泥石流对全衬砌排导槽的冲刷磨蚀机理研究

Abrasion of debris flow drainage channel is one of the most important factors for functional status and service life of mitigation works. Research on abrasion characteristics and mechanism of drainage canal seems quite urgent. This study will focus on abrasion mechanism of drainage canal with different lining structures, which used in various debris flow gullies by means of physical theoretical analysis, modeling test, and field site observation. Experimental study on the factors of abrasion of debris flow and drainage canal abrasion characteristics will be carried out by rotate barrel and canal model test. The relationship among debris flow behavior, such as density, velocity, grain composition and last time, drainage canal characteristics of structure and material, and abrasion physics process will be summarized. Calculate method for abrasion rate and amount will be proposed using friction and wear theory and energy method, as well as the service life of typical drainage channel under abrasion effect. The achievement will enhance the research on abrasion of debris flow drainage channel, and direct the design method of drainage channel basing on wear-resisting and durability.

排导槽是防治泥石流最常用的工程措施之一，而泥石流对衬砌结构的冲刷磨蚀是影响排导槽功能及运行寿命的重要因素。针对当前排导槽磨蚀机理不明的局限，本项目拟通过理论分析、模型试验、定位观测验证等手段，系统研究泥石流对全衬砌排导槽的冲刷磨蚀特征和动力学机理。采用旋转磨蚀试验桶和电动循环水槽模型，研究不同容重、流速、颗粒组成和过流历时的泥石流在设定冲刷角度下，对不同结构型式的排导槽的冲刷磨蚀特征，揭示衬砌表面“强度弱化-表面损伤-疲劳累积-局部剥落及拉槽-宏观磨损”的磨蚀过程，分析泥石流磨蚀强度和排导槽耐磨能力的影响因素及其临界条件；基于泥石流动力学模型和流-固磨损理论，充分考虑泥石流两相作用和紊动流态等特性，揭示排导槽衬砌磨蚀的动力学机理并建立磨蚀率计算方法。本项目将可为排导槽耐久性研究和抗磨蚀补强加固对策提供理论基础，对延长排导槽运行寿命和提高防治效益研究具有实际意义。

本项目以西南地区广泛存在的泥石流排导槽冲刷磨蚀破坏现象为研究背景，探讨不同物理性质和运动特征的泥石流对排导槽的冲刷磨蚀机理。基于泥石流的容重高、级配宽、颗粒巨大、结构两相性和阵性脉动等特有属性，通过对全衬砌排导槽结构磨蚀现象开展现场考察、室内实验、理论推导和野外定点观测，探讨不同流速、密度、颗粒级配、泥深和过流历时的泥石流的磨蚀能力及具有不同结构型式和构筑材质特征的排导槽的耐磨蚀性能，建立全衬砌排导槽在泥石流冲刷作用下的磨蚀系数和磨蚀量计算模型。利用泥石流的摩擦学属性和刚体-流体摩擦磨损理论，揭示排导槽的磨粒磨损和疲劳磨损机制。项目取得以下主要成果：.（1）阐明了3种类型泥石流的磨蚀分类和分级方法、动力特征、形貌特征和时空分布特征。通过对川西北映秀-北川断裂带、藏东南帕隆藏布流域和云南大理苍山十八溪3大典型区域的多期次现场考察和长历时资料分析，归纳了全衬砌排导槽的磨蚀形貌特征。通过研究泥石流流速和颗粒级配在排导槽内的分布特征和排导槽横向、纵向和垂向上的磨蚀发展性状，总结了泥石流排导槽磨蚀的空间分布特征和时间变化特征。.（2）揭示了不同性质和动力属性的泥石流对全衬砌排导槽结构的磨蚀强度影响因素和变化规律。通过多参数电动旋转式磨蚀实验桶和多型式衬砌模型水槽，从实验角度分别探讨了泥石流自身磨蚀能力和排导槽抗磨蚀能力，厘清了泥石流流速、密度、颗粒级配、泥深、过流历时和排导槽断面型式、材质强度等因素对磨蚀强度的影响规律。其中，流速与磨蚀量呈正相关关系，且流速越高，对磨蚀强度的影响越明显；颗粒级配对磨蚀系数影响显著，4种不同物料的泥石流中，两种高容重物料对试块的磨蚀强度相对最大，稀性泥石流次之，泥流的磨蚀强度最弱；密度的影响与颗粒级配类似且有相关性，但不如级配变化影响显著；磨蚀历时对磨蚀量和磨蚀速率均影响明显，其中磨蚀量随历时增长而持续增长，但其磨蚀系数随之减小，增速呈逐渐变缓的趋势。.（3）定义了泥石流排导槽的磨蚀系数，提出以磨蚀系数表征泥石流磨蚀强度的理论方法，通过理论推导和实验拟合，建立了基于量纲分析的泥石流排导槽磨蚀系数和磨蚀量的计算模型，推导了质量磨蚀系数的量纲表达式和两种磨蚀量预测计算公式。.（4）基于流体力学理论和摩擦磨损理论，阐释了泥石流排导槽磨粒磨损和疲劳磨损的磨蚀机制，初步建立了排导槽耐磨优化设计方法。