| 题名 | 颗粒组成对阵性泥石流冲击特性的影响研究 |
| 作者 | 刘道川 |
| 答辩日期 | 2019-07-01 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 成都 |
| 导师 | 游勇 |
| 关键词 | 泥石流 阵性运动 颗粒组成 冲击力 时空分布 |
| 其他题名 | Impact characteristics of intermittent surges influenced by the grain composition |
| 学位专业 | 岩土工程 |
| 英文摘要 | 土体的颗粒组成和结构对泥石流的形成、运动和冲击特性有很大的影响。在泥石流运动过程中，颗粒分布决定了流体的运动状态、密度、速度、冲击力等的大小。如蒋家沟丰富的阵流现象，由于其物质组成和来源不同，体现出了不同程度的涨落以及多样性，从而表现出不同的冲击效应。然而，受限于理论的发展以及传统的实验方法，颗粒组成对于泥石流运动特性、冲击的影响方面的研究并不系统，并且对于泥石流与构筑物的作用机理也不够深入，这也限制了工程技术的发展。本文基于泥石流颗粒物质组成的标度分布理论，系统分析阵性泥石流的运动特征以及颗粒组成对阵性泥石流运动、冲击过程的影响；结合室内泥石流系列冲击实验，利用SPI TACILUS压力分布传感器测量了泥石流冲击力的时空分布特征，探究了颗粒耦合效应下泥石流的冲击特性；最后讨论了阵性泥石流冲击作用下，拦砂坝的稳定性变化规律，从而为泥石流防治提供新的理论基础。本文取得的主要研究成果如下：1、以蒋家沟系列观测资料为基础，以阵性泥石流冲击特性为研究对象，分析了泥石流阵性运动的涨落、衰减特征和阵流序列的长程关联性，确定了泥石流阵性运动的规模频率特征。（1）泥石流的阵性运动伴随着强烈的涨落特性，其涨落可达均值的2～4个数量级。但是，不论涨落程度如何，其标准差和均值最终均满足相同的衰减模式，从某种程度上呈现出非线性动力学行为。另外，阵流序列的Hurst指数均大于0.5，表明序列具有不同程度的长程关联性。（2）阵流序列满足相同的规模频率分布：P(X)=CX-βexp(-X/Xc)。其中参数Xc与序列的最大值Xmax和标准差σX呈正相关，说明参数Xc是表征阵流序列涨落和规模的物理量。即一个序列的Xc越大，其涨落越剧烈，规模也越大；参数β越大则意味着小于特征量Xc的阵次越多。泥石流阵性运动的规模频率分布满足相同的函数关系，说明泥石流运动过程存在某种“临界自组织现象”，体现了泥石流运动过程的系统动力学特征。（3）阵流冲击力满足Weibull分布，并且大部分冲击序列呈现出负偏态，说明序列中大部分值小于平均值。同时，最大冲击力决定了泥石流的整个冲击过程，这也是泥石流工程设计中的最重要的参数，因此该结果对泥石流防灾减灾也有一定的参考意义。2、在泥石流颗粒标度理论的框架下，系统探讨了颗粒组成对阵性泥石流运动的约束控制作用，并通过水槽实验重点探讨了颗粒组成对泥石流冲击特性的影响。（1）阵性泥石流的涨落与流体的颗粒组成密切相关，当颗粒组成趋于某种临界状态时，阵流将呈现出一定的动力学特性，具体表现就是各动力学参数的上界受颗粒组成而限制，体现出颗粒组成对泥石流运动的控制作用，从而影响了阵性泥石流运动的涨落及其冲击特性。（2）根据量纲分析原理建立了颗分参数（μ，Dc）与平均流速v之间的经验关系。 （3）系列实验结果表明：当泥石流作用于构筑物时，其冲击力的纵向分布特征可以概化为三角形分布。另外，虽然泥石流冲压力在横向上呈现一定程度的二次函数分布，但是其波动程度不大，为简化工程设计，可以近似看成是等值分布。（4）提出一个考虑颗粒耦合效应下的泥石流冲压力修正系数的计算模型：k = 0.28μ-0.83+0.95exp(0.085Dc)，该模型中包括了泥石流持续作用于构筑物时，构筑物前侧流体的堆积压力部分。当泥石流体静止于构筑物前侧时，由于泥石流堆积体的压缩状态，构筑物前的堆积体处于被动土压力状态。3、分析了阵性泥石流冲击拦砂坝时的受力情况，探讨了空库和半库情况下拦砂坝的稳定性随阵次的变化规律。（1）阵性泥石流作用于坝体时，抗滑稳定性系数Kc和抗倾覆稳定性系数Ky均随阵次的增加而减小，并且在前1-3阵衰减速率最快。另外，同样的阵流作用于坝体，当库内淤积高度越大时，稳定性系数越小。 （2）泥深与稳定性系数之间存在一个包络线的关系，使得泥深的变化约束了坝体稳定性系数的发展，说明抗滑和抗倾覆稳定系数对阵流的泥深变化非常敏感。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 153 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/33964]  |
| 专题 | 成都山地灾害与环境研究所_山地灾害与地表过程重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘道川. 颗粒组成对阵性泥石流冲击特性的影响研究[D]. 成都. 中国科学院大学. 2019. |
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