【摘要】：泥石流是一種常見(jiàn)于山區(qū)的自然災(zāi)害。其中,粘性泥石流最為典型且危害最大,對(duì)人們的正常生活和財(cái)產(chǎn)安全造成了極大影響。近年來(lái),隨著動(dòng)力學(xué)模型和科學(xué)計(jì)算不斷發(fā)展,數(shù)值計(jì)算方法已逐漸成為研究粘性泥石流運(yùn)動(dòng)特征的有效方式。本文將特征線算子分裂有限元法與結(jié)構(gòu)兩相流單流體模型相結(jié)合,建立了一種求解粘性泥石流的有限元模型。以劉希林和唐川所做物理堆積實(shí)驗(yàn)為依據(jù),對(duì)不同條件下粘性泥石流的動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行了模擬;采用無(wú)量綱化后的簡(jiǎn)單阻力模型,分析了不同底阻、不同障礙物設(shè)置條件對(duì)泥石流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)的影響,并應(yīng)用簡(jiǎn)化后的模型對(duì)某山地泥石流災(zāi)害進(jìn)行了研究。具體內(nèi)容如下:應(yīng)用數(shù)學(xué)分裂的方法將結(jié)構(gòu)兩相流單流體模型中的方程分裂成擴(kuò)散方程、對(duì)流方程、泥深修正方程和平均流量校正方程,采用特征線-Galerkin法處理對(duì)流方程。該模型克服了傳統(tǒng)Galerkin有限元法求解結(jié)構(gòu)兩相流單流體模型對(duì)流占優(yōu)的問(wèn)題,并提高了計(jì)算效率。應(yīng)用該模型對(duì)單次來(lái)流條件下的粘性泥石流動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行了模擬,計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)吻合較好。連續(xù)來(lái)流條件下,泥石流堆積體長(zhǎng)度、寬度和面積隨補(bǔ)給量增加呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì),堆積體形狀由扇形逐漸過(guò)渡為橢圓形;堆積體長(zhǎng)度隨堆積區(qū)坡度增加而增大,堆積體寬度隨堆積區(qū)坡度增加而減小;當(dāng)泥石流容重不斷減小時(shí),內(nèi)部阻力逐漸下降,堆積形態(tài)由半圓形過(guò)渡為橢圓形;底阻條件對(duì)泥石流堆積扇的面積和最終位置影響較大,且不均底阻條件可能造成運(yùn)動(dòng)過(guò)程波動(dòng)。在研究阻礙物的不同朝向設(shè)置中發(fā)現(xiàn):當(dāng)阻礙物遠(yuǎn)高于泥深時(shí),堆積扇之間將產(chǎn)生一個(gè)“安全地域”。當(dāng)阻礙物朝向下坡時(shí),泥石流體被截留了一部分,致使堆積區(qū)形成的堆積扇面積減少,“安全地域”范圍增大。因此,合理設(shè)置阻礙物,有助于降低泥石流體對(duì)下游基礎(chǔ)設(shè)施的破壞。利用簡(jiǎn)化后的模型對(duì)某山地泥石流災(zāi)害進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果與實(shí)際致災(zāi)范圍大致相同,表明本文提出的有限元模型具有較高可靠性,在研究泥石流災(zāi)害方面具有良好應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P642.23
【圖文】：

1 緒 論.1 選題背景與依據(jù)泥石流是一種常見(jiàn)于山區(qū)的自然災(zāi)害，主要由強(qiáng)降雨和地質(zhì)活動(dòng)等條件影響導(dǎo)坡失去穩(wěn)定性而形成，細(xì)顆粒、粗顆粒和水是其主要構(gòu)成物。泥石流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程有很大的動(dòng)能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞下游的基礎(chǔ)設(shè)施（如公路和橋梁）見(jiàn)圖 1，也會(huì)吞沒(méi)和土地（如圖 2），造成河流的淤積堵塞。另一方面災(zāi)害爆發(fā)時(shí)，伴隨大量堆積物生，原先的肥沃土地會(huì)在這些堆積物的影響下轉(zhuǎn)化成廢棄的沙石灘地，造成自然的嚴(yán)重破壞。與此同時(shí)，這些堆積物大量匯入主河道，將致使河流堵塞而最終形然壩和堰塞湖。在連續(xù)暴雨的影響下，天然壩和堰塞湖可能再次發(fā)生潰決性的泥災(zāi)害，剎那間導(dǎo)致河床的地形地貌發(fā)生翻天覆地的變化[1]。因此，泥石流非常具有性，將對(duì)人們的正常生活與學(xué)習(xí)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。甚至威脅到生命財(cái)產(chǎn)的安全，導(dǎo)大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。近年來(lái)，由于氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)自然壞境的破壞，泥石流災(zāi)發(fā)生頻率不斷增加，災(zāi)害規(guī)模也越來(lái)越大[2]。

1 緒 論.1 選題背景與依據(jù)泥石流是一種常見(jiàn)于山區(qū)的自然災(zāi)害，主要由強(qiáng)降雨和地質(zhì)活動(dòng)等條件影響導(dǎo)坡失去穩(wěn)定性而形成，細(xì)顆粒、粗顆粒和水是其主要構(gòu)成物。泥石流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程有很大的動(dòng)能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞下游的基礎(chǔ)設(shè)施（如公路和橋梁）見(jiàn)圖 1，也會(huì)吞沒(méi)和土地（如圖 2），造成河流的淤積堵塞。另一方面災(zāi)害爆發(fā)時(shí)，伴隨大量堆積物生，原先的肥沃土地會(huì)在這些堆積物的影響下轉(zhuǎn)化成廢棄的沙石灘地，造成自然的嚴(yán)重破壞。與此同時(shí)，這些堆積物大量匯入主河道，將致使河流堵塞而最終形然壩和堰塞湖。在連續(xù)暴雨的影響下，天然壩和堰塞湖可能再次發(fā)生潰決性的泥災(zāi)害，剎那間導(dǎo)致河床的地形地貌發(fā)生翻天覆地的變化[1]。因此，泥石流非常具有性，將對(duì)人們的正常生活與學(xué)習(xí)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。甚至威脅到生命財(cái)產(chǎn)的安全，導(dǎo)大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。近年來(lái)，由于氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)自然壞境的破壞，泥石流災(zāi)發(fā)生頻率不斷增加，災(zāi)害規(guī)模也越來(lái)越大[2]。

圖 1-3 泥石流發(fā)生消亡過(guò)程在空間上的分布[66]清水匯流區(qū)具有較高的森林覆蓋率，且山坡為沒(méi)有受到嚴(yán)重侵蝕破壞陡峭的巖石。由于該地區(qū)在降雨后易形成地表徑流，為粘性泥石流的形成提供了誘發(fā)動(dòng)力。區(qū)主要由匯水區(qū)和固體物質(zhì)供給區(qū)兩個(gè)部分構(gòu)成，其地勢(shì)特性對(duì)研究泥石流具有要的意義。在泥石流形成區(qū)內(nèi)，由于崩塌、滑坡及各類腐蝕溝谷等不良地質(zhì)現(xiàn)象常見(jiàn)，因此該區(qū)域水土流失嚴(yán)重，為粘性泥石流災(zāi)害提供了充足的固相顆粒物。水區(qū)聚集了大量的地表徑水，為粘性泥石流災(zāi)害提供了充足的液相漿體[22]。黏性流的流通區(qū)域在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起到搬運(yùn)的作用，它主要位于溝谷的中下游。泥石在流通區(qū)域運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)對(duì)河谷底面進(jìn)行沖刷、侵蝕等。泥石流體的流速較低其流動(dòng)形態(tài)主要呈陣流，此時(shí)會(huì)在河床上滯留大量的淤泥，造成河谷的堵塞。當(dāng)流的堆積厚度逐漸增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致泥漿繼續(xù)向坡度小的地域流動(dòng)。因泥漿內(nèi)部之在著相互作用力，頂層的泥漿將會(huì)帶動(dòng)相接觸部分的下層泥漿一起向坡度較小的方向流動(dòng)。粘性泥石流爆發(fā)時(shí)一般具有較大流速，河床上的大量松散固體顆粒物在侵蝕作用下被帶入混合，導(dǎo)致其動(dòng)力過(guò)程中受到的底部阻力逐漸增加。堆積區(qū)勢(shì)一般較為平坦且坡度較小，主要位于泥石流流動(dòng)區(qū)域的下游或者山口外。按照地貌的不同，泥石流分為山前、山區(qū)、山坡型 3 類；山前的區(qū)域地勢(shì)寬廣遼闊，

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本文編號(hào)：2772004