黏性泥石流残留层的床面减阻研究综述.pdf

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1、泥沙研究2016年6月JournalofSedimentResearch第3期文章编号：0468—155X(2016)03—0072—09黏性泥石流残留层的床面减阻研究综述刘晶晶，李泳(1．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京2100982．中国科学院一水利部成都山地灾害与环境研究所，四川成都610041；3．中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都610041)摘要：黏性泥石流运动理论的核心问题在于确定黏性泥石流运动阻力和流速。但由于其运动的复杂、流态的多样，导致了阻力准确计算的困难，也制约了泥石流运动流速和流量公式的建立和推广应用。关于黏性泥石流的运动阻力问题

2、，目前多聚焦于泥石流固液间相互作用的内部阻力关系，鲜见对于其床面阻力的研究。介绍了黏性泥石流的典型运动过程一“铺床”，描述了铺床过程形成的残留层导致床面减阻现象，概述了目前国内外各泥石流运动模型对泥石流阻力的研究，并总结了残留层导致减阻的可能原因和目前多采用的床面阻力计算方法。认为残留层导致的复杂减阻效应，是黏性泥石流运动尤其是高速运动研究中不可忽视的一部分，但目前各类模型和水力学经验公式都无法概化黏性泥石流运动床面的阻力变化。鉴于此，提出了未来可开展的工作：(1)认知“铺床”导致的残留层的形成和发展过程；(2)探讨残留层床面减阻机制；(3)研究残留层床面阻力计算。关键词：黏性泥石流；铺床；

3、残留层；减阻；床面阻力中图分类号：TV144文献标识码：BDOI：10．16239／．．cnki．0468—155X．2016．03．O11泥石流是一种完全不同于清水或一般挟沙水流的多相流体，是介于土体和水体之间的过渡性流体’。其分类方法众多，按照泥石流浓度或容重，可分为黏性泥石流、稀性泥石流、水石流、泥流和高含沙水流五个亚类，这是目前接受度最高，也是工程设计中最为常用的分类方法。。其中，最典型且危害最大的类型是黏性泥石流。。。黏性泥石流属于非均质、非恒定的非牛顿流体，其运动主要由沿着陡峻坡面或沟道产生的自身重力、内部运动阻力和床面阻力决定。在黏性泥石流的运动过程中，流体性质和流动特征随时空

4、变化显著，根据沟床条件和阵性流中所处的部位不同，可呈现：①浪花飞溅、巨石翻腾的紊流’；②表面平滑、流线大致平行的似层流卜“；③表面平静、流动缓慢的蠕动流¨；④流速很快，形态变化不大，泥石流仿佛在沟床上滑动前进的滑动流¨；⑤表面光滑，呈波浪式前进的波动流¨。在蒋家沟的野外观测中可以发现，典型的黏性泥石流，往往头部是紊流，身部和尾部是层流，甚至在仅500m距离的沟床内，流态迅速变化，从紊流转化为层流、波动流，直至蠕动流。黏性泥石流运动过程变化如此复杂，使得目前多采用的各类模拟泥石流运动的模型，如Bingham模型19]、Bagnold模型、黏弹性模型、颗粒流模型、两相流模型都只能描述黏性泥石流运

5、动过程中的一部分运动现象，很难全面地表现出整个运动过程。并且，以往研究者认为黏性泥石流的阻力主要来自其本身的高黏性(其黏滞系数为清水的数十倍甚至几百倍)以及大量固体颗粒在运动中相互作用而产生的阻力，所以目前黏性泥石流内部阻力的研究远多于床面阻力的研究。“铺床”现象是黏性泥石流区别于高含沙水流和稀性泥石流的特殊运动方式。铺床后，在沟道中形成的残留层极大地改变了后续来流的边界条件，导致后续泥石流能在低能坡的沟道中高速运动。残留层导致的复杂减阻效应是黏性泥收稿日期：2015—04—03基金项目：中国科学院西部之光重点项目(Y5R2040040)；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放基金项目(

6、2015491011)作者简介：刘晶晶(1981一)，女，四川成都人，副研究员，博士，主要从事山地灾害及防治方面研究。E-mail：chouchoujj@163．com72后期关于泥石流阻力方面的研究，主要是在假定固体颗粒均匀分布于流体的基础上，通过本构关系从理论上推求泥石流的阻力关系。具有代表性的流体模型主要为：(1)Bingham模型，将泥石流体视为Bingham均质体，主要考虑泥石流中流体的作用，忽略粗颗粒对阻力的影响，从而建立泥石流运动阻力方程=f口+叼Z(1)式中e为黏性泥石流的屈服应力；田为液相动力黏滞系数；z为剪切速率。但这类本构关系认为泥石流中只有Bingham极限屈服应力和

7、细颗粒土体的分子黏性力，甚少考虑粗颗粒的作用，所建立的泥石流运动阻力方程不适用于水石流、稀性泥石流或黏性泥石流，仅仅适用于细颗粒为主要成分的泥流。周必凡将Bingham模型计算的阻力与试验数据进行对比，发现偏差达到一76％～81％。其后，ChenH基于Bingham流体方程，考虑了粗颗粒的部分作用，提出了一个通用的泥石流黏塑流模型，以此推求泥石流阻力，但效果也不尽理想。(2)Bagnold。。模型，将泥石流流