泥石流两相冲击力及冲击时间计算方法
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陈洪凯1 ,2 ,唐红梅1
( 1. 重庆交通大学 岩土工程研究所 ,重庆 400074 ; 2. 重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室 ,重庆 400044)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
摘要 : 将泥石流体概化为两相流体 ,即具有相同粒径的固相颗粒和具有相同力学性质的液相浆体 。 基于泥石流体为沿流动方向的一维流假定 ,通过计算固 、 液分相流速和分相运动加速度 ,运用牛顿 第二定律建立了液相浆体和固相颗粒的冲击力计算式 ,并据此构建了计算泥石流两相冲击力的综 合表示式 ; 运用泥石流在防治结构表面产生的冲击坑或在泥石流沟岸产生的冲蚀槽等冲击形迹 ,建 立了泥石流冲击时间计算方法 。通过工程实例分析显示 ,计算结果与实测结果吻合较好 ,相对误差 在 3 %以内 ,满足实际工程要求 。 关键词 : 道路工程 ; 两相泥石流体 ; 牛顿第二定律 ; 冲击形迹 ; 冲击力 ; 冲击时间 中图分类号 : U416. 165 文献标志码 :A
收稿日期 :2005206218 基金项目 : 交通部跨世纪人才基金项目 (95050508) ; 重庆市自然科学基金重点项目 (2005BA7008) ; 高等学校重点实验室访问学者基金项目 (200310) 作者简介 : 陈洪凯 (19642) ,男 ,重庆市人 ,重庆交通大学教授 ,博士生导师 ,工学博士 , E2mail :bialik @163. net 。
Method to Calculate Impact Force and Impact Time of Two2Phase Debris Flo w
C H EN Ho ng2kai1 ,2 , TAN G Ho ng2mei1
(1. Instit ute of Geotechnical Engineering , Chongqing Jiaoto ng U niversit y , Chongqing 400074 , China ; 2. Key Labo ratory fo r t he Exploitatio n of Sout hwestern Reso urces and t he Enviro nmental Disaster Cont rol Engineering of Minist ry of Educatio n , Cho ngqing U niversity , Chongqing 400044 , China)
http://www.cnki.net
根据 1999～2002 年雨季对四川省西昌至木里 公路平川泥石流汇流槽的大量现场观测 ( 图 1 ) 可
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第 19 卷 第3期 2006 年 5 月
文章编号 :100127372 (2006) 0320019205
中 国 公 路 学 报 China Journal of Highway and Transport
Vol . 19 No . 3 May 2006
泥石流两相冲击力及冲击时间计算方法
C= ( 3) 泥石流在运动过程中 , 不考虑外部质量源 , D =β K=
Q 2 bv f vf g AR
2/ 3
即不考虑岸坡对泥石流体的物源补给 , 泥石流在沟 槽内冲淤平衡 。 ( 4) 把冲击坑和冲蚀槽等冲击形迹概化为半椭 圆球体 , 其长轴 、 短轴和深度分别用 l 、 m、 c 表示 。冲 击形迹 坑口 面积 A k 和坑 内表 面积 S k 分 别 由 式
( 1) 、 ( 2) 计算
1
n
( 10)
2. 2. 3
冲击强度
以单位体积的泥石流液相浆体为控制体 , 其在 防治结构表面的最大冲击面积约为 3 . 9 m2 。令泥 石流液相浆体的密度和运动加速度分别为 ρ f 和 af , 则控制体的质量 mf 为 mf =ρ f 相浆体冲击强度 qf 为 ρ qf = 0 . 256 4 f af
第 3 期 陈洪凯 ,等 : 泥石流两相冲击力及冲击时间计算方法
21
水体差异的修正系数 ,β为动能修正系数 , n 为曼宁 系数 , 则泥石流浆体液相加速度 af 为 af =
B= vf ( i - B ) C+ D kQ K
2
( 6) ( 7) ( 8) ( 9)
图1
Fig. 1
泥石流冲击模式
Impact Model of Debris Flow
每次泥石流后 , 在防治结构面墙或泥石流沟岸 均会留下大量的冲击形迹 , 在防治结构面墙形成的 冲击形迹可称为冲击坑 ( 图 2 ) ; 在岸坡脚形成的冲 击形迹可称为冲蚀槽 ( 图 3) 。平川泥石流 2003 年 7 月发生时 ,在汇流槽墙面产生了 32 个冲击坑 , 冲击 坑深度为 0. 35 ～ 0. 44 cm , 坑口长轴和短轴分别为 3. 1～4. 8 cm 和 1. 4～2. 3 cm ; 西昌至木里公路的小 关沟泥石流 1998 年爆发时 ,在沟岸产生数十个冲蚀 槽 ,槽深度为 80～ 160 cm , 槽长度为 135 ～ 490 cm , 槽高度为 90～272 cm 。
Abstract : Debris flow was simplified as t wo2p hase liquid co mpo sed of particles wit h t he same diameter and slurry wit h t he same mechanical feat ures. A ssuming t hat debris flow was o ne dimensio n liquid moving to o ne directio n. Aut hor s established met hods to calculate impact forces of liquid p hase and solid p hase by t he seco nd Newto nπs law t hro ugh calculating velocities and acceleratio n of every p hase , t hen , o btained general equatio n to calculate impact force of debris flow. Furt her , met hod to calculate total impact time of debris flow t hro ugh impact formalities , such as impact pit s in surface of co nt rol st ruct ures and impact t ro ughs in bank of debris flow valley was o btained. According to engineering cases to co nt rol debris flow , it is o bvio us t hat t he result s bet ween calculating in t he met hods and o bservatio ns in real2time field are fit ted better , who se relative error s are in 3 % , which are permit ted in engineering design. Key words : road engineering ; t wo2p hase debris flow ; t he seco nd Newto nπs law ; impact formali2 t y ; impact force ; impact time
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
http://www.cnki.net
20
中 国 公 路 学 报 2006 年
0
引 言
见 ,泥石流在冲击汇流槽时 ,表层泥石流体具有壅高 现象 ,一般壅高 0. 8～1. 0 m 。壅高流体内富含固相 颗粒 ,颗粒近似呈抛物线向上游抛出而形成与汇流 槽垂直方向的近似纵向颗粒及浆体环流 , 并在流速 沿着汇流槽切线方向按照非定型路径进入速流槽 。 汇流槽前泥石流体通常形成顺时针环流和逆时针环 流 ,分界点一般在泥石流体深度的 2/ 3 处 ,其上为顺 时针环流 ,其下为逆时针环流 。顺时针纵向环流从 泥石流体表层向下逐渐减弱 , 逆时针环流内固相颗 粒近似呈 S 型 ,沿着流体地层偏转进入速流槽 。逆 时针纵向环流对泥石流沟床具有较强的掏蚀作用 , 可视为局部侵蚀 ,平川泥石流汇流槽前的掏蚀坑在 接近速流槽部位为最大 , 深度最大可达 20 cm 。掏 蚀坑在汇流槽前基本连通形成一条沟道 , 向速流槽 方向倾斜 ,宽度在汇流槽末端为 10 cm 左右 ,而在与 速流槽交接部位可达 1. 4 m 。
中国是世界上泥石流最发育的国家之一 , 尤其 是西部地区 ,如西藏 、 四川 、 甘肃 、 新疆 、 云南 、 重庆等 地 。若泥石流灾害频繁发生 , 将会对公路交通造成 极其强烈的冲击和毁损 , 导致交通中断 。公路沿线 大型及特大型泥石流在有效防治中迄今一些重大关 键技术[ 124 ] 尚未解决 , 基于以泥石流发育研究为基 础、 防治技术研究为手段 、 工程防治研究为目的的研 究原则 ,以排为主 、 排导结合 , 陈洪凯等近十年来对 公路泥石流作了大量开创性研究 ,开发了速流结构 、 底埋隧道 、 翼型墩汇流结构 、 糙底群桩 、 抗撞消能混 凝土等十余种防治新技术 、 新材料 , 并在工程中实 [ 529 ] 施 ,取得了显著的社会 、 经济效益 。 实施泥石流防治工程最关键的问题是量化泥石 流冲击力 ,其直接关系到防治技术的选用 、 防治结构 尺寸拟定和配筋设计等 。目前几乎所有的研究均认 为泥石流冲击力由泥石流浆体动压力和块石撞击力 两部分组成 ,前者基于流体力学中压力公式修正为 2 ρ ρ为泥石流体密度 ; v 为泥 P= K v ( K 为修正系数 ; 石流平均流速) ,后者采用材料力学悬臂梁公式 [ 10 ] 。 这类方法有 3 个缺点 : ① 系数 K 的取值随意性强 ; ρ ② 和 v 均需要现场测试 , 且多数为泥石流浆体的 测试值 ; ③ 计算撞击力时 ,泥石流体中块石的流速也 采用浆体的流速 。该方法对于固相颗粒含量少且粒 径较小的粘性泥石流是实用的 ,但对于稀性泥石流 、 过渡性泥石流及块石含量较多的粘性泥石流则相对 误差较大 ,可达 40 % ,因此 ,深入开展泥石流冲击力 研究 ,不仅可为泥石流防治提供可靠的荷载依据 ,也 为研究泥石流沟槽 、 岸坡的动力演化过程提供重要 的动力依据 。 大量调查显示 , 每次泥石流活动后均会在防治 结构或泥石流沟岸坡形成大量的冲击形迹 , 如冲击 坑、 冲蚀槽等 , 也会在泥石流沟内残留大量的沉积 物 ,因此 ,把泥石流体概化为固 、 液两相流体 ,根据泥 石流分相流速计算理论建立泥石流两相冲击力计算 方法 ,并由泥石流冲击形迹计算泥石流冲击时间 ,可 以有效地弱化现有冲击力计算的不确定性 , 并且可 以在泥石流爆发后根据现场调查 、 取样分析来计算 泥石流活动期间的冲击力及冲击时间 。
2
2. 1
泥石流冲击力计算方法
基本假定
( 1) 把泥石流中粒径大于 2 mm 的固相颗粒视
1
泥石流冲击机理与冲击形迹
为固相物质 , 其余视为等效浆体[ 11 ] , 即把泥石流体 概化为由等效均质浆体和粒径相同的固相颗粒组成 的两相流体 。 ( 2) 把泥石流体视为与沟床平行的一维两相流 运动体系 , 固 、 液两相的运动速度分别为 v s 和 vf , 并 且固 、 液两相以相同的角度冲击防治结构和岸坡 。
( 1. 重庆交通大学 岩土工程研究所 ,重庆 400074 ; 2. 重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室 ,重庆 400044)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
摘要 : 将泥石流体概化为两相流体 ,即具有相同粒径的固相颗粒和具有相同力学性质的液相浆体 。 基于泥石流体为沿流动方向的一维流假定 ,通过计算固 、 液分相流速和分相运动加速度 ,运用牛顿 第二定律建立了液相浆体和固相颗粒的冲击力计算式 ,并据此构建了计算泥石流两相冲击力的综 合表示式 ; 运用泥石流在防治结构表面产生的冲击坑或在泥石流沟岸产生的冲蚀槽等冲击形迹 ,建 立了泥石流冲击时间计算方法 。通过工程实例分析显示 ,计算结果与实测结果吻合较好 ,相对误差 在 3 %以内 ,满足实际工程要求 。 关键词 : 道路工程 ; 两相泥石流体 ; 牛顿第二定律 ; 冲击形迹 ; 冲击力 ; 冲击时间 中图分类号 : U416. 165 文献标志码 :A
收稿日期 :2005206218 基金项目 : 交通部跨世纪人才基金项目 (95050508) ; 重庆市自然科学基金重点项目 (2005BA7008) ; 高等学校重点实验室访问学者基金项目 (200310) 作者简介 : 陈洪凯 (19642) ,男 ,重庆市人 ,重庆交通大学教授 ,博士生导师 ,工学博士 , E2mail :bialik @163. net 。
Method to Calculate Impact Force and Impact Time of Two2Phase Debris Flo w
C H EN Ho ng2kai1 ,2 , TAN G Ho ng2mei1
(1. Instit ute of Geotechnical Engineering , Chongqing Jiaoto ng U niversit y , Chongqing 400074 , China ; 2. Key Labo ratory fo r t he Exploitatio n of Sout hwestern Reso urces and t he Enviro nmental Disaster Cont rol Engineering of Minist ry of Educatio n , Cho ngqing U niversity , Chongqing 400044 , China)
http://www.cnki.net
根据 1999～2002 年雨季对四川省西昌至木里 公路平川泥石流汇流槽的大量现场观测 ( 图 1 ) 可
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第 19 卷 第3期 2006 年 5 月
文章编号 :100127372 (2006) 0320019205
中 国 公 路 学 报 China Journal of Highway and Transport
Vol . 19 No . 3 May 2006
泥石流两相冲击力及冲击时间计算方法
C= ( 3) 泥石流在运动过程中 , 不考虑外部质量源 , D =β K=
Q 2 bv f vf g AR
2/ 3
即不考虑岸坡对泥石流体的物源补给 , 泥石流在沟 槽内冲淤平衡 。 ( 4) 把冲击坑和冲蚀槽等冲击形迹概化为半椭 圆球体 , 其长轴 、 短轴和深度分别用 l 、 m、 c 表示 。冲 击形迹 坑口 面积 A k 和坑 内表 面积 S k 分 别 由 式
( 1) 、 ( 2) 计算
1
n
( 10)
2. 2. 3
冲击强度
以单位体积的泥石流液相浆体为控制体 , 其在 防治结构表面的最大冲击面积约为 3 . 9 m2 。令泥 石流液相浆体的密度和运动加速度分别为 ρ f 和 af , 则控制体的质量 mf 为 mf =ρ f 相浆体冲击强度 qf 为 ρ qf = 0 . 256 4 f af
第 3 期 陈洪凯 ,等 : 泥石流两相冲击力及冲击时间计算方法
21
水体差异的修正系数 ,β为动能修正系数 , n 为曼宁 系数 , 则泥石流浆体液相加速度 af 为 af =
B= vf ( i - B ) C+ D kQ K
2
( 6) ( 7) ( 8) ( 9)
图1
Fig. 1
泥石流冲击模式
Impact Model of Debris Flow
每次泥石流后 , 在防治结构面墙或泥石流沟岸 均会留下大量的冲击形迹 , 在防治结构面墙形成的 冲击形迹可称为冲击坑 ( 图 2 ) ; 在岸坡脚形成的冲 击形迹可称为冲蚀槽 ( 图 3) 。平川泥石流 2003 年 7 月发生时 ,在汇流槽墙面产生了 32 个冲击坑 , 冲击 坑深度为 0. 35 ～ 0. 44 cm , 坑口长轴和短轴分别为 3. 1～4. 8 cm 和 1. 4～2. 3 cm ; 西昌至木里公路的小 关沟泥石流 1998 年爆发时 ,在沟岸产生数十个冲蚀 槽 ,槽深度为 80～ 160 cm , 槽长度为 135 ～ 490 cm , 槽高度为 90～272 cm 。
Abstract : Debris flow was simplified as t wo2p hase liquid co mpo sed of particles wit h t he same diameter and slurry wit h t he same mechanical feat ures. A ssuming t hat debris flow was o ne dimensio n liquid moving to o ne directio n. Aut hor s established met hods to calculate impact forces of liquid p hase and solid p hase by t he seco nd Newto nπs law t hro ugh calculating velocities and acceleratio n of every p hase , t hen , o btained general equatio n to calculate impact force of debris flow. Furt her , met hod to calculate total impact time of debris flow t hro ugh impact formalities , such as impact pit s in surface of co nt rol st ruct ures and impact t ro ughs in bank of debris flow valley was o btained. According to engineering cases to co nt rol debris flow , it is o bvio us t hat t he result s bet ween calculating in t he met hods and o bservatio ns in real2time field are fit ted better , who se relative error s are in 3 % , which are permit ted in engineering design. Key words : road engineering ; t wo2p hase debris flow ; t he seco nd Newto nπs law ; impact formali2 t y ; impact force ; impact time
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
http://www.cnki.net
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中 国 公 路 学 报 2006 年
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引 言
见 ,泥石流在冲击汇流槽时 ,表层泥石流体具有壅高 现象 ,一般壅高 0. 8～1. 0 m 。壅高流体内富含固相 颗粒 ,颗粒近似呈抛物线向上游抛出而形成与汇流 槽垂直方向的近似纵向颗粒及浆体环流 , 并在流速 沿着汇流槽切线方向按照非定型路径进入速流槽 。 汇流槽前泥石流体通常形成顺时针环流和逆时针环 流 ,分界点一般在泥石流体深度的 2/ 3 处 ,其上为顺 时针环流 ,其下为逆时针环流 。顺时针纵向环流从 泥石流体表层向下逐渐减弱 , 逆时针环流内固相颗 粒近似呈 S 型 ,沿着流体地层偏转进入速流槽 。逆 时针纵向环流对泥石流沟床具有较强的掏蚀作用 , 可视为局部侵蚀 ,平川泥石流汇流槽前的掏蚀坑在 接近速流槽部位为最大 , 深度最大可达 20 cm 。掏 蚀坑在汇流槽前基本连通形成一条沟道 , 向速流槽 方向倾斜 ,宽度在汇流槽末端为 10 cm 左右 ,而在与 速流槽交接部位可达 1. 4 m 。
中国是世界上泥石流最发育的国家之一 , 尤其 是西部地区 ,如西藏 、 四川 、 甘肃 、 新疆 、 云南 、 重庆等 地 。若泥石流灾害频繁发生 , 将会对公路交通造成 极其强烈的冲击和毁损 , 导致交通中断 。公路沿线 大型及特大型泥石流在有效防治中迄今一些重大关 键技术[ 124 ] 尚未解决 , 基于以泥石流发育研究为基 础、 防治技术研究为手段 、 工程防治研究为目的的研 究原则 ,以排为主 、 排导结合 , 陈洪凯等近十年来对 公路泥石流作了大量开创性研究 ,开发了速流结构 、 底埋隧道 、 翼型墩汇流结构 、 糙底群桩 、 抗撞消能混 凝土等十余种防治新技术 、 新材料 , 并在工程中实 [ 529 ] 施 ,取得了显著的社会 、 经济效益 。 实施泥石流防治工程最关键的问题是量化泥石 流冲击力 ,其直接关系到防治技术的选用 、 防治结构 尺寸拟定和配筋设计等 。目前几乎所有的研究均认 为泥石流冲击力由泥石流浆体动压力和块石撞击力 两部分组成 ,前者基于流体力学中压力公式修正为 2 ρ ρ为泥石流体密度 ; v 为泥 P= K v ( K 为修正系数 ; 石流平均流速) ,后者采用材料力学悬臂梁公式 [ 10 ] 。 这类方法有 3 个缺点 : ① 系数 K 的取值随意性强 ; ρ ② 和 v 均需要现场测试 , 且多数为泥石流浆体的 测试值 ; ③ 计算撞击力时 ,泥石流体中块石的流速也 采用浆体的流速 。该方法对于固相颗粒含量少且粒 径较小的粘性泥石流是实用的 ,但对于稀性泥石流 、 过渡性泥石流及块石含量较多的粘性泥石流则相对 误差较大 ,可达 40 % ,因此 ,深入开展泥石流冲击力 研究 ,不仅可为泥石流防治提供可靠的荷载依据 ,也 为研究泥石流沟槽 、 岸坡的动力演化过程提供重要 的动力依据 。 大量调查显示 , 每次泥石流活动后均会在防治 结构或泥石流沟岸坡形成大量的冲击形迹 , 如冲击 坑、 冲蚀槽等 , 也会在泥石流沟内残留大量的沉积 物 ,因此 ,把泥石流体概化为固 、 液两相流体 ,根据泥 石流分相流速计算理论建立泥石流两相冲击力计算 方法 ,并由泥石流冲击形迹计算泥石流冲击时间 ,可 以有效地弱化现有冲击力计算的不确定性 , 并且可 以在泥石流爆发后根据现场调查 、 取样分析来计算 泥石流活动期间的冲击力及冲击时间 。
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2. 1
泥石流冲击力计算方法
基本假定
( 1) 把泥石流中粒径大于 2 mm 的固相颗粒视
1
泥石流冲击机理与冲击形迹
为固相物质 , 其余视为等效浆体[ 11 ] , 即把泥石流体 概化为由等效均质浆体和粒径相同的固相颗粒组成 的两相流体 。 ( 2) 把泥石流体视为与沟床平行的一维两相流 运动体系 , 固 、 液两相的运动速度分别为 v s 和 vf , 并 且固 、 液两相以相同的角度冲击防治结构和岸坡 。