考虑沟床颗粒垂向粒序分布的泥石流运动阻力和侵蚀特性研究

On the basis of field investigation and laboratory test, through flume experiment and theoretical analysis, This program study the distribution of gully bed different vertical graded debris flow bed resistance characteristics and erosion mechanism. Introduction slide and erosion moving bed with bed sand material exchange capacity, Froude number, and reflect the moving bed particle size distribution of the discontinuity of kurtosis coefficient, combined with the experimental measurement parameters, gained the Darcy-Weisbach resistance coefficient under fixed bed conditions, gradation continuous moving bed, grading discontinuous moving bed under the condition. Established under the condition of fixed bed debris flow resistance loss and bed grain size distribution characteristics, the relationship between the development of different gully bed particle vertical graded distribution formula of landslide erosion rate and channel calculus model, to improve the existing debris flow velocity and flow parameters and calculation methods, so as to provide basis for the promotion of the scientific level of designing prevention projects of debris flow and debris flow disaster prevention and mitigation engineering.

本项目在野外实地考察和室内试验的基础上，通过水槽实验和理论分析，研究沟床不同垂向粒序分布的泥石流动床阻力特征和侵蚀机理。引入泥石流体侵蚀动床时与床沙的物质交换量、流体弗洛德数、以及反映动床颗粒级配不连续性的峰度系数，结合实验测量参数，得到定床条件、级配连续动床、级配不连续动床条件下泥石流运动的Darcy-Weisbach阻力系数。建立动床条件下泥石流阻力损失和底床颗粒级配特征的关系，发展不同沟床颗粒垂向粒序分布下泥石流侵蚀率公式和沟道演算模型，为改进现有的泥石流流速和流量等参数及计算方法提供依据，提升泥石流防治工程设计的科学水平，为我国泥石流防灾减灾工程服务。

沟床堆积物的级配组成很大程度上决定其自身强度，从而影响后续泥石流运动阻力和侵蚀过程。根据野外考察，泥石流暴发后野外堆积物剖面的层理结构描述主要呈现出3种粒序分布特征，即：“上细下粗”的正粒序分布、粗细颗粒混杂粒序分布、“上粗下细”的反粒序分布。本项目在资料收集、野外调查、水槽实验和理论分析的基础上，针对固相颗粒分选导致的沟床一定深度内堆积物级配不连续现象进行了深入研究，取得了一系列重要的成果。通过资料收集和野外考察，发现泥石流运动堆积过程中内部粗、细颗粒相对运动导致的分选过程受泥石流容重和流量的时空不均性影响较大，从而使泥石流堆积物级配组成存在明显的时空差异性；开展水槽实验过程中，发现侵蚀过程中泥石流流态变化、动床物质组成以及床面形态的三者相互耦合关系，是导致泥石流侵蚀过程、模式以及定量化非常复杂的关键原因，因此本项目设计了一种非均匀厚度的凸形动床铺土方法，从而使水槽试验具有3大优点：侵蚀过程龙头冲击较少、底床坡面不出现逆坡、堆积过程可忽略；根据实验现象观察、试验后床面形态特征以及半定量验算，提出了非均匀坡度沟道中泥石流三角状侵蚀模式，并探讨了可侵蚀、不可侵蚀分界处三角状侵蚀的退化过程；考虑颗粒级配不连续性、细颗粒含量、床面转折角、床面土体孔隙率多种因素，推导了新的泥石流侵蚀率计算公式和床面土体抗侵蚀强度计算式；通过计算泥石流通过侵蚀动床的能量耗散总量，量化了泥石流侵蚀耗能与床面转折角、底床物质颗粒级配不连续性、以及床面土体孔隙率等因素之间的关系。本项目针对不同的沟床物质垂向的粒序分布，引入了峰度系数、细颗粒含量研究沟床颗粒物质宽级配不连续性对泥石流运动阻力和侵蚀特性的研究，有助于人们对泥石流运动特性和侵蚀特性的进一步理解和认识，丰富现有的泥石流运动理论体系。