非均質土石流形成過程動力學模型研究

《非均質土石流形成過程動力學模型研究》是依託北京師範大學，由舒安平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非均質土石流形成過程動力學模型研究
• 依託單位：北京師範大學
• 項目負責人：舒安平
• 項目類別：面上項目

項目摘要

近年來隨著全球氣候變化及地殼活動頻繁加劇，我國土石流災害尚有加重之勢，土石流問題已受到了人們的高度關注。本項目明確以我國普遍存在的非均質土石流（連續兩相流）為研究對象，首先通過土石流形成過程模擬實驗，研究非均質土石流形成過程不同組分顆粒起動、液流化動力學過程及特徵，揭示粗細顆粒分選分相過程的力學機制；基於泥沙運動力學、侵蝕動力學、土力學等理論方法，結合土石流模擬實驗成果，建立土石流形成過程動力學關係式，並進一步套用能量線性理論探究土石流形成過程的能量轉化規律及平衡方程，從而構建非均質土石流形成過程的動力學模型；並套用蔣家溝等實測資料對動力學模型進行驗證與完善，最終實現非均質土石流形成過程的動態模擬。本項目研究成果不僅可豐富環境流體力學及土石流學科的內容，而且為合理布置土石流防治工程及科學預報土石流災害提供科技支持，對土石流防災減災具有重要意義。

結題摘要

本項目研究以我國普遍存在的非均質土石流為研究對象，基於非牛頓體動力學模型、固液兩相流模型以及能量耗散理論等多學科理論，對非均質土石流形成過程動力學問題進行了系統模擬實驗和理論研究，通過分析非均質土石流形成過程中流速、水位、容重、孔隙水壓等水力泥沙因子沿程變化特點，揭示非均質土石流形成過程中的土石流顆粒起動、顆粒混摻和固液兩相流形成三個階段的動力學特徵，並運用SPSS等工具軟體對影響土石流顆粒起動的主要因子的貢獻度由大到小依次排序為：土體初始含水量、土體顆粒鋪設方式、坡度、流量、中值粒徑，對影響土石流流速因子的貢獻度由大到小依次排序為：流量、坡度、土體顆粒鋪設方式、土體初始含水量、中值粒徑。通過分析沿程孔隙水壓力和堆積物級配的變化特點，揭示了非均質土石流形成機理以及孔隙水壓力達到峰值時誘發大規模土石流起動規律；基於shields數及床面切應力力學分析方法，建立了非均質土石流形成起動判別式；根據實驗中流速、水深、容重等觀測數據繪製了土石流形成過程能量分布曲線，分析土石流形成過程中勢能逐漸轉化為動能特點，揭示總能量不變、但在堆積區能量耗散顯著衰減的規律；最後基於光滑粒子流法（smooth particle hydrodynamics，SPH）初步建立非均質土石流形成過程動力學模型，並結合蔣家溝等野外觀測實驗數據加以驗證和套用。本項目研究成果對豐富土石流學科內容及提高我國土石流監測預報與防災減災水平具有重要現實意義。