大型泥石流动力过程的数值模拟研究—以舟曲泥石流为例

当前，全球气候变暖，极端暴雨天气频现，加上汶川地震引发大量岩体崩滑及地表裸露破碎，地震影响区降雨、物源和地形三者因素叠加，导致发生泥石流灾害的概率大增，使得泥石流灾害成为西部山区最严重自然灾害之一。研究泥石流的动力过程，圈定泥石流的危害范围，规避泥石流运动路径，是降低泥石流危害的最有效途径之一。因此，本项目以舟曲特大泥石流灾害为研究对象，以现场勘测和室内实验为基础，以构建泥石流固液两相流物理模型为重心，以三维数值模拟方法为主要手段，以泥石流动力过程为研究重点，模拟再现舟曲泥石流动力过程，揭示泥石流灾害的运动机理，构建大型泥石流危害范围计算平台，为西部山区重大工程选址和城镇建设提供技术支撑，对我国西部山区泥石流灾害的减灾防灾具有重要的科学意义。

随着全球极端气候的频繁出现，发生大型灾害性山地灾害的风险急剧增大。全球每年都在发生一系列对人类生命财产造成重大损失的泥石流灾害。因此，开发可靠的定量灾害预测和风险评估方法具有重要的科学和现实意义。在本青年基金的资助下，项目负责人自主编程开发的山地灾害动力学数值模拟软件能够有效的提升我国滑坡、泥石流等灾害的动力学研究和风险评估能力。.项目负责人重构了广泛使用的考虑沟床侵蚀的广义深度积分模型，指出和修正了现有模型的不足。提出了界面处的侵蚀或者沉积率必须满足物理间断条件，并发现当前物理间断条件与空气动力学常用的Rankine-Hugoniot条件一致。时间和空间二阶精度的MacCormack-TVD有限差分方法被拓展求解当前偏微分方程组，编写相关软件并获得相关软件著作权。开展了一系列数值模拟计算（一维和两维度溃坝, 真实滑坡和泥石流）验证计算的正确性和可靠性。鉴于库伦摩擦（不能揭示速度依赖关系）和Voellmy摩擦模型（其摩擦角远小于停淤角）各自缺点，提出了新的侵蚀率模型揭示Stop-to-go 机制。通过与USGS大型水槽实验和红椿沟泥石流数值模拟，验证了动量守恒方程中动量交换项重要性。首次基于物理间断条件，提出了基于两相流模型的侵蚀率模型，并构建了考虑侵蚀的深度积分固液两相流模型，并编程计算和验证了当前计算模型的可靠性。