入汇主河的泥石流龙头运动机理研究.pdfVIP

水 利 学 报 2004 年1 月 SHUILI XUEBAO 第1 期 文章编号：0559-9350 (2004) 01-0011-06 入汇主河的泥石流龙头运动机理研究 陈春光，姚令侃，杨庆华 (西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031) 摘要：摘要：作者基于野外观测资料和模型试验，提出了泥石流与主河交汇的两种模式，即：有上下分层交汇和无 明显分层的潜入式交汇。建立了潜入式交汇的泥石流龙头运动方程，并讨论了模型参数的取值。计算结果得到以下 结论：当主河水流费劳德数比较小(Fr＜0.35)时，入汇主河泥石流龙头在主河的运动速度近似以线性减速，且与试 验值吻合较好；混合流粘滞系数和绕流系数对龙头运动速度影响较大；泥砂沉降速度对龙头内部体积比浓度有显著 影响。 关键词：泥石流；模型试验；交汇；运动方程 中图分类号：P642.23 文献标识码：A 泥石流与主河交汇问题的研究开始于20 世纪40 年代，Taylor ［1］和Webber ［2］主要研究了入汇条件下 的水流混合问题。20 世纪80 年代以来泥沙运动与河床演变已在干支流交汇研究中得到考虑，如Mosley ［3］ 对这类汇流问题进行了较系统的研究。目前，鲜见泥石流入汇主河方面的研究报道。Schmidet ［4］和Webb ［5］ 等人曾对支沟泥石流入汇到科罗拉多河进行了研究，而讨论却是科罗拉多河的泥沙收支问题和主河水流冲 刷改造泥石流堆积体的条件，没有涉及到泥石流与主河水流的交汇机理。陈德明［6］通过试验发现了泥石流 与主河水流相互作用的四种模式；根据泥石流沉积时呈扇形展开的实验现象，用一维方程组建立起适用于 泥石流单一沉积过程中的二维问题，并求出了不考虑与考虑主河对岸影响两种情形下的理论分析解；在泥 石流单一沉积的理论方程和泥石流与主河交汇机理的基础上，建立起“部分堵河模式”、“潜入模式”和“掺 混并潜入模式”的水流与泥石流动力学方程组，并求出了三种模式的理论解。另外，过去对泥石流与主河 的交汇研究，由于观测上的难度，多采用事后对河道地形的勘测来取得第一手资料，但由于主河对泥石流 堆积物的搬运，这种资料很难反映当时的交汇情况。本研究试图利用有限的野外实地观测资料，再加上室 内模型试验，用另一种视角认识泥石流与主河交汇初期相互作用机理，并提出合理的交汇模式和理论方程。 1 野外观测与模型试验 在泥石流与主河交汇研究中，大多数实测资料是发生以后观测到 的泥石流的堆积物。采用中国科学院东川泥石流观测站2001 年7 月9 日蒋家沟与小江的一次泥石流交汇录像资料，可以得到水平方向泥石 流入汇龙头运动的分析结果(见图1)，图中　U 　0 为入汇口初速度。 从实地录像资料发现当汹涌的泥石流进入深而宽阔的主河时，立刻引 图1 蒋家沟泥石流与小江交汇分析 起河水局部水面抬高，水面上部龙头颜色由深色逐渐变为浅色，但速 度减小缓慢。 收稿日期：2002-09-20 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目 作者简介：陈春光(1959-)，男，陕西汉中人，副教授，主要从事铁道与道路灾害防治方面的研究工作。 11 水 利 学 报 2004 年1 月 SHUILI XUEBAO 第1 期 由于野外观测的难度，不可能对入汇泥石流龙头进行多方位、近距离的观测。为此，本研究主要依靠 室内模型试验进行研究。关于泥石流研究的模型试验，国内外已有不少报道，但针对泥石流与主河水流交 汇的试验还比较少。本文着重在研究入汇初期泥石流与主河的相互作用方面开展模型试验。模型试验是在 中国科学院成都山地灾害与环境研究所室内模型试验的基础上，有针对性进行的补加试验。补加试验是在 西南交通大学水利实验室试验水槽进行，主水槽长 20m，宽30cm，支槽长 5m，宽 10cm。为了加料方便和 准确，在支槽的一端专门加装了一个加料装置。主槽