山区河道砾石运动规律的试验研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 彭佳 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 陈东 |
| 关键词 | 山区河道 砾石跃移 能量耗散 轨迹参数 水流结构 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 由于气候变化导致极端天气事件增多，落石灾害和泥石流在我国山区分布广 泛，其破坏性进一步加剧。在河流动力学研究中，砾石的随机运动一直是野外观 测的瓶颈，准确计算砾石跃移运动轨迹是预测落石灾害和防治泥石流灾害的关键。 本文基于高速摄影耦合惯性测量单元（IMU）技术，开展了砾石跃移运动随机规 律的试验研究。主要研究内容及创新成果如下： （1）通过不同初始碰撞角的砾石在空气介质中的试验可知：随着落石沿斜 坡的运动，其总能量会逐渐耗散，并且耗散速率在很大程度上取决于初始的碰撞 角度。将落石与床面的碰撞划分为两种模式-Mode 1:跳跃运动占主导，Mode 2:滚 动和/或滑动占主导。检验了两种模式下碰撞角度与运动能、线性动能、旋转动能、 跳跃长度、高度、持续时间的概率密度函数以及摩擦和恢复系数之间的相关关系。 研究结果强调了 3D 角速度在砾石沿斜坡运动及能量耗散中的关键作用，尤其是 在 Mode 2 中，其中大量的势能被转化为旋转动能。试验研究有助于更深入地理 解连续的落石斜坡碰撞及其背后的物理过程，从而增进工程师们对山区落石灾害 的预测能力。 （2）通过不同坡度定床水槽中的水流垂线分布试验可知：采用 ADV 和掺气 流速仪测量了底坡 S（0.006~0.16）区间内砾石床面上的垂线流速剖面，结果表明 在底坡 S（0.006~0.012）四组试验中，近床面的垂线流速剖面仍符合对数率流速 分布，但需要考虑床面渗透速率、粗糙层尺度、孔隙度以及底坡等因素对混合掺 长的影响，以进一步修正标准对数率流速分布的偏差；在底坡 S（0.01~0.012）试 验中，由于相对粗糙度 h/D84 小于 4 形成的形态阻力造成水流自由表面以下一定 范围流速减小，在修正公式中引入尾流函数或者散度函数使得混合掺长成非线性 变化，并可以较好的预测该部分的影响。底坡 S=0.16 下的垂线水流剖面受地形 影响导致空间分布不均匀，出现近床面流速大于表面流速的情况。陡坡上的流速 分布对清水介质中砾石随机运动具有重要影响。 （3）通过清水介质中不同底坡的砾石-床面碰撞试验可知：与空气介质不同， 砾石在清水介质中主要以跃移方式前进，即与床面发生碰撞的模式主要是 Mode 1；另外，砾石运动受到垂线上不同高度水流能量补给和摩擦损耗的共同影响， 砾石沿程总能量既存在沿程减小，也有沿程增加的情况。试验中同时检验并对比 分析了碰撞角与运动能、线性动能、旋转动能、跳跃长度、高度、持续时间以及 摩擦和恢复系数的概率密度函数的变化关系。研究结果强调了垂线水流结构对于 砾石跃移运动以及能量耗散中的关键作用，总能量在砾石跳跃到相对高度 0.4-0.7 倍水深时大概率时沿程增加，当砾石靠近水体自由表面时，砾石总能量沿程大概率沿程减小。本试验的动摩擦系数与以往文献相比整体偏小，并且同时存在正态 分布和偏态分布。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 135 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209339]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 彭佳. 山区河道砾石运动规律的试验研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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