泥石流龙头冲击特性模型实验研究

何晓英，陈洪凯，唐红梅，朱绣竹

(重庆交通大学 岩土工程研究所，重庆 400074)

0 引 言

龙头是泥石流运动的一种特有属性，龙头的出现增加了泥石流对建筑物的破坏能力，预测泥石流龙头的冲击力是泥石流防治工程设计中一个重要的课题[1]。目前，关于泥石流龙头的研究大多集中于泥石流龙头的形态描述与形成机制的探索，如T.Ilstad，等[2]认为泥石流龙头后部一定区域可代表典型的黏塑性流，具有较高的孔隙压力；陈春光，等[3]针对入汇主河的泥石流龙头运动机理，基于野外观测资料和模型实验建立了潜入式交汇的泥石流龙头运动方程，发现混合流黏滞系数和绕流系数对龙头运动速度影响较大；王兆印[4]通过室内泥石流实验研究泥石流龙头的形成和发展，发现混石流龙头隆起高度与龙头卵石粒径成正比，并建立了龙头运动的能量理论解释泥石流的形成与运动机理；胡凯衡，等[5]描述了蒋家沟黏性泥石流沟道里的龙头-龙尾阵次交替的阵性波状运动过程，将泥石流波状运动分为缓波、滚动短波、滚动长波等3类；陈洪凯，等[6]将泥石流龙头的形成过程可概化为泥石流匀速流动、差异流动、初始龙头形成和间歇龙头形成4个阶段，建立泥石流龙头压胀机理解释了泥石流阵流、逆序结构和颗粒浮动等现象；Z.F.Haza，等[7]采用模型实验分析水下泥石流龙头运动，得到泥石流龙头流速在0.164～0.439 m/s之间浮动，其最小与最大剪应力分别为4.47 与127.72 Pa；T.Ilstad，等[8]通过对水下泥石流的室内模型实验发现，对于黏性泥石流，其龙头存在滑水现象，并讨论了在不同重度，不同泥浆组成条件下泥石流龙头的形态和运动规律；S.T.Lancaster，等[9]认为泥石流龙头部位携带有大量树枝、碎石等物质，造成泥石流龙头运动速度加剧，侵蚀深度增加；魏鸿[10]通过稳定均匀颗粒水石两相流龙头冲击坝体的水槽实验分析了冲击荷载峰值的构成情况，认为泥石流冲击力与泥石流流速成正比；R.M.Iverson[11]认为泥石流头部聚集大量的粗大颗粒主要是由于分选较差的泥石流体与沟床之间的摩擦作用增强所致。为分析泥石流龙头冲击力与泥石流固液两相介质之间的关系，笔者修筑较大尺度的泥石流沟实验模型，通过对泥石流浆体黏度、固相粒径及固相比等因素的科学组合，实施系列泥石流龙头冲击特性模型实验，分析泥石流龙头冲击荷载曲线，揭示实验条件下黏性泥石流龙头冲击特性。

1 泥石流龙头运动机理

假设泥石流为固液两相流体，将其等效为浆体(水和细颗粒泥沙掺混而成)和固体(泥石流体中较粗的泥沙颗粒)，如图1。

图1 泥石流两相等效模型Fig.1 Two-phase equivalent model of debris flow

假定泥石流运动为一维两相流运动体系(图2)，泥石流运动中，泥石流龙头受到自身重力、沟底摩擦力、沟床坡度等因素的影响，则沟床上的泥石流体的受力情况如下。

泥石流龙头所受推力F为：

F=Gsinθ+Gmcosθ

(1)

G=gh2[α(ρs-ρf)+ρf]

(2)

(3)

式中：θ为沟床坡度，(°)；G，Gm分别为泥石流龙头自重应力与后续流推力，Pa；h为泥石流龙头高度，m；ρs，ρf分别为泥石流固相与液相的密度，kg/m3；α，α1分别为泥石流龙头浓度与后续流浓度。

泥石流龙头所受阻力FR：

FR=(μsGs+μfGf)cosθ

(4)

式中：μs，μf分别为固相颗粒与液相浆体与泥石流沟床相互作用的摩擦系数。

图2 泥石流龙头受力Fig.2 Force of debris flow heads

同时，泥石流龙头在运动过程中固相颗粒聚集，大量实验资料表明泥石流固相运动速度远小于液相浆体的运动速度[12]，液相浆体对固相的运动具有拖曳作用，其拖曳速度为(vf-vs)，泥石流固液两相的差异性流动越明显，泥石流龙头更易出现[13]。单位泥石流体受力情况如图3。

图3 泥石流龙头单元体物相相互作用Fig.3 Interacting force between solid phase and fluid phase in element debris flow heads

Ff—浆体之间的黏性应力；Fsf，Ffs—浆体与固体之间的拖曳

力及摩阻力(二者大小相同，方向相反)；Fs—相颗粒间摩擦力

泥石流液相浆体的黏性应力根据Binhanm的流变方程计算：

(5)

式中：τB为浆体的Binhanm极限屈服应力，Pa；μ为浆体的黏度系数，Pa·s；ρf为泥石流液相的密度，kg/m3；L为泥石流体中流层之间的混掺长度，即液相浆体微团因脉动流速的作用而移动的距离，m；dvf/dy为泥石流浆体竖向流速梯度。

根据以上分析可知，泥石流运动过程与泥石流固相与液相介质的性质(液相浆体黏度、固液两相介质密度)泥石流固相与液相介质之间的相互作用(液相拖曳力，固相摩阻力、固相摩擦力)及泥石流固相与液相介质与泥石流沟床的摩擦力有关。在这些作用的影响下，泥石流在运动过程中，泥石流体内部固液两相介质相互作用，易形成压胀核；泥石流体外部，由于固液两相介质与沟床的摩擦系数不同，固相颗粒所受摩擦力大于液相所受摩擦力，固液两相介质之间流速产生差异，形成差异性流动，固相颗粒聚集，泥石流端部产生壅高，龙头形成。

2 实验模型设计

2.1 实验模型

以四川凉山州平川泥石流为原型，考虑尺寸相似与地形相似，修筑泥石流实验模型。泥石流主沟槽长15.0 m，平均沟槽宽度0.5 m，平均深度0.6 m，高差3.6 m；设置两个弯道，坡度分别为27°，10°。沟槽顶端为1.5 m3的水源箱，出口放置体积为0.26 m3的木质结构碎石漏斗。泥石流沟口设置动态应力传感器，接受泥石流冲击信号(图4、图5)。

图4 实验模型设计平面(单位：m)Fig.4 Designing plane figure of the testing model

图5 泥石流运动与冲击特性实验模型Fig.5 Testing model of the debris flow movement and impacting properties

2.2 实验工况与材料

选取5组泥石流浆体黏度η(单位：Pa·s)(0，0.13，0.37，0.72，0.93)、5组固相比r(0，0.02， 0.04，0.08，0.16)，及4组颗粒粒径d(cm)(河沙0.075～0.2，瓜米石0.3～0.5，碎石0.8～1.0、1.3～1.5)进行正交组合，则实验工况为：Cηrd(η= 1，2，3，4，5；r= 1，2，3，4，5；d= 1，2，3，4)，共85组。

泥石流浆体黏度采用淀粉醚、熟胶粉与水配比而成，采用NDJ-1旋转黏度计测定配制后的泥石流浆体，使其达到预期黏度要求。固相比为固相颗粒体积与泥石流体的体积之比。

2.3 观测仪器及实验过程

动态应力传感器，线性精度为5‰；DH5922动态信号测试系统，采样频率设定为1000 Hz；Fastcamultimal024型高精度摄像仪，测试精度400 fpt。实验过程如下：蓄水池蓄满水，加入相应配比的淀粉醚与熟胶粉，搅拌均匀直至反应完全；按固相比将不同粒径的固相颗粒倒入碎石漏斗；打开水源箱阀门与碎石漏斗阀门，控制固相颗粒加入速度，确保其均匀分布于泥石流浆体中；高速摄像机连续记录泥石流运动过程，传感器接收泥石流冲击，动态信号测试系统连续记录泥石流冲击荷载变化过程。

3 实验结果分析

3.1 泥石流龙头冲击力

根据摄像机拍摄到的图像，甄别出泥石流龙头形态，从动态信号测试系统中读取泥石流龙头部分冲击力峰值、平均值及冲击作用时间，将得到的数据与泥石流整体冲击力进行对比，结果如表1。

表1 泥石流龙头冲击力 Table 1 Impacting force of debris flow heads

分析表1实验数据知：

1)随着浆体黏度的增大，泥石流龙头作用越不明显，当η≥0.72 Pa·s时，泥石流冲击过程中不再出现明显的龙头。

2)泥石流龙头冲击作用时间随着液相浆体黏度的增大而减小。当η= 0 Pa·s时，泥石流龙头冲击时间平均值为7.4 s；当η= 0.13 Pa·s时，泥石流龙头冲击时间平均值为2.6 s；当η= 0.37 Pa·s时，泥石流龙头冲击时间平均值为1.6 s。

3)在浆体黏度相同的条件下，泥石流龙头作用时间随着固相比增大而减小。

4)泥石流龙头峰值在低黏度与低固相比组合条件下为冲击全程峰值(如η= 0.13 Pa·s，r= 0.02，0.04时、η= 0.37 Pa·s ，r= 0.02时)，但随着黏度与固相比的增大，龙头部分有峰值但不是全程峰值。

3.2 泥石流龙头冲击形态

分析实验中高速摄像仪与DH5922动态测试系统获得的85种工况下泥石流冲击图像与冲击数字信号，并结合表1的龙头冲击力数据，可将泥石流龙头形态分为3种形式。

3.2.1 高速高强度龙头形态

该类龙头高度较大，呈飞溅状，龙头速度最大，而后迅速向尾部减小；龙头在接触传感器的短时间内出现较龙身及尾部都高的压力峰值，常出现泥石流龙头飞离龙身，出现短暂断流现象(图6)。该类形态一般出现在低黏度(η= 0，0.13 Pa·s时)、低固相比实验工况下，例如C222及C224工况(图7)。

图6 高速高强度龙头形态Fig.6 High speed-high intensity heads configuration

图7 C222，C224冲击荷载Fig.7 Impacting force figure of work condition C222 and C224

3.2.2 过渡型龙头形态

该类龙头高度较龙身仍较高，但趋于平顺，没有飞溅的泥石流体脱离泥石流整体的运动，龙头速度仍然较大，但是与龙身流速差异减小(图8)。

图8 过渡型龙头形态Fig.8 Transitional type heads configuration

龙头部位的冲击力有明显峰值，但不是泥石流整体冲击力的峰值。该类形态一般出现在低黏度高固相比(η= 0，0.13 Pa·s，r>0.08时，如C241工况)、中黏度低固相比(η= 0.37 Pa·s，r<0.16时，如C322)工况下(图9)。

图9 C241，C322工况冲击荷载Fig.9 Impacting force figure of work condition C241 and C322

3.2.3 低速低强度形态

该类龙头低矮，流体形态平顺，流速较小，泥石流紊动较弱，不存在紊动虚拟高度。龙头至龙尾光滑平顺(图10)。

图10 低速低强度形态Fig.10 Low speed-low intensity heads configuration.

龙头部位的冲击力有一定紊动但不存在明显峰值。该类形态是本次实验的大部分情况，出现在中黏度高固相比(η= 0.37 Pa·s，r> 0.08时，如C333)及高黏度(η= 0.72 ，0.93 Pa·s，如C542)工况下，且黏度与固相比越大，龙头形态越低矮，紊动越不明显，泥石流龙头冲击力呈平滑上升趋势(图11)。

图11 C333，C542工况冲击荷载Fig.11 Impacting force figure of work condition C333 and C542

4 结 论

将泥石流等效为两相流体系，分析泥石流龙头内部固液两相介质之间的相互作用探讨了泥石流龙头形成机理。并以平川泥石流沟为原型自行研制泥石流运动与冲击特性实验模型，探索了不同黏度、不同固相比、不同固相颗粒粒径组合条件下泥石流龙头冲击特性，实施了85组泥石流冲击实验，获取了5 084 500多个测试数据。分析得到各工况条件下泥石流龙头冲击形态及冲击荷载变化规律：

1)当黏度大于0.72 Pa·s时，泥石流运动中不产生明显的龙头，泥石流龙头作用时间随着浆体黏度与固相颗粒固相比的增加而减小；

2)龙头冲击力峰值在低黏度与低固相比组合条件下为冲击全程峰值但随着黏度与固相比的增大，龙头冲击力峰值减小，不是全程峰值，据此将泥石流龙头形态分为高速低强度龙头形态、过渡型龙头形态及低速高强度形态。

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