泥石流龙头的形成与特征研究.PDF

水 利 学 报 2017年4月 SHUILI XUEBAO 第48卷 第4期 文章编号：0559-9350（2017）04-0473-07 泥石流龙头的形成及特征研究 1 1，2 3 1 王 洋 ，崔 鹏 ，王兆印 ，梁双庆 （1. 中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所/中国科学院山地灾害与地表重点实验室，四川 成都 610041； 2. 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心，北京 100101；3. 清华大学 水利水电工程系，北京 100084） 摘要：泥石流龙头的高度反映了泥石流的规模，是防治工程的重要参数之一。陡峻的地形、大量松散固体物质、 丰富的水源构成了泥石流发生的三大要素，同时也是影响泥石流龙头高度的重要因素。通过采用均质沙及宽级配 沙进行水槽实验，探究泥石流运动过程中龙头高度与沟道物质级配、流量、坡度之间的关系，提出泥石流龙头高 度随流量、坡度、平均粒径、细沙含量的增加，呈先上升后下降的趋势。利用回归分析方法，采用水流功率的概 念，建立了泥石流龙头高度计算模型，并采用其他科学家的试验数据进行了验证，可为预测不同条件下泥石流规 模提供科学依据。 关键词：泥石流；均质沙；宽级配沙；龙头高度；水流功率 中图分类号：P642.23 文献标志码：A doi ：10.13243/ki.slxb 1 研究背景 泥石流在运动过程中，大颗粒物质向龙头聚集，形成高陡龙头，比龙身和龙尾具有更大的固体 ［1］ ［2-3］ 含量和冲击力 ，下切沟床，冲刷沟岸，撞击排导槽、桥墩，破坏桥梁，堵塞江河，掩埋房屋等 。 泥石流龙头的高度是泥石流危险性评价与防治工程设计中的主要参数，直接关系到泥石流流速、 ［4］ 冲击力等特征参数的计算，是泥石流动力学的重要科学问题之一。魏鸿 提出泥石流冲击力计算模 ［5］ 型均与泥石流深度有关。韦方强等 提出泥石流流深是危险性分区的重要指标。目前，国内外研究 者主要采用理论研究、实验研究及野外调查等三种方法，分析泥石流龙头的形成及特征。Taka⁃ hashi提出泥石流拜格诺膨胀流模型（Bagnolddilatantfluidmodel），建立泥石流运动方程，求解水流 ［6-7］ ［8］ 冲刷沟床形成泥石流流体深度 。Cheng-lungChen 基于宾汉流体方程，提出通用的泥石流黏塑 ［9］ ［10-11］ 流模型；O’Brien等 建立了膨胀塑流模型；Iverson等 提出了复杂泥石流“混合流理论动量守恒 ［12］ 方程”。沈寿长等 通过水槽试验，分析稀性泥石流龙头的形成机制，根据龙头粒径、浓度、阻力 ［13］ 的变化探讨龙头高度的计算方法。王兆印 采用卵石进行水流冲刷沟床沉积物发展形成两相泥石 流的试验，提出龙头的卵石粒径越大，龙头高度越高。泥石流危险性评价与防治工程设计中，龙 ［14］ 头高度多以痕迹观察及模拟计算为主 ，根据野外调查泥石流暴发后在沟岸侧壁上留下的痕迹， ［15］ 计算泥石流平均泥深 ；泥深的模拟计算以泥石流运动方程为基础，用计算流体力学方法求得微 分方程的近似解，求得泥深的时空分布。在野外调查工作中，因自然或人为原因，偏差较大。另 外，平均泥深不能客