泥石流龙头运动的实验研究和能量理论.pdfVIP

泥石流龙头运动的实验研究及能量理论 王兆印 国际泥沙研究培训中心 泥石流由水流迅速混入大量固体碎屑物质发展而成，这种发展演变过程有三种不同类型：第一种是 滑坡物质冲入水流与水流掺混形成泥石流，Schuster列举了许多这样的例子，第二种是水流冲刷淘床沉积 物发展形成泥石流，本文作者观测到泄水冲刷沟道沉积物形成的泥石流并作过实验研究。第三种是坡积 物和河岸滩沉积物在降雨冲刷下坍塌带入水流形成泥石流，小江流域的许多泥石流就是这样形成的。第 一种形成后伴随着粗大颗粒的沉积而沿程稀化，第二、三种则沿程含沙量增大。由于山区淘床上多为卵 石，第二种往往形成水石流，而第一、三种形成粗细混合的泥石流。第一种要求的坡降较大，第二种和 第三种要求的坡降较小。本文研究第二种泥石流形成过程。 泥石流的运动力学性质在很大程度上取决于固体物的浓度及组成。东川泥石流观测研究站将泥石流 划分为牯性、亚粘性和稀性泥石流，主要反映了细颗粒的影响，适用于具有细颗粒物质构成的泥石流淘。 本文作者根据运动机理和泥石流组成的不同，把泥石流划分为粘滞性泥石流和两相泥石流。前者由牯土、 沙和砾石组成混台体，以间歌流，“铺床过程”、减阻现象、沉积物不分选为特征，液体和固体之间无明 显的相对运动。后者由大石块和砾石构成固相，水和少量粘土沙构成液相。典型的两相泥石流常见于日 本和中国小江左侧豆腐沟，其头部高而陡，俗称“龙头”，由滚动、碰撞并发出隆隆声的大石块组成，液 相是牛顿体，液固相之同存在明显的相对运动。 以往的研究中，最重要的简化是连续介质假设。把泥石流看作宾汉流体、膨张流体、或粘塑性流体， 建立本构方程并由力的平衡求解流速分布。或把固相作为连续介质，这些方法可解出相对的垂向流速分 布。但对于泥石流的平均速度和阻力，只能采用估计糙率系数的方法粗略计算。泥石流介于固体和流体 之间．用流体本构方程的方法不适应。本研究采用多种卵石进行水流冲刷淘床沉积物发展形成两相泥石 流(第二种)的实验研究，重点研究泥石流龙头的形成和发展，建立了能量理论解释泥石流的形成与运 动机理。 一、实驻过程及主要结果 试验在一个10m长、50cm宽、可调坡度为o。～30。的泥石流槽中进行，采用了5种天然沙和从5～ 大3倍，但仍为牛顿流体。表1给出了实验的主要参数。实验时先在水槽中铺上90cm厚的卵石，再将清 水或稀泥浆按一定流量从进口放入，流量用电磁流量计测量，用电动阀门自动控制。在槽尾用一1．5m直 径的漏斗形旋转定时取样器兼集沙器收集卵石和取样。分析得出泥石流头部含水量和后续流的卵石含量、 输沙率以及颗粒级配。在水槽上方和侧面用两台摄相机纪录泥石流的发生、发展和运动过程，以此分析 泥石流中卵石的速度和浓度分布。共进行了4D个组次试验，表2给出了实验的主要结果．其中g为上游 进口单宽水流流量，“a为龙头的运动速度·即泥石流的运动速度，％为后续流液相的表面流速，为龙头 卵石含量．s为泥石流主体平均卵石含量，g。为单宽推移质输沙率。“*为用推导出的公式(13)计算出 的龙头速度。 表1 实验沙样的主要参数 实验沙样 卵石I 卵石I 卵石Ⅱ 卵石Ⅳ 卵石V 粒径范围(ram) 5～10 5～23 5～50 5～gO 5～90 中径dw(ram) 7·3 10．3 20 26 34 休止角(。) 33 40 蚰 44·5 45 孔隙宰p(蹦) 40 38 37 37 36 渣相 水 水和泥浆 水和泥浆 水 水 坡降J(“) 6～25 8～30 l5～38 25～38 25～38 平均龙头高度 4．0 5．5 12 15 I6．5 ·322· 专题研究篇