泥石流泥舌动力过程的数值模拟研究

泥石流下泄泥舌运动特征参数是制约下泄泥舌冲击特性和拦砂坝下游沟道冲刷研究的重要因素。大多数研究基于模型实验来研究泥石流过坝形成泥舌,成果受到观测手段与研究条件等限制,成果的实际应用意义不大。利用数值模拟方法研究清水或挟沙水流过坝现象,反演泥石流在过坝过程中的流动规律和流动状态,已经证明了数值模拟方法模拟泥石流运动特性的可行性,然而少有学者利用数值模拟针对泥舌运动进行仿真研究。本文针对拦砂坝满库状态,采用基于能有效追踪自由界面的VOF方法的k-ε紊流模型,模拟泥舌下泄运动过程,利用室内模型实验中无法获得的较为详细的流场信息,重点研究泥舌的纵向厚度、下游入射角以及流速分布的变化规律,分析泥舌运动参数与水平抛射距离之间的变化关系,探讨在不同泥石流容重和沟床条件下泥舌断面形态的沿程变化规律,并与已有的室内水槽模型实验结果进行比较分析。结果表明:(1)根据泥舌断面形态,泥舌空中运动段可分为密实段、扩散段和破碎段三个阶段;(2)泥舌的纵向厚度和下游入射角均随抛射距离的增大而增大,同时随泥石流容重和沟床纵坡的变化而变化;(3)泥舌的断面平均速度随抛射距离的增大而增大,且射距越大,流速分布越不均匀,呈中间大、周围小的特点。模拟结果与实验结果吻合良好,说明利用该数学模型模拟泥舌运动是可行的。本研究利用数值模拟对泥舌运动过程进行研究,弥补了模型实验中无法直接测量空中泥舌的形态和流速分布的不足,为准确认识泥舌水力特性提供了依据。

泥石流泥舌水力特性的沿程变化实验研究

泥石流过坝泥舌的水力特性与拦砂坝下游冲刷坑的最终深度、长度和宽度等形态特征密切相关,准确认识泥舌下泄沿程上的水力特性对研究坝下游冲刷过程十分重要。通过进行6组泥石流容重条件、6组沟床纵坡条件泥舌下泄室内水槽实验,重点研究了泥舌在下泄沿程的运动轨迹、纵向厚度变化特征、横向宽度变化特征和下游入射角变化特征的水力特性,建立了泥舌水力特性与射距的关系,并通过分析泥舌水力特性与射距的相关关系得到泥石流容重、沟床纵坡对泥舌水力特性的影响。研究结果表明:(1)泥舌下泄运动类似于抛物体运动,在相同实验条件下,高容重泥石流和低沟床纵坡条件下对应的泥舌下泄运动轨迹曲线变化程度较大,低容重泥石流和高沟床纵坡条件下的泥舌下泄运动轨迹曲线变化程度较小;(2)泥舌纵向厚度随着射距的增大而增大,纵向厚度变化率与射距增大而增大并呈线性正相关性,二者线性斜率随着泥石流容重的增大先增大后减小、随着沟床纵坡的增大而减小;(3)泥舌横向宽度随着射距的增大而减小,横向宽度变化率随着射距的增大而减小并呈线性负相关性,二者线性斜率随着泥石流容重的增大而减小、随着沟床纵坡的增大先减小后增大;(4)泥舌下游入射角随着射距的增大而增大,下游入射角变化率随射距的增大而增大呈线性正相关,二者线性斜率随着泥石流容重的增大而增大、随着沟床纵坡的增大而减小。本研究着眼于泥舌下泄运动现象问题,研究了不同泥石流容重、沟床纵坡实验条件下泥舌在下泄沿程上的水力特性,以期准确认识泥舌水力特性,为研究坝下游防治冲刷提供参考。

泥石流拦砂坝下游局部冲刷研究现状及展望

下游局部冲刷是影响泄水建筑物、泥石流拦砂坝安全运行的共同危害形式之一.对泄水建筑物与泥石流拦砂坝下游局部冲刷的准确认识,是防治下游局部冲刷的依据.以泄水建筑物与拦砂坝下游局部冲刷为研究对象,对下游局部冲刷坑深度计算、冲刷动力来源—水舌和泥舌的研究现状进行阐述与分析.总结得出:对泄水建筑物下游局部冲刷坑深度的计算已有较多计算公式及预测模型,关于其冲刷动力来源—水舌的水力特性也有较全面研究;拦砂坝下游局部冲刷的研究大多借鉴水利工程上的研究成果,然而泥石流属于非牛顿流体、不同于水流,并不能将泄水建筑物下游局部冲刷的研究成果简单应用于泥石流中。此外,对拦砂坝下游局部冲刷的动力来源—泥舌的水力特性认识不够充分.鉴于拦砂坝下游局部冲刷研究中存在的不足,探讨了未来可开展的工作:①基于物质组成和流速分布的泥舌水力特性研究;②基于动力演变过程的泥舌冲击力特征研究;③基于泥石流动力学过程的拦砂坝下游冲刷坑参数计算方法研究.