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对我国西南地区的泥石流而言,由于大量细小颗粒的存在,大多表现为颗粒级配宽、容重(1.46～2.40 t/m3)变化范围大、流速分布不均的非均质两相流特征。目前,对非均质泥石流整体运动的定性和定量研究较多,而对于其内部的固液两相运动及相互关系的研究并不多见。本文以非均质泥石流为研究对象,采用流体力学、水动力学、泥沙运动力学等多学科理论方法,在已有的固液两相分界粒径模型的基础上,进一步研究非均质泥石流的固液两相运动速度及其相互关系以及对泥石流堆积作用的影响机理,并进一步提出非均质泥石流泥位特征值计算方法,以便用于工程实践。
基于非均质泥石流固液两相分界粒径模型,通过对非均质泥石流固液两相进行划分,将水和粒径dd0的粗颗粒视为固相。根据水流阻力公式及质量守恒规律,经过必要的推导与理论分析,确定了非均质泥石流固液两相流运动流速,从而构建了非均质泥石流固液两相流运动模型。
根据泥石流形成所需要的必要条件,在云南东川蒋家沟流域内实施了泥石流模拟试验,获得25试验组数据。通过对非均质泥石流固液两相运动流速验证分析发现,当泥石流容重γc<2.234 t/m3时,泥石流液相流速Ul大于固相流速Us,当泥石流容重γc>2.234 t/m3时,相流速Ul小于固相流速Us。进一步运用中国科学院东川泥石流观测研究站观测数据对其进行验证,结果表明非均质泥石流容重γc=2.234 t/m3确实为固液两相运动流速的拐点,验证结果令人满意,表明模型具有较好的可靠性。
基于非均质泥石流分界粒径模型、固液两相运动模型及水文学原理,本文提出了无资料地区的非均质泥石流泥位特征值的计算方法。基于在四川宁南县史家沟和云南巧家县水碾河两条长江上游典型泥石流沟道的实际应用可知:在泥石流容重为1.80～2.20 t/m3条件下,史家沟泥石流的泥位特征值为0.78～1.91 m,水碾河泥石流的泥位特征值为2.38～6.39m,为两条沟道的泥石流监测预警系统提供技术支撑。