关于河流源头沙砾堆积地泥石流流动特性的研究

世界上的许多国家都在研究泥石流的发生、发展规律,用以往的泥石流构成状况来解释泥石流的发生过程。日本学者今泉文寿先生将上游河床存在数米厚沙砾堆积物的易发泥石流山谷作为研究对象,研究河流源头沙砾堆积地发生泥石流的流动特性。研究结果为:孔隙流体间的水面到沙砾移动层的表面时,不会发生泥石流。在河床坡度为28°-30°的陡坡泥石流在流动时,有侵蚀和堆积现象,在其河床流动中的泥石流质量浓度比即将流动的泥沙质量浓度低。对其石砾堆积的现象,在其河床流动中的泥石流泥沙质量浓度比即将流动的泥沙质量浓度高。只用VTR图像或超音波水位计的观测,只能得到关于泥石流表面的情况,但不能了解泥石流内部的结构。     

河床泥沙堆积发生泥石流时的形态

为研究泥石流发生、流动和堆积结构机理,常规采用水文模型试验。而研究泥石流发生时河床堆积泥沙的形状与时间和空间变化关系的相对甚少。2009年日本学者池田晓彦等进行了模拟自然河流的缓慢河道坡度,发生泥石流的试验,结果表明:当坡度为30°~27,°明显在前峰形成流动层,相对流动速度大。在24°~21°流动层停止时形成沙堆。在18°~12°区流动速度慢。相对于陡坡区间形成流动层是表面流或渗透流,在河床堆积的泥沙为饱和状态流动;相对于缓坡区间形成沙堆的表面流与渗透流,河床堆积泥沙是饱和状态。表面流具有越过沙堆肩胛流动的趋势。在坡度变化点等泥沙有大量堆积的现象。有关泥石流发生条件有待于深入研究。     

沟道二维泥石流运动和冲淤数值模型研究

以水沙混合流模型为基础,采用混合流沙量动态变化模式,提出泥石流运动控制方程组,建立适用于模拟泥石流在天然沟道中的运动和冲淤过程的二维数值模型.模型基于水动力学理论、水沙两相混合流理论和宾汉体模型理论,考虑了泥石流运动、泥沙输移、沟床变形、泥石流宾汉体流变特性等主要动力学过程.将模型应用于云南东川蒋家沟实测泥石流过程的模拟研究,结果较好地反映了泥石流运动不连续性的特征和泥石流沟道冲淤随时间演变的实际规律.     

依据河床比降、河宽的侵蚀模拟

评价预测泥石流泛滥区域和沟壑坝系等防御泥石流措施效果,最有效的方法是数值模拟。2009年日本学者铃木拓郎等人具体研究了伴随坡度变化、河床束窄区域及坝系工程的泥沙堆积过程。其结论:在侵蚀与堆积初期,在坡度变化点的下游发生侵蚀与堆积。在同等的水与泥沙总供给量、流量、持续时间的条件下,侵蚀与堆积过程在短时间内,由大流量供给,在下游有泥沙侵蚀与堆积现象。在固定坡度的条件下,河道宽度变化时,首先在狭窄部位上游发生堆积后,下游发生侵蚀,并慢慢上朔,最终出现全部发生侵蚀的结果。泥石流在冲击坝体的瞬间,泥沙急剧的堆积。流量变大,堆积坡度变小,坝下游的泥沙流出相应提前,更多的泥沙向下游流出。模拟结果符合现实发展的自然规律。     

拦沙坝的优化设计

泥石流灾害给人类带来了巨大危害,拦沙坝是减轻泥石流灾害的有效办法。其效果取决于坝体的设置、坝型种类、大小等,2010年日本学者中谷加奈等人通过模拟试验得出优化设计结论:初期河床无泥沙堆积,最大沉积泥沙量小。在陡坡地设置堤坝时,最大堆积泥沙量与无堤坝时大概没有变化。在缓坡设置堤坝时,效果明显。在坝度方面,对离开目标地点上游地点设置时,明显有效。基于地形条件、土地利用情况等对设置堤坝位置和种类存在限制时,很难得出一个最优解。作为目标区域可能设置情况时间,应先进行普遍的计算,依据设定的减轻受害指标,充分讨论再决定如何设置堤坝。     

透水型谷坊坝拦截泥石流形态数学模拟

在对透水型谷坊坝进行评价与修改和新设计时,必须把握泥沙移动形态。然而,其有效方法是用数学模拟。对泥石流的模拟试验,多数采用频分多路复用法(FDM);少数用数字地形模型(DEM)进行计算。但不同程度存在计算难度。2009年日本学者丹羽论等人依据浅水流方程在二维平面,用有限元素法对透水型谷坊坝进行了泥石流的模拟试验。以基准面和水面海拔之差作为连续式的未知量,对泥石流区域流动的稳定性进行计算。分析结果表明,此法适用在透水型谷坊坝周边泥石流泥沙堆积的模拟。能在定量上对透水型谷坊坝的进行评价与分析。今后,有待于提高在移动边界附近的计算精度的研究和输送泥沙质量浓度等评价进行预测。     

日本有关绿化带防止泥沙灾害功能的研究

在泥石流泛滥区 ,合理利用绿化带可减轻或防止泥沙灾害。但仅靠绿化带不能防止所有泥石流泛滥区的泥沙灾害。日本学者水山高久、本田尚正等对泥石流发生的条件及绿化带在不同条件泥石流发生区的作用进行了深入地研究。通过对生驹山系的千冢川和野崎中川流域发生泥石流实例进行模拟数值计算 ,认为在径流源头区因崩塌而产生大量土沙、坡面较缓、缓冲带宽度足够长的情况下 ,采用绿化带可有效防止泥沙灾害。对于坡度较陡、缓冲带宽度不足、径流源头区无大量堆积土沙 ,但河床有大量沉积泥沙的河道 ,绿化带与砂防坝和固床工程相结合 ,方可有效防止泥沙灾害。     

蒋家沟泥石流入汇时小江悬移质输沙特征分析

以2009年8月4日蒋家沟的一场泥石流入汇小江后泥沙观测资料为基础,分析了蒋家沟泥石流入汇小江后的泥沙输移特征。泥石流为小江直接提供了大量的悬移质泥沙,导致入汇时小江输移的泥沙量剧增,输沙率达到了平时的5倍以上;部分堆积于入汇口的泥石流固体物质也在泥石流结束后受小江水流冲刷再次起动,使小江悬移质输沙率在泥石流结束后呈平稳下降,与蒋家沟呈幂曲线下降形成明显的区别。由于泥石流输入的泥沙中细颗粒更容易被小江水流输移,因此尽管入汇的泥石流泥沙中粗颗粒含量较高,但在小江泥沙中含量增加的却是较细的粉沙、黏土颗粒,小江悬移质的中值粒径与含沙量、输沙率和流量的关系曲线都呈上凸形。     

泥石流堆积泛滥过程的数值模拟及其危险范围预测模型的研究

应用二维非恒定流理论，对泥石流堆积泛滥过程进行了数值模拟。基于绘制泥石流堆积区域流速分布图的泥深分布图的基本思想，用隐式剖开算子法求解泥石流扩散过程的二维非恒定流方程组，建立了预测泥石流堆积危险范围的数学模型，通过实例应用与检验，符合性较好，是一种值得推广应用的方法，泥石流堆积泛滥范围预测数学模型的建立，在减轻泥石流灾害中可以发挥十分重要的作用。     

山地流域中的水土流失追踪与拦沙坝拦沙效果评价

山区大量的水土流失,使下游河床不断抬高。为此,在水系内发展了防沙事业,以防止可能增加的洪水量。根据施工位置不同,防沙工程大致可分为坡面工程和沟道工程。坡面工程是针对崩塌地点等泥沙易于流失的地方而直接修筑的工程;沟道工程包括两类:一类是通过固定沟床,拦沙坝护岸,用以抑制沟床及沟坡产沙的工程;一类是用以拦蓄泥沙的拦沙坝及沙库和减少泥沙输至下游的工程。修筑拦沙坝一般要求有两方面的效果,即抑制泥沙产生和抑制、调节水土流失。希望能制订出合理配置拦沙设施,达到最佳拦沙效果的防沙规划,但是,自1955年建设省技术研究会提出以实地资料为基础,评价拦沙坝的拦沙效果以来,由于没有发生过几次大水,仅进行过一、两次研究。笔者收集了全国各地由于洪水而造成泥沙产生、流失的有关资料,并以河床演变计算为基本方法进行了分析,提出了比较接近实际的山地流域泥沙产生、流失的追踪方法(模拟实验模型),且就拦沙设施的分类,规模及配置进行了研究。 本文以中部地方建设局静冈河道工程事务所管辖范围内的安倍川上游(43.5km~2),1982年两次发水所造成的水土流失为例,分析了拦沙坝的淤积测量资料,评价了每个拦沙坝的拦沙效果。同时,通过河床演变计算,对水土流失追踪的现状与假设状况的比较,对拦沙坝群的拦?     

泥沙浓度及粒径对水轮机转轮内部流动影响的数值分析

为了掌握泥沙介质在水轮机转轮中的分布规律以及对转轮压力场的影响,该文应用固液两流体多相流动模型,充分考虑了固液两相间的相互作用,通过求解雷诺时均N-S方程和重正化群k-ε湍流方程,对不同泥沙介质条件下水轮机转轮通道中的流动进行数值研究。研究结果表明,含沙水会导致水轮机转轮叶片表面压力载荷增大,固液两相间速度差异是导致叶片表面泥沙体积浓度分布的变化的主要原因。小粒径泥沙在叶片表面分布均匀且体积浓度低,大粒径泥沙会集中分布在叶片的前缘及出水边等区域。该研究可为多泥沙电站水轮机转轮抗泥沙设计提供参考。     

北京双紧梢沟泥石流堆积物的特征及演变

北京山区具备泥石流形成与发生条件,泥石流灾害的发生较为频繁。在收集当地泥石流发生历史资料的基础上,详细调查了西白莲峪双紧梢沟的自然地理状况和泥石流堆积物的特点。采用野外量测和填图的方法调查双紧梢沟泥石流的地貌特征;现场选取一定数量的砾石进行abc长度和倾向调查,测定双紧梢沟泥石流堆积物的结构特征;选定泥石流典型区域,进行挖圆探坑,取出全部颗粒并带回实验室,进行粒度分析;同时,对双紧梢梢沟泥石流堆积扇的发育和演变过程进行分析。粒度分析结果表明双紧梢沟泥石流堆积物砾石平均粒径为0.256m,磨圆度为2～6。90%以上砾石直径为0.220～0.410m,最大砾石直径为0.409m,堆积物主要有砾石和一些粗骨性碎屑物质组成,砾石排列无明显特征,分选差。由粒度分析可知,该区泥石流堆积扇的形成受到水石流形成过程的影响,水石流形成堆积扇,之后可能发生粘性泥石流。由其频率曲线为一多峰曲线。该曲线说明泥石流发生时,其砾石的搬运方式由推移、跳跃、悬浮三大部分组成。双紧梢沟泥石流堆积扇的演变过程和特征明显受到双紧梢沟和西白莲峪主沟水流的影响。该研究结果对今后进一步探讨北京山区泥石流形成机理和运动过程以及为泥石流防治制定有效措施提供参考。     

发生泥石流时缝隙坝的拦沙机理

通过试验和实地考察,证实了钢管透水型防沙坝具有拦截泥沙作用.同时,通过试验模型、实地调查也进行了缝隙坝对冲刷泥沙调节效果的研究.但混凝土缝隙坝对泥石流拦截作用尚未做过系统的调查研究.缝隙坝发挥拦截泥沙作用主要取决于坝堤回水是否导致泥石流前端不能到达坝址处就停止,而在退水期,堆积在坝堤近旁的细粒泥沙流出后,总体上不能拦截泥石流等问题.这将是决定能否在有泥石流危险的溪流处设置缝隙坝的首要问题.因此,设想在泥石流危险河段中间、出口、泥石流冲积扇上端改变行洪坡度来观察缝隙坝对泥石流、泥沙流、冲刷流的泥沙拦截作用.     

日本应用实测洪水径流资料模拟泥石流运动过程

研究泥石流运动规律 ,模拟泥石流运动过程 ,利于掌握其沉积、泛滥的危险区域 ,制定防灾对策。日本学者原田民司郎等人 ,采用实测泥石流资料 ,应用泥石流输沙模型及其运动方程、连续方程式 ,再现了日本水无川 1992年8月泥石流的运动过程。经比较 ,实测值与计算值大体一致。对其他泥石流模拟 ,再现性良好 ,采用泥石流输沙模型 ,实测降雨量 ,实测泥石流水位、流速 ,便可模拟泥石流运动过程     

透水型防沙坝拦截裹挟树木泥石流的性能

在泥石流易发区的小流域沟壑治理中,设计修建透水型防沙坝,快速形成堵截的功能。而拦截功能,主要取决于透水断面建材的净间距(L)和泥石流中石砾的最大粒径(dmax)之比,建议设计参数取1.0≤L/dmax≤1.5。在发生泥石流时,当大量的树木常裹挟于泥石流中,难以忽略流动树木对拦截功能的影响。2009年日本学者进行了透水型防沙坝拦截裹挟树木的泥石流试验。其研究结论是:泥石流拦截率的提高,与LV/dmax密切相关。木材堆积率在10%以下,拦截率表现离散。伴随LV/dmax的增大,其离散度有变大的趋势,木材堆积率的拦截率影响变大。此项研究对于我国研究防御同类泥石流,具有借鉴作用。     

含沙水流在植被斑块中的输沙规律及阻力机制试验

为深入探究自然状态下含植被水沙运动过程及植被阻水拦沙机理,利用室内开闸式平坡水槽试验研究了泥沙粒径级配、植被冠层形态特征、植被密度对含沙水流输沙规律及阻力机制的影响。提出植物叶片长宽比作为衡量单株植物的冠层形态特征指标,用无量纲沉积通量和不同尺度下的无量纲冠层阻力划分含沙水流运动状态,掲示冠层形态特征及泥沙粒径级配对含沙水流运动过程的影响。研究结果表明,含沙水流中泥沙沉积通量受植物冠层形态和粗粒径悬移质（10～100 μm的弱黏性颗粒）含量影响,且植被冠层形态及泥沙粒径级配与无量纲沉积通量之间在阻力主导阶段存在强烈的反馈机制。植被冠层形态较大或粗粒径悬移质含量高的含沙水流中,沿水流运动方向床沙细化趋势更显著。相较于受叶片长宽比影响的冠层形态特征及植被密度,悬移质泥沙粒径级配因素对植被阻水拦沙效果的影响程度较为微弱。研究成果可为流域侵蚀输沙过程和河流水沙资源管理提供一定的科学依据。     

应用粒子图像流速测定法解析泥石流运动形态

在世界范围内,对泥石流等泥沙灾害的全部运动过程尚未有实用的定量的测试手段。日本学者柳原幸希等采用数值图像PIV技术对泥石流运动区域进行监测。其结论是能够在某种程度上解析泥石流运动的速度、时间的动态变化;有可能实现对泥石流的定量观测与分析。但因使用的是不以图像解析为前提的已存录像,存在图像不清晰、噪声干扰等问题,今后利用PIV技术分析泥石流时,拍摄崩塌画面尽可能正面对准现场,摄影时应注意不摇晃。尽可能使用高速度相机,用单色灰色标度拍摄,控制来自受光元件的电器噪音。用两台相机同时进行测量,实施立体解析可更准确地把握崩塌现象。同时应积累解析事例,借助崩塌实验、崩塌实例,校正测量值或事先摸清实际值。对观测误差的校正、监测精度,有待于进一步研究。     

关于透水型拦沙坝回水极限的研究

透水型拦沙坝一般不产生回水,但当透水型拦沙坝排水口堵塞时,也会产生回水而影响泥石流防治效果。研究透水型拦沙坝回水将有利于透水型拦沙坝的结构设计。日本建设技术研究所研究人员利用水工模型进行了透水型拦沙坝在排水口堵塞后产生回水的研究,回水发生的条件取决于透水率。透水率越小,越易产生回水。坝前比降为水平时易产生回水。在同等条件下,对于相同的坝前水深、坝前比降为水平时,回水区增长。回水发生时,随流量增大,坝前水位增高,回水也随之变长。若增大流量,回水发生将向不发生转变。水跃发生位置将移至坝前。     

北京王虎沟泥石流堆积物粒度参数分析

通过野外实地调查与室内实验相结合的方法,对王虎沟泥石流堆积物的粒度组成进行研究分析,采用平均粒径、分选系数、偏度、峰度等粒度参数分析了北京王虎沟堆积物特征。研究表明:颗粒平均粒径在上、中和下游表现为大—小—大,整个流域颗粒的分选均较差,上游和中游堆积区颗粒粒径偏度比下游更趋于对称;上中下游峰度值表现为大—小—大。通过对当地泥石流堆积物颗粒参数的分析,得出:此流域如遇暴雨极易发生泥石流灾害,会对当地人民群众的生产生活带来重要影响。     

泥石流排导槽最小不淤纵坡初步试验研究

纵坡是泥石流排导槽设计重要参数之一. 通过试验研究,对2组粒径级配,8种不同容重的泥石流在排导槽内运动最小纵坡进行研究,结果表明:(1) 粒径小于0.05 mm的泥流可以在很小排导坡度下流动; 同一容重、级配的泥石流,随排导槽纵坡减小,槽内运动速度逐渐减缓,泥深增大;(2) 随泥石流容重的增大,排泄其所需纵坡将增加;泥石流最小不淤纵坡除与容重有关外,还与固体物质粒径大小、细颗粒含量等有密切关系.