沟道型泥石流的动力机制及数值模似

论文摘要

沟道型泥石流作为一类常见的自然灾害和活跃的地貌过程,研究其动力机制具有重要的现实意义和理论价值。为了能够更加系统地阐述沟道型泥石流的动力特征及进一步认识其形成和演进机理,通过野外调查、文献分析和数据收集等,基于床面层泥沙交换理论、优势流理论,两相流、颗粒流、不平衡输沙等方面的理论成果,采用稳定而有效的数值方法,进行沟道型泥石流动力机制和数值模拟研究,取得了如下主要成果:（1）从无量纲特征值、能量过程、输沙特征和阻力特征等方面阐述了沟道型泥石流的动力特征。泥石流起动需要较大的临界切应力,固体颗粒间的碰撞和摩擦作用对其发展演进具有重要影响;在泥石流的演进过程中,随着颗粒粒径变大,其耗能形式从摩擦向碰撞作用转变;泥石流运动过程中的水沙条件和输沙能力均明显强于天然河流,且从河流过渡到泥石流时含沙量与水沙因子的正相关性将减弱;影响泥石流运动阻力的因素可划分为单效应和双效应两类,前者包括沟道边界条件、沟床含水率和粗颗粒含量等,后者包括细颗粒含量和固体浓度等,并且沟道侵蚀也具有双效应特点。（2）通过分析沟道型泥石流的形成条件和概化过程,建立了泥石流沟道侵蚀起动的力学-随机模型和溃决起动的优势通道模型。力学-随机模型考虑了水流纵向瞬时底速、泥沙颗粒粒径及其内摩擦角的随机性,且能够揭示泥石流侵蚀起动全过程的动态变化;采用样本数据资料分析发现,泥石流形成时d50颗粒的无因次起动流速均为1.0左右,且沟道内无因次推移质输沙率与Takahashi公式计算的临界线基本都在泥石流形成位置相交,验证了模型的可靠性。优势通道模型可以同时考虑沟道堵塞体的侵蚀失稳和管涌破坏,它将沟道内水流流经的堵塞体表面侵蚀沟和堵塞体内部管涌洞定义为优势通道,基于考虑优势通道的渗流场可以实时分析沟道内堵塞体的稳定性。（3）在多层多相介质框架下,建立了考虑分界粒径、相间作用力和沟道侵蚀等特征的泥石流演进模型。根据泥石流演进过程中的输沙特征,讨论了不同输沙模式下泥石流分界粒径的确定方法,建立了基于挟沙力概念的两相紊流输沙模式中分界粒径的确定方法。基于不平衡输沙公式和切应力平衡原理分别提出了描述泥石流沟道侵蚀的输沙力法和切应力法。基于收集的数据资料和动力模型方程的化简计算分析了泥石流的三维立体结构特征:在流向上,泥石流演进特征主要受阻力控制,其引起的固相浓度变化将产生不同的运动特征,从而形成各种泥石流类型,并且流向上还会伴随阵性发展;在垂向上,浓度分布和速度分布特征直接影响着泥石流的动力过程,基于二维恒定均匀流的垂向速度分布计算发现,相间作用对泥石流两相的速度分布特征影响较大;在侧向上,沟道侧蚀对泥石流的形成和演进具有重要影响,且其效果不同于沟床侵蚀。对于目前动力学模型未能揭示的三维特征,应作专门研究,比如沟道横断面上流速的横向分布特征等。（4）采用二阶精度Godunov型格式的有限体积法,通过速度和压力项解耦求解局部Riemann问题,进行了泥石流一维两相演进的数值模拟研究;选择二阶精度的MacCormack-TVD有限差分算法,进行了泥石流二维混合体演进的数值模拟研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 泥石流的文献情势
•     1.2.2 泥石流的动力机制
•     1.2.3 泥石流的数值模拟
•   1.3 现状问题和不足
•   1.4 研究思路及目的
• 第2章 沟道型泥石流的动力特征
•   2.1 泥石流的量纲分析
•     2.1.1 影响因素
•     2.1.2 无量纲量
•   2.2 泥石流的能量过程
•   2.3 泥石流的输沙特征
•   2.4 泥石流的阻力特征
• 第3章 沟道型泥石流的形成机理
•   3.1 泥石流的形成特征
•     3.1.1 形成条件
•     3.1.2 基本模式
•   3.2 沟道侵蚀起动模式
•     3.2.1 力学-随机模型
•     3.2.2 验证与讨论
•   3.3 沟道溃决起动模式
•     3.3.1 优势通道模型
•     3.3.2 验证与讨论
•   3.4 泥石流预警方法评价
• 第4章 沟道型泥石流的演进机理
•   4.1 泥石流的演进模型
•     4.1.1 数学描述
•     4.1.2 分界粒径
•     4.1.3 应力模化
•   4.2 泥石流的侵蚀过程
•     4.2.1 输沙力法
•     4.2.2 切应力法
•   4.3 泥石流的三维特征
•     4.3.1 流向特征
•     4.3.2 垂向特征
•     4.3.3 侧向特征
• 第5章 沟道型泥石流的数值模拟
•   5.1 一维数值模拟
•     5.1.1 数值格式
•     5.1.2 关键问题
•     5.1.3 算例分析
•   5.2 二维数值模拟
•     5.2.1 数值格式
•     5.2.2 算例分析
• 结论与展望
•   结论
•   展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间所取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 乐茂华

导师: 韩其为,方春明

关键词: 泥石流,动力机制,沟道侵蚀起动,沟道溃决起动,力学随机模型,优势通道模型,固液两相流模型,数值模拟

来源: 中国水利水电科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备

单位: 中国水利水电科学研究院

分类号: P642.23

总页数: 119

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