基于旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)的泥石流阻力坡降速率效應(yīng)研究*

鄧檢良 余 斌 沈水龍

DENG Jianliang①② YU Bin② SHEN Shuilong①

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基于旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)的泥石流阻力坡降速率效應(yīng)研究*

鄧檢良①②余 斌②沈水龍①

使用自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)水槽制作穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)的泥石流，通過(guò)實(shí)測(cè)泥石流阻力坡降和流動(dòng)速度，探索泥石流阻力坡降的速率效應(yīng)。在旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)中，通過(guò)控制線速度v，制作出穩(wěn)定循環(huán)運(yùn)動(dòng)的泥石流，其阻力坡降J等于槽底坡降tanθ，可以實(shí)測(cè)。試驗(yàn)再現(xiàn)了野外的泥石流運(yùn)動(dòng)特性，觀察到“龍頭”、顆粒彈跳、低阻力坡降、固液相分離、剪切速率效應(yīng)等現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，在一定的流動(dòng)速度范圍內(nèi)(例如試驗(yàn)中1.88m·s-1≥v>0.47m·s-1)，泥石流的流動(dòng)速度越高，阻力坡降越大； 如果泥石流運(yùn)動(dòng)速率過(guò)低(例如試驗(yàn)中v<0.47m·s-1)，泥石流會(huì)出現(xiàn)固液兩相分離現(xiàn)象，礫石(粒徑>2mm)運(yùn)動(dòng)明顯落后于液相運(yùn)動(dòng)。本項(xiàng)目的試驗(yàn)研究成果為泥石流制作和阻力坡降測(cè)量提供新途徑，為泥石流阻力坡降的速率效應(yīng)理論研究提供實(shí)驗(yàn)支持。

泥石流 阻力坡降 流動(dòng)速率 旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)

DENG Jianliang①②YU Bin②SHEN Shuilong①

0 引 言

在泥石流運(yùn)動(dòng)問(wèn)題中，運(yùn)動(dòng)阻力是泥石流災(zāi)害防治中的關(guān)鍵參數(shù)之一，也是泥石流運(yùn)動(dòng)研究中最主要的問(wèn)題之一(崔鵬等， 1993)，理論計(jì)算方法尚無(wú)定論。目前大多數(shù)的泥石流的阻力理論研究是通過(guò)對(duì)泥石流體內(nèi)部作用力的研究，計(jì)算不同條件下泥石流的阻力。由于泥石流由固液兩相以及少量的氣相組成，且固相包含粒徑差異巨大的顆粒，因此泥石流內(nèi)部作用力非常復(fù)雜(Bagnold， 1954； Johnson et al.，1970； Savage， 1979； Iverson， 1997； 費(fèi)祥俊等， 2004； Pitman et al.，2005； 王沁等， 2005； Takahashi， 2007； Deng et al.，2011)。

在我國(guó)泥石流研究中，運(yùn)動(dòng)阻力計(jì)算方面取得了一系列研究成果(錢寧等， 1984)。費(fèi)祥俊等(2004)根據(jù)泥石流中固體顆粒運(yùn)動(dòng)形式的不同，提出非均質(zhì)兩相流模型求解固液兩相分界粒徑。沈壽長(zhǎng)(1998)對(duì)液相采用賓漢體模型，對(duì)固相采用膨脹體模型，在考慮兩相之間的相互作用的基礎(chǔ)上，提出兩相流應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系。王兆印等(2001)的研究表明泥石流的固液兩相可具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)； 鋪床作用使黏性泥石流出現(xiàn)明顯的減阻。祁龍(2000)認(rèn)為黏性泥石流阻力的增加主要由推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)造成。樊赟赟等(2010)分析了固液兩相的阻力。在計(jì)算中，固相阻力往往被簡(jiǎn)化成一個(gè)統(tǒng)一值(錢寧等， 1984； 祁龍等， 2000； 費(fèi)祥俊等， 2004)。然而固相的組成復(fù)雜，不同泥石流固相的流動(dòng)速度、體積比濃度、顆粒級(jí)配等差異巨大，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)阻力坡降大不相同，文獻(xiàn)調(diào)查中尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)這些影響因素的系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究。由于阻力的理論計(jì)算困難，泥石流防治規(guī)劃設(shè)計(jì)部門從工程實(shí)用角度提出泥石流阻力計(jì)算公式。我國(guó)泥石流災(zāi)害分布廣泛，觀測(cè)資料多，因此產(chǎn)生了很多地區(qū)性的經(jīng)驗(yàn)公式。杜榕桓等(1987)根據(jù)泥石流泥深、流速等的觀測(cè)資料，用綜合糙率反映黏性泥石流內(nèi)部及外部的綜合阻力因子。

旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)作為泥石流運(yùn)動(dòng)的物理模擬試驗(yàn)是最近才引起人們的注意。旋轉(zhuǎn)水槽可以看作是底面微彎的傳統(tǒng)水槽(王兆印等， 2001)繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的試驗(yàn)裝置。旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)由物理學(xué)研究中的旋轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)(Chou et al.， 2012)演變而來(lái)，早先被當(dāng)作流變儀的替代設(shè)備用來(lái)測(cè)定泥石流的流變參數(shù)(Huizinga， 1996； Kaitna et al.， 2007)。另一方面，Leonardi et al.(2015)在2015年發(fā)表的旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)中觀測(cè)到了固體顆粒不均勻分布現(xiàn)象和清晰的固液兩相分離現(xiàn)象?？紤]到這兩個(gè)現(xiàn)象符合野外泥石流運(yùn)動(dòng)的特征(王兆印等， 2001; 費(fèi)祥俊等， 2004)，而且旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)中固液兩相形成穩(wěn)定循環(huán)(stationary recirculating)流動(dòng)，因此Leonardi et al.(2015)認(rèn)為旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)可作為泥石流的物理模擬手段。

本研究使用自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)水槽，通過(guò)控制線速度制作穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)的泥石流。通過(guò)實(shí)測(cè)泥石流阻力坡降和流動(dòng)速度，探索泥石流阻力坡降的速率效應(yīng)。本項(xiàng)目的試驗(yàn)研究成果為泥石流制作和阻力坡降測(cè)量開辟新途徑； 理論研究成果為進(jìn)一步研究泥石流阻力坡降規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與土樣

根據(jù)Leonardi et al.(2015)的試驗(yàn)原理，本項(xiàng)目研發(fā)的旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)設(shè)備 (圖1)由3部分組成：旋轉(zhuǎn)水槽、動(dòng)力控制與傳動(dòng)裝置和攝影系統(tǒng)。其中旋轉(zhuǎn)水槽的直徑30cm，槽寬3cm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃。動(dòng)力由電機(jī)提供，由計(jì)算機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。攝影系統(tǒng)采用每秒25幀的攝像速度。

圖1 旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)設(shè)備組成簡(jiǎn)圖

使用在野外泥石流溝(四川省汶川縣七盤溝)溝口表層采集的土樣，其中黏土5%、砂67%、礫石28%，不含粒徑10mm以上的顆粒。泥石流容重γm=1.46t·m-3，根據(jù)費(fèi)祥俊等(2004)，這種泥石流介于稀性泥石流和黏性泥石流之間。泥石流平均速度v可由轉(zhuǎn)速控制，依據(jù)試驗(yàn)中泥石流的運(yùn)動(dòng)狀況，合理確定v的上下限。

圖2 旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)實(shí)測(cè)阻力坡降示意圖

1.2 阻力坡降測(cè)量方法

旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)通過(guò)控制線速度v(依次為： 1.88、0.94、0.47、0.24和0.12m·s-1)制作泥石流，泥石流自動(dòng)在一定區(qū)域內(nèi)形成穩(wěn)定循環(huán)運(yùn)動(dòng) (圖2)； 此時(shí)的阻力坡降J等于槽底坡降tanθ，可以實(shí)測(cè)。例如在圖2 中：θ=θ1，其中，θ1可根據(jù)攝影記錄測(cè)定。在試驗(yàn)中，由于泥石流形狀并不規(guī)則(例如有“龍頭”、“龍尾”等)，而粗顆粒(礫石)所在區(qū)域相對(duì)比較規(guī)則，因此測(cè)定粗顆粒所對(duì)應(yīng)的圓心角θg，以近似替代θ1的值，即以粗顆粒對(duì)應(yīng)的坡降Jg近似替代J。即：

(1)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)制作了穩(wěn)定循環(huán)的泥石流 (圖3)。穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)現(xiàn)象與國(guó)外同行(Leonardi et al.， 2015)觀測(cè)到的現(xiàn)象一致，但本項(xiàng)目預(yù)研試驗(yàn)中使用的是寬粒徑分布土樣，且無(wú)固體顆粒黏接于槽底的現(xiàn)象。

(2)觀測(cè)到泥石流形成的“龍頭”和顆粒彈跳現(xiàn)象 (圖3a)。與水槽試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果一致(Savage， 1979)。此現(xiàn)象未見Leonardi et al.(2015)報(bào)道。

(3)觀測(cè)到低阻力坡降現(xiàn)象。圖3b觀測(cè)到的阻力坡降為tan7°，這個(gè)阻力坡降屬于比較低的坡降，處在野外泥石流溝常見的溝谷坡降范圍內(nèi)。圖3c觀測(cè)到的阻力坡降則低至tan1°(圖3c)?？紤]到圖3c中的固液兩相可能實(shí)際上已經(jīng)分離，所以這種極低的阻力坡降在野外泥石流中可能只是暫時(shí)現(xiàn)象，難于觀測(cè)。但圖3c的試驗(yàn)也從一個(gè)側(cè)面證實(shí)，泥石流可能出現(xiàn)非常低的阻力坡降。此現(xiàn)象未見Leonardi et al.(2015)報(bào)道。

(4)觀測(cè)到固液相分離現(xiàn)象 (圖3d)。此現(xiàn)象與野外觀測(cè)結(jié)果一致(王兆印等， 2001)； 與Leonardi et al.(2015)觀測(cè)到的現(xiàn)象一致。

(5)觀測(cè)到剪切速率效應(yīng)。例如：v為0.94m·s-1的情況下，阻力坡降低J是tan7°(圖3b)；v為0.47m·s-1的情況下，J是tan1°(圖3c)。此現(xiàn)象與Leonardi et al.(2015)觀測(cè)到的現(xiàn)象一致。

圖4為(v/v0)-Jg關(guān)系(其中，v0=0.47m·s-1，對(duì)應(yīng)于固液相不分離的最小v值)。在4>v>1的情況下，礫石顆粒處于固液兩相流的中部或前部，即礫石顆?？呻S兩相流一起運(yùn)動(dòng) (圖3a、圖3b和圖3c)。此時(shí)Jg與J大致相等，且Jg隨log(v/v0)的增加大致成線性上升，證明阻力坡降隨泥石流速率的增加而增加，這種線性關(guān)系與曼寧公式描述的關(guān)系有一定差異，但同樣證實(shí)了阻力坡降具有顯著的速率效應(yīng)。在v<0.47m·s-1的情況下，礫石顆粒處于固液兩相流的后部或已經(jīng)脫離固液兩相流，此時(shí)的θg只能用來(lái)評(píng)價(jià)礫石本身與槽底的摩擦阻力，不能用來(lái)評(píng)價(jià)泥石流的阻力坡降J。事實(shí)上，此情況下的tanθg隨log(v/v0)的增加大致成線性減小 (圖4)。

圖3 旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)結(jié)果

圖4 logv-Jg關(guān)系

目前的旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)的局限性在于： (1)試驗(yàn)中的固液兩相流體缺乏通過(guò)“頭沖尾淤”與溝床殘留層進(jìn)行物質(zhì)交換。(2)寬粒徑分布土樣取自溝口表層，固體顆粒最大粒徑不超過(guò)10mm，但實(shí)際野外泥石流溝底的固體顆粒粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10mm，尺寸效應(yīng)可能非常大，在今后的研究中需要進(jìn)一步研究這種尺寸效應(yīng)。(3)本實(shí)驗(yàn)研究尚處于起步階段，試驗(yàn)成果需要進(jìn)一步與相應(yīng)的傳統(tǒng)水槽和大型溝道試驗(yàn)成果以及野外觀測(cè)結(jié)果比較。

3 結(jié) 論

本研究使用自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)水槽制作穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)的泥石流，通過(guò)實(shí)測(cè)泥石流阻力坡降和流動(dòng)速度，探索泥石流阻力坡降的速率效應(yīng)。本項(xiàng)目的試驗(yàn)研究成果為泥石流制作和阻力坡降測(cè)量提供新途徑。通過(guò)本課題的試驗(yàn)研究，可得到如下結(jié)論：

(1)在旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)中，可以通過(guò)控制線速度v制作在一定區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定循環(huán)運(yùn)動(dòng)的泥石流。此時(shí)的阻力坡降J等于槽底坡降tanθ，可以實(shí)測(cè)。

(2)在旋轉(zhuǎn)水槽試驗(yàn)中，可以觀察到“龍頭”、顆粒彈跳、低阻力坡降、固液相分離、剪切速率效應(yīng)等現(xiàn)象。這些室內(nèi)觀測(cè)結(jié)果印證了野外觀測(cè)結(jié)果。

(3)在一定的流動(dòng)速度范圍內(nèi)(本研究中1.88m·s-1>v>0.47m·s-1)，且J隨log(v/v0)的增加大致成線性上升(其中，v0=0.47m·s-1)。這種線性關(guān)系與曼寧公式描述的關(guān)系有一定差異，但同樣證實(shí)了阻力坡降具有顯著的速率效應(yīng)。如果泥石流運(yùn)動(dòng)速率過(guò)低(本研究中v<0.47m·s-1)，泥石流會(huì)出現(xiàn)固液兩相分離現(xiàn)象，礫石(粒徑>2mm)運(yùn)動(dòng)明顯落后于液相運(yùn)動(dòng)。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 1004-9665/2016/24(5)- 0981- 11

EFFECTS OF FLOW RATE ON FRICTION SLOPE OF DEBRIS FLOW WITH ROTATING FLUME TESTS

This paper uses a newly developed rotating flume experiment apparatus. The friction slope and flowing rate of the debris flow are measured to evaluate the effect of flow rate on the friction slope. In the rotating flume experiment， a stationary recirculating debris flow is produced by controlling the rotating ratev.The friction slopeJof the debris flow is experimentally evaluated by measuring the tangential slope of the flume. In the experiments， the properties of debris flow are observed， including the shape of the head， the jump of large particles， the low friction slope， the segregation of solid phase from liquid phase and the flow rate effect. The experimental results show that the magnitude ofJincreases with the increasing flow ratevunder a certain conditions onv(e.g.1.88m·s-1≥v>0.47m·s-1in this research).The segregation of solid phase from liquid phase occurs whenvis too small(e.g.v<0.47m·s-1in this research).The displacement rate of gravels is much lower than the flow rate of the liquid phase. The experimental results provide an alternative method of producing debris flow and an alternative measurement method of friction slope. They also provide an experimental support for the further researches on the flow rate effect of debris flow．

Debris flow， Friction slope， Flow rate， Rotating flume test

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.029

2016-06-17;

2016-07-26.

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金新教師類(20120073120020)， 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLGP2013K022)資助.

鄧檢良(1976-)，男，博士，講師，主要從事土構(gòu)造物長(zhǎng)期性能和工程地質(zhì)防災(zāi)減災(zāi)方面的教學(xué)和科研. Email: dengjianliang@sjtu.edu.cn

P642.3

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