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水动力作用下泥石流源区固体物质失稳、移动形成泥石流是山区流域最为常见的灾害类型之一,尤其汶川地震后,频繁暴发的泥石流直接影响到灾区人民生命财产安全和灾后恢复重建工作。目前,对流域内沟道、坡面内固体物质失稳、起动、运动过程等理论及试验研究较多,而固体物质在水动力作用下是否移动的临界问题研究较少。 针对泥石流源区固体物质在水动力作用下是否移动的临界问题,本研究从泥石流源区松散固体物质和水动力条件入手,基于力学平衡原理,提出可移动固体物质概念;通过力学分析,建立其在饱和渗流、饱和渗流+表面径流共同作用下的动力表达式、阻力表达式以及可移动厚度临界判别式;进而通过多物理场数值模拟和同尺寸物理模型试验进行验证;此外,对泥石流源区土体在非饱和渗流条件下含水量、孔隙水压力等时空变化特征进行了原位观测和分析,为探讨固体物质在非饱和渗流条件下的可移动性问题研究奠定基础。 通过分析研究,初步得到如下结论: (1)基于力学平衡原理,提出了可移动固体物质概念及其定义,并与传统的泥石流松散固体物质、动储量、有效固体物质等术语进行了区别 可移动固体物质为“当水动力(渗流、表面径流)和重力分量的合力不小于阻力时,土层中临界厚度范围内的土体”,基于力学平衡原理导出,具有明确的物理力学意义。可移动固体物质判别式{ F动<R,固体物质不移动 F动=R,固体物质临界可移动F动>R,固体物质移动 (2)建立了水动力(饱和渗流/表面径流)和重力分力共同作用下坡体可移动固体物质判别模型 首先对可移动固体物质进行分类,然后选择平直型坡体为研究对象,建立饱和渗流、饱和渗流+表面径流共同作用两种水动力方式下的可移动固体物质判别模型。动力(dF动)及阻力(dR)表达式 (a)饱和渗流:dF=γw·sinθ·dxdydz+γsat·z·tanθ·dxdy+γsat·sinθ· dxdydzdR=c+(γsat·zdxdy+γsat·cosθ·dxdydz-γw·z·dxdy) tanψ+(γs-γw)(1-n)cosθ·dxdydz (b)饱和渗流+表面径流:{z=0,dD动=0z=H+ d50,dF动=γw·H·Jdxdyz>H+d50,dF动=γw·sinθ·dxdydz+γw·H·tanθ·dxdy+γsat·tanθ·z·dxdy+γsat·sinθdxdydzdR=c+(γw·H·dxdy+γsat·z·dxdy+γsat·cosθ·dxdydz-γw·z·dxdy)tanψ+(γs-γw)(1-n)cosθ·dxdydz 上面表达式即为两种水动力作用方式下动力和阻力随深度的分布式,给定参数后可绘制分布图。 可移动厚度表达式 (a)饱和渗流:a=c+γsatd50(cosθtanψ-sinθ)-γw·sinθd50+(γs-γw)((1)-n)cosθd50/γsat·tanθ-γsattanψ+γwtaqnψ (b)饱和渗流+表面径流:a=[γw·sinθ+γsat·sinθ-(γs-γw)(1-n)cosθ-γsat·cosθtanψ]d50+γw·H·(tanθ-tanψ)-c/γw·tanψ-γsat(tanψ-tanθ) 在此基础上,开展了数值仿真实验(多物理场COMSOL Multiphysics)和物理模型试验。数值仿真实验主要对饱和渗流条件下的渗流力和可移动厚度与理论模型进行了验证;室内物理模型试验对饱和渗流、饱和渗流+表面径流条件下的动力和可移动厚度与理论模型进行了验证。结果表明理论模型合理。 (3)通过原位观测,分析了非饱和渗流条件下斜坡土体含水量与孔隙水压力时空变化特征 固体物质的移动现象不仅发生在饱和渗流/表面径流条件下,而且还会发生在非饱和渗流环境(一般发生在陡坡地形上的堆积物)。通过斜坡土体原位观测,分析了固体物质在非饱和渗流作用下土体含水量和孔隙水压力的时空变化特征。结果表明:土体含水量变幅随深度递减,同位置孔隙水压力峰值随时间滞后于含水量峰值。