基于物质组成和冲击特性的泥石流冲击力研究

摘要

目前各国泥石流学者相继发展了各类泥石流模型，使泥石流机理的研究取得了积极进展。但迄今仍没有能使国内外同行所接受的通用的泥石流模型，因此，泥石流机理的研究仍然是今后相当长一段时期内泥石流研究的重点和难点。本文针对泥石流冲击力进行了研究，采用固液两相流理论、非牛顿流体力学、泥沙运动力学泥石流冲击力进行研究，主要从泥石流固相比、泥石流级配条件下固相物质粒径、泥石流容重、泥石流粘度以及泥石流流速几个方面入手，结合泥石流现场观测数据得到泥石流冲击力计算新公式，并以室内模型试验结果和现场观测结果对该式进行实用性修正，得到泥石流冲击力计算新公式。
　　本研究主要内容包括：⑴根据水石流、稀性泥石流和粘性泥石流的沉积特性，并且粘性泥石流流体中的固相物质呈逆序结构，分析了对泥石流容重的影响，根据现有的泥石流实验研究数据分析分别得出与固相比、级配条件下固相颗等效粒径以及浆体粘度有关的水石流、稀性泥石流、粘性泥石流的容重计算公式，并且与现有的经典泥石流容重计算公式进行对比分析，得出经典泥石流容重计算值式只考虑了泥石流的固相物质容重及固相比，但未考虑泥石流粘度及固相颗粒级配对泥石流容重的影响。⑵对水石流、稀性泥石流和粘性泥石流的流速计算方法分析，得出相应的流速计算公式，并且与现有的经典泥石流流速计算公式进行对比分析得出:本文的计算结果更贴近实验结果，而流速经典计算公式同常采用的是平均流速，实际泥石流的流速在流通区应该随着时间的增长而变化，并且多数情况下只考虑了泥石流平均流深和泥石流沟床比降。⑶通过对小波消噪方法进行了归纳介绍，本文采用MATLAB中的sym函数分析进行频频分析。泥石流冲击力是一个非均匀稳定的信号，水石流冲击力信号降噪图可以看出水石流的整个冲击过程比较连续，无明波峰，而稀性泥石流冲击过程有波峰的出现，从频谱分析来看，能量主要集中在低频部分，即d7频段和d8频段部分。粘性泥石流冲击过程波峰明显，从频谱分析来看，粘性泥石流冲击力低频部分仍是能量主要部分，并且包含了部分中低频段，即d5频段、d6频段、d7频段和d8频段，说明泥石流冲击过程虽然是一个瞬时过程，但是冲击力的变化比水石流和稀性泥石流的变化更为复杂。⑷水石流主要存在紊动应力和颗粒间碰撞摩擦产生的作用力，属于两相流模型;稀性泥石流与水石流相似，存在紊动应力和粒间作用力，属于结构两相流模型;粘性泥石流根据龙头压胀理论，将粘性泥石流视为可压缩流体从而建立连续方程进行求解，最终分别得出了与泥石流固相比、级配条件下固相颗粒等效粒径、粘度、容重有关的水石流、稀性泥石流和粘性泥石流的冲击力计算方法。⑸通过对比分析，水石流、稀性泥石流和粘性泥石流较计算值普遍比其他公式和实测值高，其原因分别是原因在于实验条件下颗粒的粒径相差不大，而现实中水石流粒径相差较大，并且水石流流体动能较大;稀性泥石流原因在于实验条件下粘度是由化学原料实现而缺失黏粒，黏粒缺失必然造成泥石流浆体容重变化，实际稀性泥石流容重比实验条件下的容重大，粘性泥石流原因在于粘性泥石流运动整体性较强，其粘度影响不可忽略，并且细黏粒含量较多，自身惯性力大，紊动应力小，运动速度也快，因此动能大，导致粘性泥石流冲击力很大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 泥石流运动机理

1．2．2 泥石流流体模型

1．2．3 泥石流石块冲击力计算研究

1．2．4 泥石流冲击力信号观测研究

1．2．5 泥石流冲击能量

1．3 研究现状评述

1．4 研究内容

1．5 技术路线图

第二章 泥石流冲击力特性分析

2．1 泥石流的形成

2．2 泥石流流态分析

2．3 泥石流冲击信号分析

2．3．1 泥石流冲击力频谱研究

2．3．2 泥石流冲击频谱分析方法

2．4 本章小结

第三章 泥石流冲击力影响要素分析

3．1 泥石流冲击力主要影响要素

3．2 泥石流容重影响分析及计算方法

3．2．1 泥石流积特性分析

3．2．2 泥石流粘度对泥石流容重的影响

3．2．3 泥石流固相颗粒级配对泥石流容重的影响分析

3．2．4 泥石流容重计算方法

3．2．5 泥石流容重计算方法验证

3．3 泥石流流速计算方法

3．3．1 泥石流流速计算模型及计算方法

3．3．2 泥石流流速计算公式验证

3．4 本章小结

第四章 泥石流冲击力频谱分析研究

4．1 小波分析的基本原理

4．1．1 小波变换

4．1．2 小波多分辨分析

4．1．3 小波包分析

4．1．4 常用小波

4．2 泥石流冲击力频谱分析

4．2．1 水石流冲击力频谱分析

4．2．2 稀性泥石流冲击力频谱分析

4．2．3 粘性泥石流冲击力频谱分析

4．3 本章小结

第五章 泥石流冲击力计算方法研究

5．1 现有泥石流冲击力计算方法

5．2 泥石流冲击力计算新方法

5．2．1 水石流冲击力计算方法研究

5．2．2 稀性泥石流冲击力计算方法研究

5．2．3 粘性泥石流冲击力计算方法研究

5．3 泥石流冲击力计算结果对比

5．4 本章小结

第六章 结论及建议

6．1 结论

6．2 建议

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果