固液两相泥石流动力过程与沟道演化的物理模型与计算模拟

Debris flows are classical two-phase flows. The evolution of volume fraction of solid phase, basal entrainment play a signifcant role on its rheological behavior, dynamic characteristics and volume amplification. The interaction between the solid phase and liquid phase is a main distinction of debris flow from other earth-surfaced flows. This project focuses on the interaction between solid phase and liquid phase and the interaction between debis flow and gully evolution to reveal dynamic mechanism of volume amplification. The project is aim to give a computational method of interaction force between solid phase and liquid phase as well as basal and lateral entrainment rate. Adopting MPI and remeshing algorithm to develop an advanced platform of numerical modeling of debris flow. Through this project, we would solve two key difficulties, such as interaction between solid phase and liquid phase on erodible beds and huge computational task of natural debris flow. It is helpful for numerical modeling of dynamic process and risk evaluation of debris flow.

泥石流是一种典型固液两相流，其运动过程中伴随着固液体积分数变化、沟道侵蚀和侧面失稳坍塌现象对泥石流流变特性、动力学表征、及其规模放大效应具有重要影响。本项目围绕泥石流区别其他滑坡、山洪等重力地表流的主要特征—固液相互作用—为核心，研究泥石流对底床的侵蚀和侧面失稳坍塌作用与反作用，揭示导致泥石流规模放大的动力学机制。研究试图建立泥石流粘性液相与固体颗粒之间相互作用力以及侵蚀率和侧面失稳判据计算方法，构建固液两相泥石流-沟道演化物理模型，采用并行计算和网格重划分高效计算算法，开发能应用于真实条件下的泥石流动力学计算模拟软件或平台。通过本项目的研究，解决泥石流在动床下固液相互作用和真实流域条件下复杂计算两大关键难点问题，对更加准确的模拟泥石流灾害动力学过程和泥石流灾害定量风险评估具有重要的科学意义。

本项目的研究目标是通过对固液两相泥石流运动-沟道演化动力学过程的研究，揭示泥石流沟床侵蚀和固液相互作用特征，建立相应沟道侵蚀和动力学模型，开展泥石流固液相动力演化和沟道侵蚀与淤积过程数值模拟研究。在本项目支持下，申请人分别建立不同适用条件下耦合沟道侵蚀效应的两相泥石流动力学模型和相应的计算方法。首先，通过对泥石流固液两相进行均一化处理，建立了均一化泥石流动力学模型，计算模拟结果能够很好的反映白龙江两水镇泥石流沟历史灾害事件，该模型和方法参数较少且计算效率高，能够为泥石流沟精细化和定量风险评估提供技术手段；其次，基于深度积分连续介质力学方法建立了固相两相泥石流物理模型，提出了基于固液体积分数的基底侵蚀模型，并与室内模型实验进行对比验证；另外，基于离散元和深度积分连续介质力学方法，建立的连续（液相）-离散（固相）两相流模型，解决传统连续-离散模型计算效率问题。.项目负责人以第一作者或通讯作者在Engineering Geology，Landslides等知名期刊上发表SCI论文8篇（均标注基金资助，其中JCR一区论文5篇），另有2篇SCI论文审稿当中，获得软件著作权3项，完成预期成果目标。基于前述基础研究成果，项目组进一步完善了地表过程动力学模拟软件(Massflow)泥石流模块，并开放共享给国内外科研机构和工程技术人员。当前其他研究人员利用Massflow发表泥石流相关SCI论文3篇，中文期刊3篇，并有多人以Massflow为基础完成其核心研究内容的硕士博士研究生毕业。