恒定非均匀泥石流坝后冲刷动力过程与机理研究

Moving bed erosion of debris flow is more complex than that of water flow. The formation and development of scour pit downstream of debris flow sabo dam is one of the most critical dynamical problems during moving bed erosion process, which determines the dam safety and design parameters of auxiliary dam, apron and energy dissipation facilities. There are many key scientific issues about scour pit such as fluid characteristics and dynamics process of mud tongue, resistance to impact process of moving bed materials, fluid-structure interaction and energy dissipation. However, there is few relevant research at home and abroad. Based on the early study of scour pit's ultimate form, this application mainly carry out research for above dynamics process of scour pit. Combined mechnism analysis and flume experiments, the discharge pattern and fluid mechanical characteristics of constant nonuniform debris flow mud tongue will be verified. Scouring action mechanisms downstream of debris flow sabo dam and resistance to impact process of moving bed will also be understood. In this way，we can estabilish the erosion dynamics model downstream fo sabo dam. This study will make up for the weakness of debris flow scouring and channel erosion in recent years and deepen basic theory, and provide scientific support and design parameters for disaster prevention and mitigation.

泥石流动床冲刷远比水流冲刷复杂，坝后冲刷坑的形成与发展是泥石流动床冲刷过程中最关键的动力学问题之一，其过程与终极形态直接维系泥石流拦挡坝的安全及副坝、护坦和消能设施设计参数的确定。泥石流泥舌的流体特征和动力学过程、动床物质的抗冲动力过程、坑内流固耦合、能量耗散等是泥石流坝后侵蚀坑研究的关键科学问题，但国内外鲜有相关研究。在前期针对侵蚀坑的终极形态问题研究的基础上，本申请针对上述侵蚀坑动力学过程方面开展深入研究。从力学的角度出发结合水槽实验，探明恒定非均匀泥石流泥舌的下泄型态和流体力学特征，明晰泥石流坝后冲刷作用的力学机制和动床物质的抗冲动力过程，建立恒定非均匀泥石流坝后冲刷动力学模型。本研究可以进一步弥补近年来在泥石流冲刷和沟道侵蚀方面研究的不足；深化泥石流冲刷基础理论研究，为泥石流冲刷灾害的防治提供科学合理的依据和工程设计参数。

泥石流拦砂坝坝后冲刷坑的形成与发展是泥石流动床冲刷过程中最关键的动力学问题之一，其过程与终极形态直接维系泥石流拦挡坝的安全及副坝、护坦和消能设施设计参数的确定。然而，在泥石流拦砂坝坝后冲刷尤其是其动力学过程研究方面，国内外没有或者没有完全解决过坝泥石流的流体力学特性及冲击力分布模型、沟道泥沙堆积体的抗冲击能力等问题。本项目针对泥石流拦砂坝坝后冲刷坑形成的动力过程，通过土工试验、水槽实验和力学分析，探讨了恒定非均匀泥石流泥舌的冲刷动力过程及沟床堆积体的抗冲动力过程，并由此建立了恒定非均匀泥石流坝后冲刷动力学模型。经过了四年的团队努力，我们主要取得以下方面的进展：（1）通过对恒定非均匀泥石流下泄型态分析，利用水力学方法结合泥石流性质，确定了泥舌运动轨迹及动力学特征；（2）基于动量方程，结合泥舌流线方程和沟床入射条件等边界条件，对泥舌的流体力学特征进行分析，建立了恒定非均匀泥石流泥舌的冲击力模型；（3）基于物性实验、三轴实验、直剪试验及渗透试验，探明了粘性颗粒作用下的沟床堆积体的强度特征及渗透性规律，并对沟床堆积体微元进行受力分析，建立了恒定非均匀泥石流作用下沟床堆积体的抗泥石流冲击力模型；（4）将泥石流泥舌冲击力模型与沟床堆积体的抗泥石流冲击力模型根据力学原理进行耦合分析，建立了恒定非均匀泥石流坝后侵蚀动力学模型，并通过数值模拟验证了恒定非均匀泥石流坝后侵蚀的动力学模型的合理性。本项目所建立的恒定非均匀泥石流坝后侵蚀动力学模型，可进一步明确泥石流坝后冲刷坑的形态和范围，为泥石流拦挡坝基础设计、下游消能设施的布设提供科学依据。