粘性泥石流铺床过程的床面减阻机制实验研究

Resistance mechanism is the core issue in the study of debris flow dynamics. In previous studies, the researchers focus on the internal resistance due to the solid-liquid interaction or the rheology. However, the drag reduction is found in viscous debris-flow movement owing to the paving process. In this study, on the base of sediment transport mechanics, soil mechanics and hydrodynamics, we explore the drag-reduction effect and mechanism of the paving process by indoor model experiments and field data. The research includes 1) the formation and change of residual bed-layer in paving process, and the thickness calculation by using boundary layer theory; 2) definition of the optimal parameters (e.g., bulk density, slope, viscosity coefficient, shear strength and initial bed-surface roughness) that lead to the maximal drag-reduction effect; 3) establishment of the bed-layer resistance formula under the energy dissipative system and dimensional analysis. Eventually, we correct these involved parameters using measured data of debris flows in the Jiangjia Gully and propose a universal formula of resistance for viscous debris flow. This study is expected to reveal the mechanism of drag reduction in viscous debris flow and provide a further understanding of the dynamics of debris flow. It will also be helpful for the determination of the rate parameters for engineering design.

泥石流阻力研究是泥石流动力学的核心问题，以前的研究多关注于泥石流固液间相互作用的内部阻力关系，而对粘性泥石流而言，其铺床过程导致的床面减阻尤为重要。本项目拟以泥沙运动力学、土力学和流体力学等理论和方法为基础，通过室内模型实验，研究粘性泥石流铺床过程中残留床层的形成和变化，引入边界层理论，确定残留床层初始厚度和运动床面位置；通过实验数据分析，对比不同参数改变条件下的阻力损失变化，界定产生最大减阻作用的最优坡降、容重、粘性系数、抗剪强度和床面原始糙率等系列参数，分析减阻机制；以能量耗散系统为主要手段，量纲分析为辅助手段，初步建立铺床过程作用下的床面阻力计算公式，并以蒋家沟的实测资料修正相关参数，完善床面阻力公式。本项目针对研究粘性泥石流运动的下垫面阻力变化情况，揭示粘性泥石流低坡高速运动的机制，对于认知粘性泥石流特殊运动过程和其防治工程流速参数的确定有着重要的理论意义。

残留床层是粘性泥石流通过沟床时残留在沟床面上的一层泥石流流体，它对粘性泥石流具有减阻、改变泥深、缓和冲淤、孕育各种流态、塑造特殊地貌形态等多种作用，通过对其的研究能揭示粘性泥石流一系列独特现象的本质。本项目通过室内模型实验探明在铺床过程中残留床层与后续来流的物质交换过程和运动形式，量化不同的实验参数条件——流体条件（粘性泥石流密度、泥石流最大粒径）和沟床条件（铺床粒径D50、纵坡的沟道坡度 ）对初始残留床层形成和变化的影响，并分析这些参数对于粘性泥石流床面摩擦降低、速度变化的影响，探讨其减阻机制。经过了三年的团队努力，我们主要取得以下方面的进展：（1）发明了一种泥石流沿程演化实验测量系统和泥石流试样沿程演化参数测算方法。该系统能够较好模拟泥石流包括稀性、亚粘性、强粘性泥石流性态，模拟泥石流自然性态下的运动过程，克服了现有技术无法有效在室内条件下模拟自然性态泥石流的技术缺陷；（2）发现了铺床厚度在一定范围的情况下，初始泥浆最大粒径，沟床坡度，土水体积比以及铺床粒径均与沟床床面物质起动高度成正比。当铺床厚度达到某一特定值时，这种作用变缓甚至减弱；（3）分析了泥石流动力学参数（流速、流量、泥深）与标度分布的典型参数（μ，Dc）的关系，基于前期发现的泥石流的标度特征，建立基于典型参数的最大流深、最大单宽流量和密度的计算方法。