稀性土石流沿程底面侵蝕力學機理及模擬研究

《稀性土石流沿程底面侵蝕力學機理及模擬研究》是依託東北大學，由樊贇贇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：稀性土石流沿程底面侵蝕力學機理及模擬研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：樊贇贇
• 依託單位：東北大學

中文摘要

以具有沿程侵蝕特徵的特大土石流災害為研究背景，針對稀性土石流沿程底面侵蝕問題，套用工程地質學、計算流體動力學和岩土力學等理論並通過沿程底面侵蝕動力過程實驗，研究稀性土石流沿程底面侵蝕動力過程的力學機理及特徵規律、分析該過程中影響底面侵蝕速率的因素及底面侵蝕速率與主要物理變數的關係，找到能夠表現稀性土石流沿程底面侵蝕速率的公式，套用近代計算理論，建立能夠模擬具有沿程底面侵蝕特徵稀性土石流動力過程並有效耦合侵蝕地形及相關變數的土石流動力模型方程，研究非線性雙曲型動力方程組高性能、高效率的有限體積數值求解方法，實現稀性土石流沿程底面侵蝕動力過程的模擬，從而為該類型土石流災害的超前預測預報模擬分析和科學的組織防災減災工作提供依據和理論方法。

結題摘要

本項目針對稀性土石流沿程底面侵蝕這一典型地質災害為研究對象，研究其在流通發展過程中的底面侵蝕行為。按照基金項目申請書中所列的研究計畫開展研究工作，主要的工作內容包括根據試驗需要設計並製作了小型侵蝕流通試驗裝置和變頻調速侵蝕測試試驗裝置和系統，並利用上述試驗裝置進行了相關試驗。通過試驗研究，闡釋了表觀沿程侵蝕現象產生的本質，分析沿程侵蝕現象的產生條件及主要動力要素對其過程的影響，通過數據整理與分析得到了穩定侵蝕影響深度與主要參數間的關係，通過理論分析與推導得到了侵蝕速率公式的表現形式（該形式從理論上證明了現有常用經驗侵蝕速率公式的合理性），進而揭示出稀性土石流沿程底面侵蝕動力過程的部分力學機理。在數值計算方法方面結合模型方程理論通過推導建立起具有侵蝕速率項的拉格朗日型土石流沿程底面侵蝕動力條分模型及其計算格式，所建立的模型具有物理概念明確、靜動力分析統一的特點，而所得到的計算格式因具有形式簡潔和計算效率高的特點而適用於土石流及具有流態化大變形特徵滑坡等地質災害的快速動力計算模擬分析，套用所建立的模型和數值求解方法對幾個國內外典型災害進行了反演計算分析，計算所得結果與實際吻合良好。同時，還嘗試在原有土石流演進程式的基礎上開發能夠正確處理自由邊界，模擬不同流動狀態並耦合複雜過程方程的三維非穩態模型與程式，幾個典型算例的計算分析表明所開發的計算程式能夠正確而有效的處理不同流動狀態下二維、三維的非穩態流體運動，並能有效耦合複雜動力過程方程，上述建立的數值模型方法和程式的正確性與有效性均已得到數值驗證。本項研究所取得的成果可為相關研究提供進一步的參考與借鑑。