动水作用下泥石流堵塞大河判据研究

An increasing debris flow damming-rivers frequently occurred, causing great amount of economic loss for local facilities. Currently, study about debris flow damming-river focused on criteria by energy balance while few researches concentrated on the blocking when debris flow is affected by moving water in a large river. This study carried out field investigations about damming river cases and flume tests, to analyze the phenomena of damming river by debris flow, which can summarize the damming model. Then, method to estimate damming river by debris flow and the critical criteria are summarized. The dynamic function that expressed the movement when debris flow move in a large river were established by density current model, constitutive equations of Newtonian and non-Newtonian fluid, to simulate the moving behavior when debris flow travel in a mixing field. Then the dynamic criteria when debris flow travel in hydrodynamic conditions can be established. Based on renormalization, seepage theory, particle mode of debris flow can be obtained to find out the stable organizations of debris flow dam in a large river, which can be used to establish the statics criteria of damming river by debris flows.

近年来，由强震和极端天气的影响，泥石流规模放大，泥石流堵塞大河事件频发，且由泥石流堵河形成的灾害链效应造成的经济损失难以估量。目前关于泥石流堵河判据的研究大都是基于能量平衡的临界判据，适用于完全堵断主河，对动水作用下泥石流局部阻塞大河或潜坝堵塞大河判据的研究甚微。本项目拟通过对泥石流堵塞大河典型工点勘察和泥石流堵河水槽实验的数据及现象的分析，提出泥石流堵河模式的判别方法与判别指标；依据异重流理论建立动水作用下泥石流在主河水下运动的泥石流龙头运动计算模型；依据主河水流（牛顿流体）与泥石流（非牛顿流体）的本构方程，建立泥石流与主河水流相互作用的动力学模型，模拟泥石流在混合场中演进堆积的动力学过程，提出基于泥石流与主河水动力效应的泥石流堵河动力学判据。基于重正化群理论、渗流理论建立泥石流颗粒架构模型，提出泥石流在主河中形成稳定坝体的颗粒组构条件，建立泥石流堵河的静力学判据。

项目以西部山区岷江流域映秀至汶川段泥石流堵塞大河事件为研究对象，开展如下工作并取得相应成果：.1、通过现场调查、ArcGIS遥感解译、历史堵河资料分析，给出泥石流堵塞大河的模式。基于ArcGIS分析泥石流堵河的影响因素，给出支沟发生泥石流的可能性，并绘制泥石流发生可能性图，结合泥石流沟与主河之间的关系，计算泥石流堵河危险性，给出泥石流沟堵河的危险性分布图。该研究可为在建工程判断沿河沟道发生泥石流及泥石流堵河的可能性提供了理论判别依据，降低工程在建设及使用中的风险。.2、泥石流能否堵河取决泥石流与主河的动量比，基于泥石流运动剪切力方程，给出泥石流流速计算公式。并利用案例进行验证，效果较好。该研究可用于计算泥石流运移距离，泥石流对建筑物的冲击力，在工程实践中为工程的建设选址及建筑物的材料选取提供理论依据。.3、开展了泥石流堵河水槽实验，观察不同体积、容重下的泥石流堵河模式，泥石流堆积扇，记录泥石流在主槽中的运移距离，计算了泥石流在支槽内运动的平均流速，主河水流断面处的平均流速。并对比分析了实验中水石流和粘性泥石流堵河现象，分析堆积扇的几何形状，动量比，堵塞系数，堆积扇宽度比，上游相对水位和动态相似性表明，水石流以较高的速度行进，形成具有粗糙表面的长矩形沉积区域，粘性泥石流以较低的速度行进，形成具有平坦表面的扇形沉积区域。在全堵情况下，相对水位峰值表明，粘性泥石流堵河风险高于水石流。随着堵塞系数增加，粘性泥石流堆积扇会往下游偏转。相似性分析发现，粘性泥石流的流动阻力高于水石流，其运动主要受颗粒碰撞应力，这表明水石流与水流强相互作用。粘性泥石流运动主要受粘性剪切力控制，内部颗粒与水流弱相互作用。.4、泥石流坝体的物质组构是泥石流在主河中能否形成稳定坝体的重要影响因素，通过开展不同物质组构下的堰塞体溃决实验，对实验现象观察与分析，实验脉动水压力数据分析，结果表明，随着粗颗粒含量的增加堰塞体趋于稳定，在粗颗粒超过50%，坝体趋于稳定。.5、初步建立了泥石流堵河模拟平台。该平台处于完善阶段。.该项目的研究促进了泥石流专业知识的发展，并可为山区大型工程的建设提供理论依据及技术支撑。