沟谷泥石流运动过程模型试验

18卷 6期 2009年 12月 自 然 灾 害 学 报 JOURNAL OF NATURAL D ISASTERS Vo.l 18 No. 6 Dec. 2009 收稿日期: 2008- 05- 23; 修订日期: 2009- 03- 17 基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( 50678182) ;高校博士点基金资助项目 ( 20060618001) 作者简介:陈洪凯 ( 1964- ) ,男,教授,博士,主要从事泥石流与边坡力学机理及控制研究 1E- m ai:l chk _cq@ 163. com 文章编号: 1004- 4574( 2009) 06- 0160- 06 沟谷泥石流运动过程模型试验 陈洪凯 1, 2,唐红梅1,鲜学福 2 ( 1.重庆交通大学 岩土工程研究所,重庆 400074; 2.重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆 400040) 摘 要 :泥石流运动过程是泥石流运动力学核心之一。以新疆天山公路 K630泥石流为原型, 选 取几何相似比 1: 650,推导了泥石流质量、固液两相流速和泥石流冲击力相似比, 以流通区为核心, 建 造了沟谷泥石流试验模型。试验结果明, 泥石流运动具有显著的阵流特性, 阵流间隔时间为 10s 左右,其间嵌套 2~ 3次弱阵现象; 阵流期间, 泥石流流速和冲击力均较大; 从流通区的源头至沟口, 流速呈现非线性增大趋势,且泥石流体中固液两相流速变化趋势相似,弯道处泥石流超高现象显著; 泥石流运动初期由于泥石流体中固相和液相混和搅拌不均匀而呈现稀性泥石流特征, 随后粘性特性 增强。这些现象与现场观测结果基本一致。 关键词:沟谷泥石流; 相似原理;模型试验; 流速;冲击力 中图分类号: P642. 23 文献标识码: A Model test of valley- shaped debris f low motion CHEN Hong-kai 1, 2 , TANGH ong-me i 1 , XIAN Xue-fu 2 ( 1. Inst itute of Geotechn ical Engineering, Chongq ing J iaotong U n ivers ity, Chongq ing 400074 , Ch in a; 2. Key Laboratory for the Exp loitation of Southw es tern Resou rces& the E nvironm ental Disaster C ontro lEng ineering, M in istry ofE du cation, Chongq ing Un iversity, Chongq ing 400044, Ch ina) Abstract: Debris flow mot ion belongs to one key aspect in K630 stud iy of debris flow dynam ics. In th is paper, tak- ing the va lley-shaped debris flow located atK 630 o fT ianshanH ighw ay as an example, choosing 1 /650 as the geom- etry sim ilar ity ratio, three sim ilarity numbers for density, velocit ies of so lid and liqu id phases and impact force of debris f low w ere deduced. Further, physicalmodel is established in laborato ry, w hich focuses attention on covered area of the V-shaped debris f low. B ased on the simulat ion, three results are concluded: ( 1) surges during debris flow motion are obv ious, w hose interval durat ion is about 10s, and at least there are tw o or threew eak surges in one dom inant surge. ( 2) during surg ing, both velocity and impact force o f the debris flow are g reater. ( 3) from source tomouth of the flow zone, debris flow velocities increase non linearly, and the var iat ions bo th for so lid phase and liq- u id phase are sim ilar, and debris flow freeboard at tortuous va lley is obv ious. The debris flow during initialmotion is th in fluid due to nonun iform m ix ing o f loosemater ia ls byw ater, how ever, them ix ture becom es v iscous later. These phenomena are consistant basica lly w ith that observed in real time fie ld. Key words: va lley-shaped debris flow; sim ilarity principle; mode l tes;t flow velocity; impact force 公路泥石流病害是指发育于公路沿线并对公路桥涵、路基路面及相应防护结构具有冲击毁损和淤埋破 坏的病害类型,包括桥台水毁、上部结构毁损、桥涵基础掏蚀、桥涵淤埋、道路毁损等类型 [ 1]。不完全统计资 料表明,仅在我国西部地区公路沿线便存在 6000余条大型及特大型泥石流, 泥石流毁损公路构建筑物,导致 中断交通总时间占公路可通行时间的 30% ~ 40% , 我国公路每年因泥石流造成的直接经济损失 50多亿 元 [ 2] ! 有效防治公路泥石流病害一直是我国公路交通建设与养护中的一个重大关键技术问题。而要有效 防治公路泥石流病害,其关键是合理确定泥石流运动路径及冲击和磨蚀荷载,显然, 实施泥石流运动力学研 究可为有效防治泥石流病害提供重要理论依据。泥石流运动过程模型试验是揭示泥石流运动机理的重要环 节。 钱宁 [ 3]认为位于边坡及斜坡沟谷内的松散土体再降雨或冰雪融水作用下易于演化成为泥石流; B ru fau 等 [ 4]建立了固液混和泥石流的一维运动数学模型; Ilstad [ 5]等通过高速摄像方法分析了泥石流再水下的运 动特性; Iverson基于 USGS试验结果论述了泥石流运动的波动性能以及流体内孔隙水压力的变化规律 [ 6] ; Savage [ 7 ]和 Takahashi[ 8 ]在水槽内进行了无粘性颗粒在重力作用下的运动过程试验; 陈洪凯等基于两相流理 论对泥石流固液分相流速、冲击力和磨蚀力进行了较系统研究 [ 9- 11] , 基本建立了泥石流动力学理论框 架 [ 12- 13 ]。这些研究为实施沟谷泥石流运动过程模型试验研究提供了重要理论依据。 本文以新疆天山公路代表性沟谷泥石流 K630泥石流为原型,遵循相似原理进行室内大比尺物理模型 试验, 探索泥石流运动过程中泥石流流态、流速及冲击力变化规律。 1 模型设计 1. 1 物理模型 K630泥石流位于新疆天山公路北段拉帕特流域内, 沟口海拔 2070m, 源头海拔 4370m, 相对高差 2300m;泥石流沟流域面积 7. 11km2, 主沟长 5850m,沟床平均坡角 23b; 横断面呈 U型 (图 1)。流域源头为现 代冰川,面积 1. 022km2;泥石流沟口沉积扇较大,危害公路长度约 400m。该泥石流为粘性泥石流, 搬运最大 石块 2. 3 @ 1. 1 @ 0. 8m3。取几何相似比 CL = 650,则试验模型主沟高差 3. 6m,长 9m,平均坡角 23b(图 2)。 图 1 新疆天山公路 K630泥石流沟全貌 图 2 K630泥石流试验模型 F ig. 1 Fu ll v iew of K630 debr is flow va lley at T ianshan H ighw ay in X injiang F ig. 2 Test m ode l o f K630 debr is flow 表 1 泥石流体质量密度及固相比 Table 1 M ass density and so lid phase ratio o f debris flow 主要参数 质量密度 / ( t# m - 3 ) 泥石流体 Cc 固相 Cs 液相 Cf 固相比 A 实际值 1. 924 2. 6 1. 84 0. 1102 模型值 1. 910 2. 6 1. 84 0. 0921 1. 2 相似比计算 ( 1)泥石流容重 根据实地考察 K630泥石流, 采样分析测得 该泥石流体的主要参数; 模型试验泥石流运用 粘土、碎石、砂、水配备而成, 采样分析测得其主 要参数 (表 1)。 由表 1并结合相似比定义 [ 14] , 可得 CCc= Cc实际 C'c模型 = 1. 007U 1, CCs = Cs实际 Cs模型 = 1, CCf = Cf实际 Cf模型 = 1, CA= A实际 A* * = 1. 1, Cd e= de d 'e = 9. 182, 式中, CCc, CCs, CCf, C A, Cd e分别代表泥石流体容重、固相容重、液相容重、固相比及固相等效粒径相似系数。 ( 2)流速 选用固 -液分相流速计算方法 [ 9 ] ,进行泥石流流速相似性设计。泥石流体中固、液两相流速计算 分别见式 ( 1)和式 ( 2): #161#6期 陈洪凯等: 沟谷泥石流运动过程模型试验 v f=M v s, ( 1) v s= Ax (1- A)Qs-M 2 Qf , A = 2A[ (1- A)Qs- (2- A)Qf ] g cosH- 2A( SB + Lb ) d0 + 3A( 1- 2A) de P, ( 2) M = ( 1- A) - 4, ( 3) 式中, A为泥石流体固相比; H为泥石流沟床平均坡角 ( b) ; Qs和 Qf分别表示固相和液相平均密度 ( g /cm3 ); v s 和 v f分别表示固相和液相沿流动方向的平均速度 ( m /s) ; d0为控制体等效半径 (m ) ; SB为浆体宾汉极限屈 服应力 ( Pa) ; L为浆体的刚度系数 ( Pa. s); P为液相和固相之间存在的压力差 ( kN ) ; b为试验常数; de为等 效颗粒直径 ( m ) ;M为泥石流固相和液相的流速比例。 将式 ( 1) - ( 3)根据相似方程分析法转化为相似方程,推导得到相似系数约束关系为 C 2 v s Cd 0 CS s CL = 1, ( 4) C 2 v s Cd 0CLCL = 1, ( 5) C 2 v s Cd e CpCL , ( 6) 式中, Cv s, Cd 0, C SB, CL , CL和 Cp 分别为固相流速、控制体直径、浆体宾汉体极限剪切强度、几何尺寸和流体压 力相似系数;其余变量同前。 要使试验模型与实际完全相似, 必须同时满足式 ( 4) - ( 6), 这实际上非常困难,也没有必要 [ 14]。由于 K630泥石流属于水力类泥石流,浆体对泥石流体固相的牵引力起主导作用,浆体之间的粘滞项对泥石流整 体的运动速度影响较小 [ 15] ,故本文以式 ( 6)作为流速相似准则。据此计算求得 K630泥石流 Cv s = 84. 43。 进一步,由于泥石流固相差异系数计算式为 [ 9] G= f s vs = G ( A, L, h ) , ( 7) 则实际固相流速与液相流速计算式分别为式 ( 8)和式 ( 9) : v s= 84. 43v s /G, ( 8) v f = 134. 67vs /G, ( 9) 式中, v s为固相实际流速 (m /s) ; L为距离流通区源头的距离 (m ); h为泥石流体厚度 ( m )。 ( 3)冲击力 运用泥石流固 -液两相冲击力公式 [ 10 ] : qf= 0. 2564Qfa f, ( 10) P s = 2A 3( 1+ A) deQsa s, ( 11) 式中, a f和 a s分别为泥石流液相和固相运动加速度 ( m / s2 ) [ 11] ;其余符号同前。 但是,在实验中观测 a f和 a s目前尚比较困难,故本文采取流体动压法 [ 15]计算泥石流冲击力。运用相似 方程分析法,求解得到泥石流冲击力相似系数 Cp计算式为 Cp = C 2 v c , ( 12) 则实际泥石流冲击力 P的计算式为 P = CPPm, ( 13) 式中, Pm为模型试验测试的泥石流平均冲击力 ( kPa)。在泥石流流通区沟口,计算得到 Cp = 9。 1. 3 观测内容 运用 HS2000型高速摄像系统连续记录泥石流体运动全过程, 记录泥石流体表面固相颗粒运动过程, 摄 像精度取 300帧 /秒;在泥石流沟口安置 200C20型应力传感器,并用 DH5937型动态应变仪记录泥石流冲击 变化过程;运用 ND J- 5S数字式粘度计测试泥石流浆体粘度。 #162# 自 然 灾 害 学 报 18卷 2 试验过程 第 1步,配置固液两相泥石流体约 3m3, 置于泥石流沟源的物源桶内。为了防止泥石流体固相离析沉 降,静置期间用电动搅拌器匀速搅拌;同时,在泥石流沟口前方 10m处安置高速摄像系统, 调试其精度为 300 帧 / s,在泥石流沟出口处安置应力传感器,将观测仪器调试待备。 第 2步,控制物源桶内泥石流体的流量为 0. 04m3 / s,开启物源桶底部阀门,使泥石流体流量比较恒定地 进入泥石流沟内。 第 3步,记录泥石流运动过程,并进行测试结果分析。 3 试验结果分析 3. 1 泥石流流态 虽然初始阶段泥石流沟内的泥石流体属于稳定状态,但在运动过程中泥石流仍然表现出阵流特点 (图 3) ,显著的阵流间隔时间 10s左右,其间出现了 2~ 3次弱阵现象。阵流龙头处, 泥石流体呈现紊流状态, 阵 流龙头之间的泥石流体宏观上表现为稳定层流状态。此外, 在泥石流沟弯道处, 泥石流表现出显著的弯道超 高现象 (图 4), 这是泥石流体惯性或直进性特点的宏观表象 [ 15- 16] ,也是位于泥石流沟凹岸公路及铁路路基 易于毁损的主要动力机制 [ 1, 13 ]。 图 3 泥石流阵流现象 图 4泥石流弯道超高现象 F ig. 3 Surges of debr is flow in mo tion F ig. 4 F reeboard o f debris flow at bend va lley 3. 2 泥石流流速 根据相似计算原理获得天山公路 K630泥石流流通区从沟源至沟口的流速变化过程 (图 5) ,可见, 泥石 流体中固相流速总小于液相浆体流速,在沟口部位固相流速约 7. 5m /s、浆体流速 12. 6m /s左右。并且在距 离沟源 400m左右处流速最大, 该点为实际泥石流沟的弯道部位, 即弯道部位流速具有加速效应。而流通区 沟口的流速具有波动性,图 6为高速摄像揭示的沟口在一次阵性流动来临前平均流速变化曲线。由图 6可 见,在阵性龙头来临前流速呈现波动性增大,龙头来临时总体处于最大流速, 为 4. 18m /s。一个阵流内泥石 流流速出现三个较显著的波速峰值, 间隔 3s左右,应该是弱阵现象的体现。若此最大流速为实验固相流速, 求得现场实际固相流速和液相流速分别为 12. 43m /s和 19. 82m /s,与图 5显示数据差异较大; 而若试验最大 流速为实验液相流速,求得现场实际固相流速和液相流速分别为 7. 75m /s和 12. 37m / s,与图 5数据相差较 小。表明由高速摄像系统获取的平均流速更接近于两相流速的液相流速。 3. 3 泥石流冲击力 布设在泥石流流通区沟口的应力传感器记录的冲击频谱见图 7( a) ,其中截取的两个阵性冲击频谱见图 7( b)。可见,模型试验初期及结尾时期的冲击频谱均不显著, 中间时期的冲击频谱方具有代表性。图 7( b) 显示冲击前段,频谱波动较明显、频率较小,表明泥石流体固、液混和尚未均匀,呈现一定的稀性泥石流特征; 而在后段,流体粘性特征显著增强。冲击频谱也显示存在约 12s的主波并嵌套 3~ 4个次波的频谱特征。在 模型试验的泥石流流通区沟口部位, 测得泥石流冲击力为 27. 3kPa,则由式 ( 13)计算得到天山公路 K630泥 石流沟口的实际泥石流最大冲击力为 245. 7kPa,现场观测的冲击力在 250~ 270kPa之间 [ 13] , 表明本模型试 验数据具有一定可信度。 #163#6期 陈洪凯等: 沟谷泥石流运动过程模型试验 图 5 K630泥石流沟内流速沿程变化 图 6 K630泥石流沟口模型试验平均流速 F ig. 5 V ariation of flow ing speed o f K630 debr is flow along va lley w ith trave l range F ig. 6 Average flow ing speed of K630 debr is fo lw at va lley m ou th from m ode l test 图 7 沟口泥石流冲击频谱 F ig. 7 Shock spec trum o f debris flow at va lleym outh 4 结 论 ( 1)以新疆天山公路 K630泥石流为原型,从泥石流容重、流速和冲击力 3方面推导建立了泥石流模型 试验相似比;在室内建造了几何相似比 1: 650的物理模型,重点模拟泥石流流通区,流通区源头为物源桶, 沟 口安置测试冲击力的力传感器,沟正前方安置高速摄像系统。 ( 2)实验记录了泥石流具有阵性流动特性,显著的阵流间隔时间 10s左右, 其间嵌套 2~ 3次弱阵现象。 阵流龙头处泥石流体呈现紊流状态, 阵间流体呈现层流状态;在泥石流沟弯道处出现显著超高现象。 ( 3)揭示了泥石流在沟内运动过程中沿程流速的非线性特性,固相流速和液相流速变化规律相似,出口处流速 最大;泥石流稳定运动期间在沟口处平均流速也呈现显著的波动现象,与泥石流运动阵性规律可相对比。 ( 4)在沟口的泥石流冲击力谱具有显著的波动脉冲现象, 处于稳定流动初期泥石流体固、液两相混和均 匀性较差,呈现稀性泥石流特征,随后泥石流体的粘性特征加强。 参考文献: [ 1] 陈洪凯,唐红梅,马永泰,等.公路泥石流研究及治理 [M ].北京:人民交通出版社, 2004: 181- 192. 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