稀性泥石流沿程底面侵蚀力学机理及模拟研究

Based on the researches of large-scale debris flows which cause the entrainment of path material and several theories such as applied engineering geology, computational fluid dynamics, rock and soil mechanics, the dynamic mechanism and characteristic rule of turbulent debris flow entrainment of path material, the factors which influence the basal entrainment velocity and the relationship between basal entrainment velocity and main physical variables are analysed by combining with the experiments on the dynamic process of debris flow entrainment along the path acting on the basal surface. Therefore, a general formula which can express the turbulent entrainment velocity of debris flow along the path is concluded. By applying the latter-day computation theories, setting the dynamic model equations which can simulate the dynamic characteristics of entrainment and make couple the entrainment velocity with the variables relative to the entraiment velocity and the entrained terrain, and studying the high-performance and efficient finite-volume numerical method for solving of nonlinear hyperbolic equations, the simulation of turbulent debris flow entrainment of path material along the basal surface is realized so as to provide the basis and theoretical methods for the simulation analysis of early forecast and precaution of disasters.

以具有沿程侵蚀特征的特大泥石流灾害为研究背景，针对稀性泥石流沿程底面侵蚀问题，应用工程地质学、计算流体动力学和岩土力学等理论并通过沿程底面侵蚀动力过程实验，研究稀性泥石流沿程底面侵蚀动力过程的力学机理及特征规律、分析该过程中影响底面侵蚀速率的因素及底面侵蚀速率与主要物理变量的关系，找到能够表现稀性泥石流沿程底面侵蚀速率的公式，应用近代计算理论，建立能够模拟具有沿程底面侵蚀特征稀性泥石流动力过程并有效耦合侵蚀地形及相关变量的泥石流动力模型方程，研究非线性双曲型动力方程组高性能、高效率的有限体积数值求解方法，实现稀性泥石流沿程底面侵蚀动力过程的模拟，从而为该类型泥石流灾害的超前预测预报模拟分析和科学的组织防灾减灾工作提供依据和理论方法。

本项目针对稀性泥石流沿程底面侵蚀这一典型地质灾害为研究对象，研究其在流通发展过程中的底面侵蚀行为。按照基金项目申请书中所列的研究计划开展研究工作，主要的工作内容包括根据试验需要设计并制作了小型侵蚀流通试验装置和变频调速侵蚀测试试验装置和系统，并利用上述试验装置进行了相关试验。通过试验研究，阐释了表观沿程侵蚀现象产生的本质，分析沿程侵蚀现象的产生条件及主要动力要素对其过程的影响，通过数据整理与分析得到了稳定侵蚀影响深度与主要参数间的关系，通过理论分析与推导得到了侵蚀速率公式的表现形式（该形式从理论上证明了现有常用经验侵蚀速率公式的合理性），进而揭示出稀性泥石流沿程底面侵蚀动力过程的部分力学机理。. 在数值计算方法方面结合模型方程理论通过推导建立起具有侵蚀速率项的拉格朗日型泥石流沿程底面侵蚀动力条分模型及其计算格式，所建立的模型具有物理概念明确、静动力分析统一的特点，而所得到的计算格式因具有形式简洁和计算效率高的特点而适用于泥石流及具有流态化大变形特征滑坡等地质灾害的快速动力计算模拟分析，应用所建立的模型和数值求解方法对几个国内外典型灾害进行了反演计算分析，计算所得结果与实际吻合良好。同时，还尝试在原有泥石流演进程序的基础上开发能够正确处理自由边界，模拟不同流动状态并耦合复杂过程方程的三维非稳态模型与程序，几个典型算例的计算分析表明所开发的计算程序能够正确而有效的处理不同流动状态下二维、三维的非稳态流体运动，并能有效耦合复杂动力过程方程，上述建立的数值模型方法和程序的正确性与有效性均已得到数值验证。本项研究所取得的成果可为相关研究提供进一步的参考与借鉴。