泥石流龍頭沖擊特性模型實驗研究

何曉英，陳洪凱，唐紅梅，朱繡竹

(重慶交通大學 巖土工程研究所，重慶 400074)

0 引 言

龍頭是泥石流運動的一種特有屬性，龍頭的出現增加了泥石流對建筑物的破壞能力，預測泥石流龍頭的沖擊力是泥石流防治工程設計中一個重要的課題[1]。目前，關于泥石流龍頭的研究大多集中于泥石流龍頭的形態描述與形成機制的探索，如T.Ilstad，等[2]認為泥石流龍頭后部一定區域可代表典型的黏塑性流，具有較高的孔隙壓力；陳春光，等[3]針對入匯主河的泥石流龍頭運動機理，基于野外觀測資料和模型實驗建立了潛入式交匯的泥石流龍頭運動方程，發現混合流黏滯系數和繞流系數對龍頭運動速度影響較大；王兆印[4]通過室內泥石流實驗研究泥石流龍頭的形成和發展，發現混石流龍頭隆起高度與龍頭卵石粒徑成正比，并建立了龍頭運動的能量理論解釋泥石流的形成與運動機理；胡凱衡，等[5]描述了蔣家溝黏性泥石流溝道里的龍頭-龍尾陣次交替的陣性波狀運動過程，將泥石流波狀運動分為緩波、滾動短波、滾動長波等3類；陳洪凱，等[6]將泥石流龍頭的形成過程可概化為泥石流勻速流動、差異流動、初始龍頭形成和間歇龍頭形成4個階段，建立泥石流龍頭壓脹機理解釋了泥石流陣流、逆序結構和顆粒浮動等現象；Z.F.Haza，等[7]采用模型實驗分析水下泥石流龍頭運動，得到泥石流龍頭流速在0.164～0.439 m/s之間浮動，其最小與最大剪應力分別為4.47 與127.72 Pa；T.Ilstad，等[8]通過對水下泥石流的室內模型實驗發現，對于黏性泥石流，其龍頭存在滑水現象，并討論了在不同重度，不同泥漿組成條件下泥石流龍頭的形態和運動規律；S.T.Lancaster，等[9]認為泥石流龍頭部位攜帶有大量樹枝、碎石等物質，造成泥石流龍頭運動速度加劇，侵蝕深度增加；魏鴻[10]通過穩定均勻顆粒水石兩相流龍頭沖擊壩體的水槽實驗分析了沖擊荷載峰值的構成情況，認為泥石流沖擊力與泥石流流速成正比；R.M.Iverson[11]認為泥石流頭部聚集大量的粗大顆粒主要是由于分選較差的泥石流體與溝床之間的摩擦作用增強所致。為分析泥石流龍頭沖擊力與泥石流固液兩相介質之間的關系，筆者修筑較大尺度的泥石流溝實驗模型，通過對泥石流漿體黏度、固相粒徑及固相比等因素的科學組合，實施系列泥石流龍頭沖擊特性模型實驗，分析泥石流龍頭沖擊荷載曲線，揭示實驗條件下黏性泥石流龍頭沖擊特性。

1 泥石流龍頭運動機理

假設泥石流為固液兩相流體，將其等效為漿體(水和細顆粒泥沙摻混而成)和固體(泥石流體中較粗的泥沙顆粒)，如圖1。

圖1 泥石流兩相等效模型Fig.1 Two-phase equivalent model of debris flow

假定泥石流運動為一維兩相流運動體系(圖2)，泥石流運動中，泥石流龍頭受到自身重力、溝底摩擦力、溝床坡度等因素的影響，則溝床上的泥石流體的受力情況如下。

泥石流龍頭所受推力F為：

F=Gsinθ+Gmcosθ

(1)

G=gh2[α(ρs-ρf)+ρf]

(2)

(3)

式中：θ為溝床坡度，(°)；G，Gm分別為泥石流龍頭自重應力與后續流推力，Pa；h為泥石流龍頭高度，m；ρs，ρf分別為泥石流固相與液相的密度，kg/m3；α，α1分別為泥石流龍頭濃度與后續流濃度。

泥石流龍頭所受阻力FR：

FR=(μsGs+μfGf)cosθ

(4)

式中：μs，μf分別為固相顆粒與液相漿體與泥石流溝床相互作用的摩擦系數。

圖2 泥石流龍頭受力Fig.2 Force of debris flow heads

同時，泥石流龍頭在運動過程中固相顆粒聚集，大量實驗資料表明泥石流固相運動速度遠小于液相漿體的運動速度[12]，液相漿體對固相的運動具有拖曳作用，其拖曳速度為(vf-vs)，泥石流固液兩相的差異性流動越明顯，泥石流龍頭更易出現[13]。單位泥石流體受力情況如圖3。

圖3 泥石流龍頭單元體物相相互作用Fig.3 Interacting force between solid phase and fluid phase in element debris flow heads

Ff—漿體之間的黏性應力；Fsf，Ffs—漿體與固體之間的拖曳

力及摩阻力(二者大小相同，方向相反)；Fs—相顆粒間摩擦力

泥石流液相漿體的黏性應力根據Binhanm的流變方程計算：

(5)

式中：τB為漿體的Binhanm極限屈服應力，Pa；μ為漿體的黏度系數，Pa·s；ρf為泥石流液相的密度，kg/m3；L為泥石流體中流層之間的混摻長度，即液相漿體微團因脈動流速的作用而移動的距離，m；dvf/dy為泥石流漿體豎向流速梯度。

根據以上分析可知，泥石流運動過程與泥石流固相與液相介質的性質(液相漿體黏度、固液兩相介質密度)泥石流固相與液相介質之間的相互作用(液相拖曳力，固相摩阻力、固相摩擦力)及泥石流固相與液相介質與泥石流溝床的摩擦力有關。在這些作用的影響下，泥石流在運動過程中，泥石流體內部固液兩相介質相互作用，易形成壓脹核；泥石流體外部，由于固液兩相介質與溝床的摩擦系數不同，固相顆粒所受摩擦力大于液相所受摩擦力，固液兩相介質之間流速產生差異，形成差異性流動，固相顆粒聚集，泥石流端部產生壅高，龍頭形成。

2 實驗模型設計

2.1 實驗模型

以四川涼山州平川泥石流為原型，考慮尺寸相似與地形相似，修筑泥石流實驗模型。泥石流主溝槽長15.0 m，平均溝槽寬度0.5 m，平均深度0.6 m，高差3.6 m；設置兩個彎道，坡度分別為27°，10°。溝槽頂端為1.5 m3的水源箱，出口放置體積為0.26 m3的木質結構碎石漏斗。泥石流溝口設置動態應力傳感器，接受泥石流沖擊信號(圖4、圖5)。

圖4 實驗模型設計平面(單位：m)Fig.4 Designing plane figure of the testing model

圖5 泥石流運動與沖擊特性實驗模型Fig.5 Testing model of the debris flow movement and impacting properties

2.2 實驗工況與材料

選取5組泥石流漿體黏度η(單位：Pa·s)(0，0.13，0.37，0.72，0.93)、5組固相比r(0，0.02， 0.04，0.08，0.16)，及4組顆粒粒徑d(cm)(河沙0.075～0.2，瓜米石0.3～0.5，碎石0.8～1.0、1.3～1.5)進行正交組合，則實驗工況為：Cηrd(η= 1，2，3，4，5；r= 1，2，3，4，5；d= 1，2，3，4)，共85組。

泥石流漿體黏度采用淀粉醚、熟膠粉與水配比而成，采用NDJ-1旋轉黏度計測定配制后的泥石流漿體，使其達到預期黏度要求。固相比為固相顆粒體積與泥石流體的體積之比。

2.3 觀測儀器及實驗過程

動態應力傳感器，線性精度為5‰；DH5922動態信號測試系統，采樣頻率設定為1000 Hz；Fastcamultimal024型高精度攝像儀，測試精度400 fpt。實驗過程如下：蓄水池蓄滿水，加入相應配比的淀粉醚與熟膠粉，攪拌均勻直至反應完全；按固相比將不同粒徑的固相顆粒倒入碎石漏斗；打開水源箱閥門與碎石漏斗閥門，控制固相顆粒加入速度，確保其均勻分布于泥石流漿體中；高速攝像機連續記錄泥石流運動過程，傳感器接收泥石流沖擊，動態信號測試系統連續記錄泥石流沖擊荷載變化過程。

3 實驗結果分析

3.1 泥石流龍頭沖擊力

根據攝像機拍攝到的圖像，甄別出泥石流龍頭形態，從動態信號測試系統中讀取泥石流龍頭部分沖擊力峰值、平均值及沖擊作用時間，將得到的數據與泥石流整體沖擊力進行對比，結果如表1。

表1 泥石流龍頭沖擊力 Table 1 Impacting force of debris flow heads

分析表1實驗數據知：

1)隨著漿體黏度的增大，泥石流龍頭作用越不明顯，當η≥0.72 Pa·s時，泥石流沖擊過程中不再出現明顯的龍頭。

2)泥石流龍頭沖擊作用時間隨著液相漿體黏度的增大而減小。當η= 0 Pa·s時，泥石流龍頭沖擊時間平均值為7.4 s；當η= 0.13 Pa·s時，泥石流龍頭沖擊時間平均值為2.6 s；當η= 0.37 Pa·s時，泥石流龍頭沖擊時間平均值為1.6 s。

3)在漿體黏度相同的條件下，泥石流龍頭作用時間隨著固相比增大而減小。

4)泥石流龍頭峰值在低黏度與低固相比組合條件下為沖擊全程峰值(如η= 0.13 Pa·s，r= 0.02，0.04時、η= 0.37 Pa·s ，r= 0.02時)，但隨著黏度與固相比的增大，龍頭部分有峰值但不是全程峰值。

3.2 泥石流龍頭沖擊形態

分析實驗中高速攝像儀與DH5922動態測試系統獲得的85種工況下泥石流沖擊圖像與沖擊數字信號，并結合表1的龍頭沖擊力數據，可將泥石流龍頭形態分為3種形式。

3.2.1 高速高強度龍頭形態

該類龍頭高度較大，呈飛濺狀，龍頭速度最大，而后迅速向尾部減小；龍頭在接觸傳感器的短時間內出現較龍身及尾部都高的壓力峰值，常出現泥石流龍頭飛離龍身，出現短暫斷流現象(圖6)。該類形態一般出現在低黏度(η= 0，0.13 Pa·s時)、低固相比實驗工況下，例如C222及C224工況(圖7)。

圖6 高速高強度龍頭形態Fig.6 High speed-high intensity heads configuration

圖7 C222，C224沖擊荷載Fig.7 Impacting force figure of work condition C222 and C224

3.2.2 過渡型龍頭形態

該類龍頭高度較龍身仍較高，但趨于平順，沒有飛濺的泥石流體脫離泥石流整體的運動，龍頭速度仍然較大，但是與龍身流速差異減小(圖8)。

圖8 過渡型龍頭形態Fig.8 Transitional type heads configuration

龍頭部位的沖擊力有明顯峰值，但不是泥石流整體沖擊力的峰值。該類形態一般出現在低黏度高固相比(η= 0，0.13 Pa·s，r>0.08時，如C241工況)、中黏度低固相比(η= 0.37 Pa·s，r<0.16時，如C322)工況下(圖9)。

圖9 C241，C322工況沖擊荷載Fig.9 Impacting force figure of work condition C241 and C322

3.2.3 低速低強度形態

該類龍頭低矮，流體形態平順，流速較小，泥石流紊動較弱，不存在紊動虛擬高度。龍頭至龍尾光滑平順(圖10)。

圖10 低速低強度形態Fig.10 Low speed-low intensity heads configuration.

龍頭部位的沖擊力有一定紊動但不存在明顯峰值。該類形態是本次實驗的大部分情況，出現在中黏度高固相比(η= 0.37 Pa·s，r> 0.08時，如C333)及高黏度(η= 0.72 ，0.93 Pa·s，如C542)工況下，且黏度與固相比越大，龍頭形態越低矮，紊動越不明顯，泥石流龍頭沖擊力呈平滑上升趨勢(圖11)。

圖11 C333，C542工況沖擊荷載Fig.11 Impacting force figure of work condition C333 and C542

4 結 論

將泥石流等效為兩相流體系，分析泥石流龍頭內部固液兩相介質之間的相互作用探討了泥石流龍頭形成機理。并以平川泥石流溝為原型自行研制泥石流運動與沖擊特性實驗模型，探索了不同黏度、不同固相比、不同固相顆粒粒徑組合條件下泥石流龍頭沖擊特性，實施了85組泥石流沖擊實驗，獲取了5 084 500多個測試數據。分析得到各工況條件下泥石流龍頭沖擊形態及沖擊荷載變化規律：

1)當黏度大于0.72 Pa·s時，泥石流運動中不產生明顯的龍頭，泥石流龍頭作用時間隨著漿體黏度與固相顆粒固相比的增加而減小；

2)龍頭沖擊力峰值在低黏度與低固相比組合條件下為沖擊全程峰值但隨著黏度與固相比的增大，龍頭沖擊力峰值減小，不是全程峰值，據此將泥石流龍頭形態分為高速低強度龍頭形態、過渡型龍頭形態及低速高強度形態。

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