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泥石流的运动阻力是泥石流动力学的核心内容之一,也是泥石流防治工程规划设计的重要参数。泥石流阻力参数的选取决定了泥石流的设计流量、防治工程的规模,最终会影响工程的投资成本。自然界中泥石流沟往往不是基岩,而是覆盖有巨厚的松散堆积物。泥石流通过松散物质覆盖区时,因其强烈的挟沙能力,会侵蚀冲刷沟床,沿程不断地携带床沙,从而将其变为推移质或悬移质进入泥石流体。这个过程中泥石流与沟床床沙间动态的物质交换会直接影响泥石流的阻力,使得泥石流的运动阻力特性不同于一般定床情况。论文在野外观测现象的基础上,初步探索了野外泥石流沟的动床阻力,得到了床沙输运与泥石流运动阻力的关系。然后开展了室内水槽实验,重点研究动床条件下泥石流的阻力特性。通过改变水槽坡降、泥石流容重和沟床床沙级配,一共进行了50组泥石流定床和动床水槽实验。泥石流动床阻力的研究,能为泥石流动力学研究提供一定的科学参考价值,也为泥石流防治工程设计提供理论依据,对泥石流的防灾减灾具有重要的意义。论文主要研究成果如下:
(1)根据野外泥石流沟的调查数据,初步分析了床沙输运与泥石流运动阻力的关系。泥石流携带的床沙越多,阻力损失越大,并且阻力随弗劳德数的增加而减小。泥沙输运要消耗一部分能量,泥沙输运过程中泥石流固体颗粒间、泥石流与床沙颗粒间相互碰撞与摩擦,都会造成能量的耗散。
(2)泥石流通过动床时,龙头紊动强烈,呈典型的逆坡型,龙头对床沙产生一定冲击作用,使床沙跃起后进入泥石流体。高速运动的龙头和静止不动的动床床沙间存在一个较大速度的梯度,致使泥石流与床沙间进行物质和能量的交换。
(3)当来流条件相同时,动床条件下泥石流泥位显著大于定床条件,且变幅大。相同性质的泥石流在不同的外界条件下,沟床床沙会影响其运动特性。
(4)据水槽实验数据,对比泥石流定床和动床阻力得到,泥石流与床沙间动态物质交换会消耗能量,使得泥石流的动床阻力显著大于定床阻力。
(5)影响泥石流动床阻力的因素可归纳为三方面:泥石流体自身条件、边界条件以及物质交换。综合泥石流阻力的影响因子,将实验数据经多元回归分析建立了动床条件下泥石流运动阻力的计算公式,即f=0.04[(R/B)1/6(Sv(1-Sv))-2/3]+8.56S△0.479K0.068Fr-3.39。新公式考虑了动床的影响,比国内最具代表性的康志成和费祥俊公式更能反映泥石流在动床上的阻力。