泥石流中卵砾石动力学特征的试验研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 梁石正雄 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 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 | 泥石流 干性龙头区 阵流 巨砾 高速摄影 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 泥石流普遍存在于世界各地山区，并经常造成重大经济损失。本文围绕两相泥石流的干性龙头区和粘滞性泥石流的阵流现象，系统研究其形成、演变及其内部颗粒运动特征，旨在揭示泥石流运动过程中颗粒间以及颗粒与水体间的复杂耦合机制，从而为山洪泥石流灾害的预测与防控提供理论支撑与科学依据。研究采用高速摄影技术及人工砾石（Smart Pebble）试验方法，对山洪泥石流中的砾石运动机理进行深入探讨。主要研究结论如下： （1）干性龙头区仅在陡坡两相泥石流工况下形成，并存在大颗粒向龙头区域富集现象，导致龙头颗粒的动能峰值显著高于其液相动能。在同一坡度下，与均匀粒径工况相比，粒径不均匀性显著增加了干性龙头区的长度、高度及其峰值动能。如，在试验中30°混合粒径清水工况中（30PM）的泥石流干性龙头区峰值动能可达龙身的1.7倍，并且大小颗粒的数量比是初始状态的3.64倍。 （2）干性龙头区的生成机制与粒径的垂向分选无关，本研究提出了一种新的“双路径模式”，揭示了干性龙头区形成与维持机制。基于固液状态，将两相泥石流龙头前部划分为含水区、近底干区和悬空区，对各区域的颗粒级配进行统计分析。证实了含水区的粒径垂向分选现象，并发现该垂向分选可能延续至悬空区，造成悬空区粗化（平均粒径最多可比近床面粒径粗0.7 mm），最终形成泥石流沉积层粒径的逆序分布。揭示了陡坡（30°）含水区的颗粒补充干性龙头区的“双路径模式”，即路径1：“湿-干”；路径2：“湿-空-干”。路径1和2输送大颗粒的比值约为2：1。相比之下，在较缓坡度（如20°）的情况下，前人提出的履带模式可以与双路径模式共同作用。 （3）固相粒径非均匀程度会增加粘滞性泥石流阵流的阵次和频率。30°混合粒径粘滞性泥石流工况（30VM-SG）阵次是同坡度均匀粒径12 mm工况（30V12-SG）的2倍，但衰减速率只有其37.5%。小波分析表明，阵流中的颗粒速度在不同尺度上均表现出多重波动模式：譬如在30VM-SG工况中，水位峰值在2-11s范围内存在一个1s的主周期，而颗粒平均速度峰值在阵流发育期呈现多周期叠加，在2-8秒范围内存在0.5、0.75、1和2s多个主周期，随着时间推移，在阵流成熟期（即8s后）仅剩下0.75s主周期。此外，交叉小波分析表明，在30VM-SG, 30V8-SG和30V12-SG三个工况中，发育期和成熟期内颗粒平均速度峰值均滞后水位峰值变化约1/4个周期（颗粒平均速度峰值比水位峰值变化滞后了0.125-0.19s）。 （4）结合高速摄影与内置传感器监测技术，对试验水槽内大粒径（相对试验泥石流固相粒径）人工砾石的速度、加速度和角速度进行了测量分析。结果表明，人工砾石在初始加速阶段以滚动为主，但与一直增加的线速度不同，进入中后期后角速度会达到峰值并稳定，且固相存在会大幅度减小角速度峰值。在30°无固相清水工况（30W-SP）中，转动能的最大贡献可达17%。在30度混合粒径清水工况（30PM-SP）中，转动能则仅仅贡献了6%，对比人工砾石在空气中沿30°坡滚动的落石工况（30A-SP），总动能（平动能与转动能之和）增加了约20%。在30°混合粒径粘性工况中（30VM-SP），总动能比30PM-SP减少了18%，但转动能贡献增加了3%。与30W-SP对比，在30°无固相稀性（30D-SP）和30度无固相粘性（30V-SP）工况中，随着粘性增加，总动能变化不大但转动能贡献分别减少了约12%和10%。表明粘性对转动的抑制作用。 综上所述，本研究围绕两相泥石流干性龙头区的形成与维持机制、粘滞性泥石流阵流水沙输移规律、以及泥石流中巨砾沿陡坡运动规律开展了系统性试验研究。研究成果深化了对泥石流内部物理过程的理解，可为山区泥石流灾害的预警与防控提供理论支撑。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 129 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217306]  |
| 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 | 梁石正雄. 泥石流中卵砾石动力学特征的试验研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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