泥石流颗粒的自组织

Debris flow is composed of wide-ranged grains; the changes in grain composition always accompanies soil failures / collapses on slope and formation and variation of debris flow surges. Grain segregation, loss and exchange occur constantly in the course of flow, resulting in residual layer of fine grains, scouring and depositing, inverse grading, and fluctuation of velocity and discharge. The grain size distribution is found to satisfy a universal function of P(D) = Cpower(D, - μ)* exp(-D/Dc), providing an integrated description of grain composition of both soil and fluid. The distribution suggests a new scenario of the source soils and flow materials, which can be considered as a heterogeneous granular field termed by (μ, Dc). Then the self-organization process driven by gravity of the granular material controls the soil failure and flow developing. Based on the granular scenario, the present study is committed to the granular effects on the formation and dynamics of debris flow, containing 1) grain transport, loss and rearrangement during soil failure, transition and flow developing, and the related variation of soil mechanic parameters; 2) non-local critical conditions for developing of various debris flow surges; 3) the dynamical effects of granular self organization in debris flow. Then we reveal the heterogeneity of slope failures and intermittent surges of debris flows, determine the spatio-temporal distribution of failure and the resulted surges, explore relationship of grain rearrangement to the fluctuation， energy dissipation and transport capacity of debris flow, and finally calculate the density, velocity and discharge of surges. All these are essential ingredients to be incorporated in a comprehensive model of debris flow prediction.

泥石流物质以宽级配颗粒（粒径从微米到米）为特征，从源地土体的失稳、崩塌和液化到泥石流阵流的多样性、残留层、冲淤和堆积、反粒序结构以及速度和流量涨落等现象，都直接伴随着颗粒的流失、交换和重组。我们发现，泥石流颗粒满足分布P(D) = Cpower(D, - μ)* exp(-D/Dc)，泥石流物质和运动状态的改变都能表现为参数(μ, Dc)的变化。本研究将泥石流源地土体和流体描述为空间不均匀"颗粒场"，场在重力作用下的"自组织"演化，决定了源地的活动和流体的形成和运动。研究内容包括：1）源地土体颗粒在降雨作用下的迁移、重组及土力学参数变化；2）阵流形成的非定域临界条件；3）泥石流颗粒的自组织过程的动力学效应。由此揭示源地土体活动和泥石流阵流序列的时空分布，确定颗粒的自组织与泥石流速度涨落、能量耗散和输移能力的动力学关系，计算泥石流阵流的密度、速度和流量，为建立泥石流随机过程模型奠定基础。

泥石流是一种流域地表物质输移过程，其总体行为近似流体，却与一般的连续流、多相流和颗粒流不同，原因在于其组成颗粒跨从纳米到米的6个量级。大量野外现象标明，颗粒组成与泥石流的类型、运动、规模和地貌作用有着密切的关联，但在泥石流研究中一直缺乏对物质组成本身的适于动力学研究的描述方法，因而颗粒组成如何影响泥石流，还没有一个系统的定量的认识。本项目系统研究了泥石流土体颗粒组成及其变化在泥石流形成和运动中的作用，获得如下具体认识：1）确立了天然土体土体颗粒的普适性标度分布函数（GSD），将土体颗粒组成的描述归结为两个基本参数（μ, Dc），其µ中刻画细粒组分，Dc刻画粗粒组分。GSD的本质是土体颗粒的随机聚散，因此土体在任何动力学过程的变化中都一直保持同样的标度分布，而其变化则体现在参数（μ, Dc）的变化。因泥石流和泥沙输移都是土体的聚散过程，因此GSD分布函数同样适用于泥石流与河流的输沙量分布。2）泥石流物源或物源坡面土体的GSD参数在空间逐点变化，呈Weibull分布，因而物源是一种随机的颗粒场，土力学参数的随机变化导致物源以不同方式活动，呈现空间的非均匀性、时间的间歇性和规模的涨落性，这是最终形成泥石流阵流的物理基础。系列实验表明，泥石流源地坡面过程是一种Poisson过程，其强度参数与降雨强度呈指数关系，这说明降雨的对物源的作用是通过影响活动频率和规模来实现的，而洪水过程是相对独立的。3）颗粒组成决定流体的流变、流态、流速、流量和密度的涨落，流体存在某种理想状态，其颗粒参数满足一定的互补关系（负幂函数关系），即泥石流体在动力学过程中实现了颗粒的自组织。