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《中国水利水电科学研究院》 2002年
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泥石流与主河的汇流机理及泥石流运动的数值模拟

胡健  
【摘要】: 泥石流与主河交汇问题是流体运动研究领域的一个新课题。它研究不同流体汇流产生的相互作用,处于牛顿流体运动研究和非牛顿流运动研究的交叉点。 本文首先研究了整个泥石流流域上发生的汇流现象,从泥石流产生区、流通区以及堆积区对泥石流汇流的形式和特点进行了总结。将泥石流汇流按流体物理性质重新分类,给出三种基本汇流形式。在此基础上,讨论了泥石流汇流与水流汇流的关系。 泥石流与主河汇流造成的灾害严重而且机理复杂。本文系统地总结了泥石流与主河汇流的运动方式、冲刷形式、汇流结果和沉积特征,阐述了泥石流汇入主河时的运动特点。研究分析泥石流潜入水下运动的机理和受力,考虑交界面动水压力的影响,给出泥石流水下运动的受力表达式。结合泥石流水下运动特点,讨论水下泥石流的交界面稳定问题和交界面上的泥沙交换,给出交界面失稳判别式。探讨泥石流堵河的影响因素和堵河体的形式,提出新的堵河判别条件。 在探讨入汇机理的基础上,认为粘性泥石流入汇对主河的影响主要体现在河床地形的改变。将粘性泥石流与主河的汇流视为分层流研究,上层为主河水流模型,下层为水下泥石流运动模型。由两者之间的相互关系,在水下泥石流运动模型中考虑水流动水压力和剪切阻力的影响,在水流模型中考虑泥石流入汇产生的地形影响,推导出二维粘性泥石流入汇主河的基本方程,并讨论了方程中参数的选取问题,运动阻力项参考结构二相流单流体模型的阻力表达式给定。 对主河无水流情况下的泥石流运动(即沟道泥石流运动)进行了数学模拟。数学模型采用一种基于三角网格的显式差分格式—有限节点法。这种方法将有限元的思想与有限差分的方法结合起来,吸收了有限元方法中三角网格模拟边界条件符合实际情况的优点,又具有差分方法计算量小的特点,方法的适用性经过了大量工程实践的检验。同时,此方法是显式差分格式,能够方便地处理交汇区的动边界问题。 本文在数学模型的调试与开发中,加入了可视化计算方面的工作,使计算结果更加直观。对于计算量大、费时长和平面形态复杂的数学模拟,实时图形显示和控制能够大大提高计算效率。 为了验证二维粘性泥石流运动数学模型的正确性,以泥石流小型堆积模型试验为模拟对象,计算模拟在不同来流方式、堆积区坡度和泥石流容重情况下的泥石流堆积范围。结果表明,粘性泥石流结构二相流模型对于一次来流堆积情况的模拟符合较好。由于缺乏合理的多次堆积模式,对于泥石流多次来流的累加堆积情况不适用。
【学位授予单位】:中国水利水电科学研究院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:P642.23

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