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)流動的泥石流，通過實測泥石流阻力坡降和流動速度，探索泥石流阻力坡降的速率效應(yīng)。在旋轉(zhuǎn)水槽試驗中，通過控制線速度v，制作出穩(wěn)定循環(huán)運動的泥石流，其阻力坡降J等于槽底坡降tanθ，可以實測。試驗再現(xiàn)了野外的泥石流運動特性，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。試驗結(jié)果表明，在一定的流動速度范圍內(nèi)(例如試驗中1.88m·s-1≥v>0.47m·s-1)，泥石流的流動速度越高，阻力坡降越大； 如果泥石流運動速率過低(例如試驗中v<0.47m·s-1)，泥石流會出現(xiàn)固液兩相分離現(xiàn)象，礫石(粒徑>2mm)運動明顯落后于液相運動。本項目的試驗研究成果為泥石流制作和阻力坡降測量提供新途徑，為泥石流阻力坡降的速率效應(yīng)理論研究提供實驗支持。

泥石流 阻力坡降 流動速率 旋轉(zhuǎn)水槽試驗

DENG Jianliang①②YU Bin②SHEN Shuilong①

0 引 言

在泥石流運動問題中，運動阻力是泥石流災(zāi)害防治中的關(guān)鍵參數(shù)之一，也是泥石流運動研究中最主要的問題之一(崔鵬等， 1993)，理論計算方法尚無定論。目前大多數(shù)的泥石流的阻力理論研究是通過對泥石流體內(nèi)部作用力的研究，計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； 費祥俊等， 2004； Pitman et al.，2005； 王沁等， 2005； Takahashi， 2007； Deng et al.，2011)。

在我國泥石流研究中，運動阻力計算方面取得了一系列研究成果(錢寧等， 1984)。費祥俊等(2004)根據(jù)泥石流中固體顆粒運動形式的不同，提出非均質(zhì)兩相流模型求解固液兩相分界粒徑。沈壽長(1998)對液相采用賓漢體模型，對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運動； 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)運動造成。樊赟赟等(2010)分析了固液兩相的阻力。在計算中，固相阻力往往被簡化成一個統(tǒng)一值(錢寧等， 1984； 祁龍等， 2000； 費祥俊等， 2004)。然而固相的組成復(fù)雜，不同泥石流固相的流動速度、體積比濃度、顆粒級配等差異巨大，導(dǎo)致運動阻力坡降大不相同，文獻(xiàn)調(diào)查中尚未發(fā)現(xiàn)對這些影響因素的系統(tǒng)性的試驗研究。由于阻力的理論計算困難，泥石流防治規(guī)劃設(shè)計部門從工程實用角度提出泥石流阻力計算公式。我國泥石流災(zāi)害分布廣泛，觀測資料多，因此產(chǎn)生了很多地區(qū)性的經(jīng)驗公式。杜榕桓等(1987)根據(jù)泥石流泥深、流速等的觀測資料，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)水槽試驗作為泥石流運動的物理模擬試驗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)繞固定點旋轉(zhuǎn)的試驗裝置。旋轉(zhuǎn)水槽試驗由物理學(xué)研究中的旋轉(zhuǎn)鼓試驗(Chou et al.， 2012)演變而來，早先被當(dāng)作流變儀的替代設(shè)備用來測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)水槽試驗中觀測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]到這兩個現(xiàn)象符合野外泥石流運動的特征(王兆印等， 2001; 費祥俊等， 2004)，而且旋轉(zhuǎn)水槽試驗中固液兩相形成穩(wěn)定循環(huán)(stationary recirculating)流動，因此Leonardi et al.(2015)認(rèn)為旋轉(zhuǎn)水槽試驗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，通過控制線速度制作穩(wěn)定循環(huán)流動的泥石流。通過實測泥石流阻力坡降和流動速度，探索泥石流阻力坡降的速率效應(yīng)。本項目的試驗研究成果為泥石流制作和阻力坡降測量開辟新途徑； 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 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備與土樣

根據(jù)Leonardi et al.(2015)的試驗原理，本項目研發(fā)的旋轉(zhuǎn)水槽試驗設(shè)備 (圖1)由3部分組成：旋轉(zhuǎn)水槽、動力控制與傳動裝置和攝影系統(tǒng)。其中旋轉(zhuǎn)水槽的直徑30cm，槽寬3cm，材質(zhì)為有機玻璃。動力由電機提供，由計算機控制電機轉(zhuǎn)動速度。攝影系統(tǒng)采用每秒25幀的攝像速度。

圖1 旋轉(zhuǎn)水槽試驗設(shè)備組成簡圖

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)試驗中泥石流的運動狀況，合理確定v的上下限。

圖2 旋轉(zhuǎn)水槽試驗實測阻力坡降示意圖

1.2 阻力坡降測量方法

旋轉(zhuǎn)水槽試驗通過控制線速度v(依次為： 1.88、0.94、0.47、0.24和0.12m·s-1)制作泥石流，泥石流自動在一定區(qū)域內(nèi)形成穩(wěn)定循環(huán)運動 (圖2)； 此時的阻力坡降J等于槽底坡降tanθ，可以實測。例如在圖2 中：θ=θ1，其中，θ1可根據(jù)攝影記錄測定。在試驗中，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)域相對比較規(guī)則，因此測定粗顆粒所對應(yīng)的圓心角θg，以近似替代θ1的值，即以粗顆粒對應(yīng)的坡降Jg近似替代J。即：

(1)

2 試驗結(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)流動現(xiàn)象與國外同行(Leonardi et al.， 2015)觀測到的現(xiàn)象一致，但本項目預(yù)研試驗中使用的是寬粒徑分布土樣，且無固體顆粒黏接于槽底的現(xiàn)象。

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

(3)觀測到低阻力坡降現(xiàn)象。圖3b觀測到的阻力坡降為tan7°，這個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現(xiàn)象，難于觀測。但圖3c的試驗也從一個側(cè)面證實，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)報道。

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

(5)觀測到剪切速率效應(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)觀測到的現(xiàn)象一致。

圖4為(v/v0)-Jg關(guān)系(其中，v0=0.47m·s-1，對應(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兩相流一起運動 (圖3a、圖3b和圖3c)。此時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，此時的θg只能用來評價礫石本身與槽底的摩擦阻力，不能用來評價泥石流的阻力坡降J。事實上，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)水槽試驗結(jié)果

圖4 logv-Jg關(guān)系

目前的旋轉(zhuǎn)水槽試驗的局限性在于： (1)試驗中的固液兩相流體缺乏通過“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10mm，但實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)本實驗研究尚處于起步階段，試驗成果需要進(jìn)一步與相應(yīng)的傳統(tǒng)水槽和大型溝道試驗成果以及野外觀測結(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)流動的泥石流，通過實測泥石流阻力坡降和流動速度，探索泥石流阻力坡降的速率效應(yīng)。本項目的試驗研究成果為泥石流制作和阻力坡降測量提供新途徑。通過本課題的試驗研究，可得到如下結(jié)論：

(1)在旋轉(zhuǎn)水槽試驗中，可以通過控制線速度v制作在一定區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定循環(huán)運動的泥石流。此時的阻力坡降J等于槽底坡降tanθ，可以實測。

(2)在旋轉(zhuǎn)水槽試驗中，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)觀測結(jié)果印證了野外觀測結(jié)果。

(3)在一定的流動速度范圍內(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，但同樣證實了阻力坡降具有顯著的速率效應(yīng)。如果泥石流運動速率過低(本研究中v<0.47m·s-1)，泥石流會出現(xiàn)固液兩相分離現(xiàn)象，礫石(粒徑>2mm)運動明顯落后于液相運動。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報 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)科點專項科研基金新教師類(20120073120020)， 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室開放基金(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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