非均质泥石流起动判别关系式-水利学报.pdf

水 利 学 报 2017年7月 SHUILI XUEBAO 第48卷 第7期 文章编号：0559-9350（2017）07-0757-08 非均质泥石流起动判别关系式 1 1，2 1 1 3 舒安平 ，张 欣 ，段国胜 ，王 澍 ，师 哲 （1. 北京师范大学 环境学院 水沙科学教育部重点实验室，北京 100875； 2. 水利部国际经济技术合作交流中心，北京 100053；3. 长江科学院 水土保持研究所，湖北 武汉 430000） 摘要：在我国西部山区每年汛期发生不同程度的泥石流灾害，认识非均质泥石流（又称黏性泥石流）的形成机 理，判识泥石流的发生条件是准确预测预报泥石流的基础。本文通过48组正交的水槽实验，模拟非均质泥石流 形成的动力过程，分析相关起动因子的量化关系。基于泥沙运动力学理论，将Shields数（又称希尔兹数）列为判 识泥石流固体颗粒起动的重要参数，分析非均质系数（颗粒铺设方式）、水流量等水沙因子对泥石流起动的响应关 系。进一步从泥沙颗粒的受力角度，以水流剪切力与颗粒起动临界剪切力的比值（即起动判别式）作为表征泥石流 颗粒起动的参数（其值大于1时表示泥石流颗粒处于起动状态），分别应用Shields起动拖曳力曲线的整体拟合公式 和分段拟合公式两种形式，初步建立了非均质泥石流颗粒起动判别式。通过应用蒋家沟实测资料进行验证，表明 以Shields起动拖曳力曲线的整体拟合公式得出的起动判别式误差较小，可以应用于泥石流起动条件与致灾临界 条件的判识，对我国泥石流防灾减灾具有重要参考价值。 关键词：非均质泥石流；起动过程；Shields数；起动判别关系式 中图分类号：TV144 文献标识码：A doi ：10.13243/ki.slxb 1 研究背景 泥石流是广泛发生在世界各地的一种常见的自然灾害。一般来说，陡峻山坡、大量松散固体物 质和强降雨构成了泥石流形成的三要素。暴雨泥石流以其突发性强、毁灭性大、致灾范围广、影响 深远而给当地人民的生命和财产安全构成严重的威胁，也成为制约山区经济发展的重要因素。我国 泥石流大多具有颗粒级配宽、容重大、流速分布不均匀等特征，表现出明显的非均质性。短历时、 局部集中的高强降雨所致的泥石流灾害占据了相当的比例，因此系统研究这种非均质泥石流形成过 程及灾变机制，建立泥石流起动的指标判别式，为我国泥石流灾害防治提供一定的参考。 ［1］ 我们曾对非均质泥石流形成过程的动力学特征进行分析 ，表明非均质泥石流可按起动方式将泥 石流起动类型划分为常遇型、溃坝型及滑坡型三种，并进一步认为泥石流形成过程的固体颗粒起 动、固体颗粒加速混掺及固液两相流形成的三个阶段均与水流强度密切相关，以此揭示泥石流形成 三阶段的水动力学特征。 对于泥石流固体颗粒起动标准，可以借鉴泥沙运动力学中泥沙起动标准方法。在水流的作用 下，如何判断泥沙起动状态，这是一个非常重要的临界条件。泥沙的起动是泥沙研究中最基本的问 题，它是指泥沙由静止状态转化为运动临界状态条件。泥沙的起动具有随机性，而对于非均匀沙， 由于组分泥沙特性的不同，其起动过程更为复杂。由于对起动临界条件的判定标准不唯一，各式各 样的标准之间存在较大差别。大致可分为定性和定量两种方法。在定性标准中，尤以Kramer在1935 收稿日期：2017-02-11；网络出版日期：2017-07-13 网络出版地址：http：///kcms/detail/11.1882.TV0910.001.html 基金项目：国家自然科学基金项目；长江科学院开放研究基金项目（CKWV2015225/KY） 作者介绍：舒安平（1965-），男，湖北鄂州人，博士、教授，主要从事河流动力学、泥石流及水土保持研究等研究。 E-mail：shuap@