考虑渗流效应的沟谷型沙漠泥流堆积体起动机理研究

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黄河上游宁蒙河段风蚀水蚀交替,风沙水沙过程剧烈,发育有典型的沙漠宽谷,分布着中国乃至世界上地表风水复合侵蚀强度最大的区域。该区域山洪沟道众多,冬春两季时风力所搬运的沙漠粗沙与两侧岸坡重力侵蚀滑塌产生的黄土于沟道内混为一体,或形成新的堆积体,或将历史洪水残留的泥流堆积体加高培厚,形成足以堵塞沟道的沙漠泥流堆积体。待雨季来临时,上游暴雨洪水裹挟泥流堆积体起动,逐渐演变为高含沙洪水乃至泥流灾害。风水复合侵蚀诱发的高含沙洪水乃至泥流灾害入黄,严重影响着黄河健康。本文重点针对堆积体完全堵塞沟道这一极端条件下的沟谷型沙漠泥流,从堆积体起动这一成灾的首要环节入手,采用科学考察分析、模型试验、流固耦合数值模拟等方法概化研究暴雨洪水入渗条件下的堆积体起动特性,揭示其成灾机理。初步得到了以下研究成果:(1)通过对研究区域的野外勘测调研,遴选了具有代表性的三大区域(沙漠区域、沙黄土过渡区域、山洪沟道区域)进行科学考察及采样分析。研究结果表明,沟道内土体主要由黄土与沙漠粗沙混合而成,具有明显的孔隙结构性,通过多断面型态对比分析,选取断面型态为梯形的堆积体作为研究对象。并对所采集的土样进行了各项基本物理参数的测定,为模型试验和数值模拟提供数据保障。(2)自主研制有机玻璃直槽概化模型试验装置,配套DMKY系列应变式孔隙水压力传感器,基于堆积体内微观孔隙流动为圆管流动和上游来水的静水压力假定,开展渗流效应下五种工况(沙漠粗沙含量0%、5%、10%、15%、20%)时的堆积体起动过程试验。试验结果表明,堆积体渗流时湿润体体积随时间呈分段递增的函数关系;进而建立了堆积体起动过程中渗流区域的孔隙水压力随时间呈指数为0.5的幂函数变化关系模型,即P=At0.5,A为系数。(3)基于有限元分析软件ABAQUS 2020中的Mohr-Coulomb本构模型建立泥流堆积体流固耦合模型,通过分析五种模拟工况下堆积体饱和度、孔隙水压力、塑性应变、位移等参数变化揭示了上游水位变化时泥流堆积体的微观起动机理。模拟结果表明,流固耦合作用下堆积体内经历了应力场→体积应变→孔隙率→孔隙水压力→渗流场→塑性应变→屈服破坏的一系列复杂非线性变化过程;水位上升时堆积体下游边坡率先发生失稳起动,其模拟结果与模型试验结果定性吻合,且堆积体的起动与水位上升速率呈负相关规律;水位下降时堆积体上游边坡率先出现失稳起动,该工况下的堆积体处于高水位的土体状态加上低水位的水压状态,且堆积体的起动与水位下降速率呈正相关规律。以上研究成果为沟谷型沙漠泥流灾害的预警和防控提供了新方法和新思路,也为未来结合信息化手段进行泥流灾害的防治奠定了坚实的理论基础。
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