泥石流动力学模型与数值模拟_胡凯衡.pdf

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1、第36卷第5期■特约专稿doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2014.05.001泥石流动力学模型与数值模拟①②③胡凯衡崔鹏李浦①研究员，②中国科学院院士，③博士研究生，中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都610041关键词泥石流；动力学；数值模拟；本构关系摘要泥石流是介于崩塌、滑坡等块体运动和山洪水流之间的一种物理过程，既具有土体的结构性，又具有水体的流动性。从物质组成上看，泥石流是一种由水、岩土体和气体组成的多相介质，具有多种内部结构。其中的固相组分颗粒形状极其不

2、规则，尺度跨越范围较大。浆体与固相颗粒以及颗粒间的相互作用非常复杂。因此，完全考虑各种因素建立全描述的泥石流动力学模型比较困难。从描述组成物质和运动的观点来看，目前泥石流的动力学模型可划分为连续介质、离散介质和混合介质模型。基于不同动力学模型的泥石流运动数值模拟，可广泛应用于流量过程反演、危险范围预测、风险评估、防治工程评估等方面；但泥石流本身启动和产汇流机理涉及多门学科，是需要进一步研究的重要课题。同时，泥石流形成过程和运动过程的数值模拟存在着时空尺度上的差异，如何实现两者的耦合求解仍需深入探讨。泥石流是由水、土、岩石等多相物质在山1泥

3、石流的物理特征区坡地上或沟道内相互作用发展而形成的一种自泥石流体虽然也混有少量气体，但一般情然灾害，可以视为介于崩塌、滑坡等块体运动与况下将其视为固液两相混合体。它具有一定的屈山洪水流之间的一种物理过程。水多土(石)少，服强度，能静止在相对平缓的坡度上。其主要特容易形成山洪；水少土(石)多，容易形成滑坡碎征是：充分饱和、密度大、静切力大、黏度高、屑流。当水土达到一定比例，既可以在一定动力固体颗粒组成不均匀等。泥石流物理特征主要指作用下受剪流动，又可以由内部的屈服强度抵抗泥石流的固液组成、颗粒级配、内部结构、流变一定的剪切力而停积，形成所谓

4、的泥石流。因等特征。此，泥石流体既具有土体的结构性，又具有水体的流动性，但与这两者又有显著的差异。除了多1.1物质组成相、碎散、流动和屈服等特征外，泥石流还具有泥石流最本质的特征在于它是一种多相介多尺度的特征。组成泥石流的固体组成颗粒形状质，主要由水、岩土体和气体组成。在实际沟道极其不规则，尺度从黏土、粉沙、细沙、砾石一运动过程中，泥石流中水与松散岩土组成的混合直到直径几米的漂砾，跨越了数个量级。这些特体受到地形和自身结构的影响会上下翻腾，裹挟征给泥石流运动的物理描述和动力学建模带来诸附近的空气使之成为泥石流体内部包裹的气体。多的困难。现

5、有的泥石流动力学模型可以描述泥尤其在沟道跌坎处，高速行进的泥石流往往会与石流的部分性质或者现象，但是，迄今为止还没周围空气发生剧烈的相互作用，水石飞溅，表层有一个通用的、能够完全反映泥石流物理本质的停留大量的气泡。整个过程水、岩土体和气体三理论模型。相组成变化大，空间分布很不均匀。313ChineseJournalofNatureVol.36No.5INVITEDSPECIALPAPER实际上，与土体和水相比，泥石流体中气含电解质水之间产生各种连接和排列形式，可以体含量较少，所以，一般将泥石流体的物质组成形成三种密切相关的结构：网格结构、

6、网粒结简化为水、土和砂石三种成分，其中土砂组分比构、格架结构。泥石流的物理力学特性不仅依赖例、砂石的级配构成因地域、地形条件各异。从于泥石流的物质组成，而且受泥石流结构(即不物理性质上看，泥石流是一种碎散物质集合体，同物质在泥石流体中的空间排列和组合)的强烈内部存在无数多个物质界面。泥石流中水的含量影响。各类泥石流体均有不同程度的结构性。稀和赋存形式在很大程度上决定了泥石流的力学性性泥石流的结构性体现在细粒浆体上，即由黏粒质，不同性质的泥石流，其各种形式赋存水的含和物理性黏粒(粉粒)与含有电解质的水构成细粒量有明显差异。浆体的网格结构(图

7、1)；泥质泥石流或泥流的结1.2内部结构构体现在粗粒浆体上，即沙粒与具有网格结构的由于物质组成和矿物成分不同，在岩土体细粒浆体结合构成粗粒浆体的网粒结构；泥石流与水的结合方式、物质的搬运方式的影响下，泥体的结构则是石块与具有网粒结构的粗粒浆体结[1]石流体内黏粒、粉粒、沙粒和石块等土体颗粒与合构成格架结构(图2)。[1]图1泥石流细粒浆体网格结构类型示意图：(a)链状结构；(b)絮状结构；(c)蜂窝状结构；(d)聚合状结构[1]图2泥石流4种格架结构示意图：(a)星悬型格架结构；(b)支承型格架结构；(c)叠置型格架结构；(d)镶嵌型格架

8、结构1.3物理描述中对泥石流体的性质有显著影响；③泥石流中的泥石流体中的水和固体物质并不是截然分漂砾，粒径大于泥石流运动特征尺度，是泥石流明的，是泥浆和大小石块两部分组成的结构性流的搬运物。虽