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《泥石流泥沙體積濃度之研究.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、泥石流泥沙體積濃度之研究摘要：本研究系探討泥石流先端部和整體平均(包括先端部及后續(xù)水流)泥沙體積濃度隨著溪床坡度之變化規(guī)律，以及其縱剖面泥沙體積濃度沿著水深的分布特性。經(jīng)采用其他研究者渠槽試驗(yàn)資料進(jìn)行檢定及驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系數(shù)ξ=0.1時(shí)，本研究所提出泥石流平衡泥沙體積濃度之半經(jīng)驗(yàn)公式，不僅可模擬泥石流先端部泥沙體積濃度隨著溪床坡度之變化趨勢(shì)，亦可適于推估不同溪床坡度下之泥石流整體平均泥沙體積濃度。同時(shí)，本研究也應(yīng)用最大熵原理及平衡泥沙體積濃度半經(jīng)驗(yàn)公式，導(dǎo)出了縱剖面泥沙體積濃度分布之理論公式，經(jīng)Tsubaki實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證結(jié)果顯示，本文模式可以掌握縱剖面泥沙體積濃度之分布趨勢(shì)而優(yōu)
2、于Tsubaki及Chen兩研究者之理論公式。關(guān)鍵詞：泥石流體積濃度模式分析1前言 泥石流是指發(fā)生于陡峻的溪谷或斜坡面上未固結(jié)之沉積物或經(jīng)風(fēng)化之礫石、巖屑等堆積土體，受豪雨形成的地表逕流或土層地下水位上升等水文過(guò)程之影響，而失去原有安定之狀態(tài)，土砂礫石伴隨著洪流在重力作用下沿著自然坡面形成的一種高濃度集體流動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)區(qū)域環(huán)境安全和生產(chǎn)的影響甚巨，而逐漸引起人們的重視。在過(guò)去的二十余年間，已有不少學(xué)者專家投入泥石流的形成、運(yùn)動(dòng)、停積及治理措施等各方面課題之研究，并獲得若干成果。但受限于對(duì)泥石流形成過(guò)程及其流動(dòng)特性變化規(guī)律的了解程度，致使在探討其行為機(jī)制的各項(xiàng)相關(guān)因子時(shí)，仍不免存
3、在著一些盲點(diǎn)有待解決，例如泥石流泥沙體積濃度(或泥沙含量)的變化規(guī)律，就是一個(gè)相當(dāng)顯著的例子。泥石流泥沙體積濃度系指單位體積中固體泥沙顆粒所占有的體積，屬于泥石流基本流體特性之一，其變化規(guī)律密切影響著泥石流的行為機(jī)制，而與泥石流運(yùn)動(dòng)、流出土方量、泛濫范圍及其成災(zāi)規(guī)模等問(wèn)題關(guān)系密切，為泥石流防災(zāi)相當(dāng)重要的指標(biāo)參數(shù)之一，惟目前除了日本高橋(Takahashi)的理論模式外，相關(guān)研究成果卻是寥寥可數(shù)?！ 「鶕?jù)高橋建構(gòu)泥石流平衡泥沙體積濃度理論公式所引用的理論基礎(chǔ)，可以有兩種不同的表達(dá)形式，一是以巴格諾(Bagnold)高泥沙含量固液兩相流的本構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ)；另一則是運(yùn)用了水力學(xué)原理。茲
4、分述如下： 巴格諾[1]從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固液兩相流中泥沙含量很高時(shí)，由于固體顆粒間可以透過(guò)不斷地碰撞來(lái)進(jìn)行動(dòng)量轉(zhuǎn)換而形成兩種不同的力量，其中沿著水流方向的動(dòng)量交換會(huì)形成粒間離散剪應(yīng)力(τ,inter-particledispersiveshearstress)，而與水流垂直方向的動(dòng)量交換則形成粒間離散應(yīng)力(Pd,interparticledispersivestress)。同時(shí)，他也提出了粒間離散剪應(yīng)力與粒間離散應(yīng)力間的本構(gòu)關(guān)系(constitutiverelationship)可表為21τ=-Pdtanα(1)式中，tanα=動(dòng)摩擦系數(shù)，當(dāng)水流處于完全慣性區(qū)(fullyin
5、ertialrange)時(shí)，tanα≈0.32[1]。高橋[2]即利用此一關(guān)系式，經(jīng)由泥石流固液兩相的動(dòng)量守恒方程導(dǎo)出了泥石流平衡泥沙體積濃度公式Cd=ρtanθ/(ρs-ρ)(tanα-tanθ)(2)式中，Cd=平衡泥沙體積濃度；θ=溪床傾斜角度；ρs、ρ=固體泥沙顆粒及流體之密度。由上式得知，因不能使用于tanθ≥tanα≈0.32的溪床條件，加上泥石流常發(fā)生在溪床傾角θ≥15°的陡峻地形上，使得應(yīng)用式(2)在計(jì)算泥沙體積濃度時(shí)，因合理值范圍相當(dāng)有限而難以符合實(shí)況。例如，取tanα=0.32、tanθ=0.268(θ=15°)、ρs=2.6g/cm3及ρ=1.0g/cm3
6、代入式(2)，則平衡泥沙體積濃度Cd=3.2,該值已超出泥沙體積濃度之合理值，實(shí)際上是不存在的。因此，高橋運(yùn)用水力學(xué)原理推導(dǎo)平衡泥沙體積濃度公式[3]Cd=ρtanθ/(ρs-ρ)(tanφ-tanθ)(3)式中，tanθ=靜摩擦系數(shù)。與式(2)比較得知，上式分母中系采用靜摩擦系數(shù)tanθ，而非動(dòng)摩擦系數(shù)，是兩方程式間的主要不同點(diǎn)。惟高橋經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，式(3)的形式在模擬泥石流泥沙體積濃度變化規(guī)律上優(yōu)于式(2)，故乃建議采用式(3)作為預(yù)測(cè)穩(wěn)定均勻條件下的泥石流先端部泥沙體積濃度。不過(guò)，Chen[4]曾對(duì)此提出看法認(rèn)為，泥石流既已達(dá)穩(wěn)定均勻流況，其流動(dòng)型態(tài)自應(yīng)處于完全慣性狀態(tài)
7、，固體泥沙顆粒間的摩擦作用理當(dāng)采用動(dòng)摩擦系數(shù)作為參數(shù)，較為合理，而非靜摩擦系數(shù)?！ 」P者[5]則自非牛頓流體流變方程式出發(fā)，認(rèn)為泥石流在高濃度、高剪應(yīng)變率時(shí)，由于顆粒間始終保持直接接觸，不同粒徑的石礫相互疊置碰撞，使顆粒間除承受來(lái)自于顆粒間彈性碰撞所產(chǎn)生的離散剪應(yīng)力作用外，還必須考慮顆粒間之摩擦阻力。這樣，泥石流先端部泥沙體積濃度可表為21Cd=(3-2β)ρtanθ/(ρs-ρ)[(2β-3)tanθ+3tanα](4)式中β=摩擦阻力系數(shù)(resistancecoefficient),且
