆印,崔鹏,徐梦珍. 水科学进展. 2018(02)
[4]非均质泥石流起动判别关系式[J]. 舒安平,张欣,段国胜,王澍,师哲. 水利学报. 2017(07)
[5]泥石流中大颗粒的起动与水流条件的关系[J]. 汤碧辉,孙红月. 自然灾害学报. 2017(03)
[6]地貌学在泥石流研究中的应用与理论初探[J]. 赵岩,孟兴民,郑娇玉,庆丰. 灾害学. 2017(01)
[7]泥石流龙头的形成及特征研究[J]. 王洋,崔鹏,王兆印,梁双庆. 水利学报. 2017(04)
[8]泰宁“5·8”地质灾害是滑坡还是泥石流?[J]. 叶清. 厦门科技. 2016(04)
[9]两相泥石流龙头的非恒定运动过程及能量特征[J]. 吕立群,王兆印,崔鹏. 水利学报. 2016(08)
[10]细粒含量对泥石流斜坡失稳模式与规模的影响[J]. 王志兵,李凯,汪稔,胡明鉴. 水利水电科技进展. 2016(02)
本文编号：3247435
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/3247435.html
