控制稀薄碎屑流中埋藏颗粒启动的流体动力学条件

《Powder Technology》：Hydrodynamic conditions governing the initiation of buried particles in dilute debris flows

泥石流中埋藏粗颗粒的启动阈值受埋深-粒径比显著影响，次为颗粒密度，渠道坡度影响最小。通过建立扭矩平衡模型揭示埋深对颗粒启动扭矩的调控机制，并采用四重验证法（通用性分析、经典模型对比、物理模型实验、CFD-DEM耦合模拟）验证模型有效性，为理解泥石流放大效应提供量化理论支撑。

　　这项研究聚焦于稀疏型泥石流中埋藏粗颗粒的启动行为，旨在改进现有模型的应用性并建立理解泥石流放大效应的理论框架。泥石流作为一种常见的自然灾害，每年在全球范围内造成大量人员伤亡和财产损失。其形成通常与强降雨引发的强烈水动力作用密切相关，这些作用能够将未固结的松散材料从沟谷中移除，从而导致泥石流的放大效应，降低下游防护措施的效果。粗颗粒，如大卵石和鹅卵石，其直径超过8厘米，对防护基础设施构成最大威胁。这些颗粒的较大质量和相应的动能能够对工程结构施加极端的冲击力，从而对防护系统造成严重破坏。

尽管在理解由海啸引发的卵石运动方面取得了一定进展，但由于流体密度、流变特性、地形坡度、颗粒浓度以及能量耗散机制存在显著差异，这些海啸模型无法直接应用于泥石流研究。近年来，许多研究已经推动了对泥石流中粗颗粒动力学的理解。例如，Liu等人探讨了卵石长宽比、相对于水流方向的取向以及泥石流密度如何影响其启动过程。同样，Wang等人通过水槽实验研究了颗粒尺寸、形状和基质密度对卵石移动性的影响。此外，一些研究也关注了卵石对泥石流中防护结构施加的冲击力，以及这些冲击力对下游防护措施有效性的影响。例如，Yang等人开发了一种基于动力学的模型，用于估算泥石流中卵石的冲击力，克服了传统静态方法的局限性，引入了结构惯性和阻尼效应。Zhao等人则研究了上游刚性屏障的形状对泥石流中卵石冲击屏障时动力学行为的影响。Li等人建立了一个经过验证的SPH-DEM-FEM耦合模型，用于研究泥石流与卵石及框架结构之间的相互作用，揭示了卵石冲击是导致局部结构损坏的主要原因。

数值模拟是分析颗粒与流体相互作用的有效工具。基于欧拉-拉格朗日框架的耦合计算流体力学-离散元法（CFD–DEM）技术已被证明特别有效。这些模型能够进行高分辨率的双向耦合模拟，实现对固体颗粒与周围流体之间相互作用的精确追踪。例如，Chehade等人利用CFD–DEM模拟评估了碎石尺寸对泥石流冲击压力的影响，而Mao等人则分析了粒径分布和环境变量对在泥石流条件下挡水坝性能的影响。在防护基础设施领域，Li和Zhao应用CFD–DEM方法模拟了泥石流对柔性屏障的冲击，并提出了一个统一的计算框架，用于估算对环形网结构施加的力。

尽管已有诸多进展，传统的颗粒启动模型通常假设颗粒在自然条件下暴露于河床之上。早期的研究主要集中在河流沉积物的运输和细颗粒的悬浮过程中。传统沉积物运输模型在描述粗颗粒行为方面通常不够充分。考虑到埋藏深度对于准确捕捉粗颗粒启动行为的重要性，将埋藏深度纳入模型分析是必要的。埋藏的粗颗粒通常较大，且在正常水流条件下不易启动。然而，在极端水动力条件下，这些颗粒可能会被激活，从而显著影响泥石流的放大效应。

因此，为了提供泥石流放大的理论支持，研究埋藏粗颗粒启动所需的水动力条件具有重要意义。本研究旨在通过关注倾斜渠道中埋藏的球形粗颗粒，提高现有启动模型的应用性。建立了一个基于扭矩的机械模型，用于分析作用于颗粒的力，特别关注埋藏深度对颗粒启动时扭矩平衡的影响。通过扭矩平衡方程得出临界流速，并结合沉积物启动标准将其转换为截面平均启动流速。该模型有助于建立水动力条件与埋藏粗颗粒启动之间的定量关系。所提出的模型的有效性通过四种方法进行了评估：通用性分析、与经典模型的对比、物理模型实验以及耦合CFD–DEM模拟。此外，还进行了敏感性分析，以评估关键参数对临界启动条件的影响。

在自然河流系统中，粗颗粒通常由于长期的搬运和反复碰撞而呈现出圆滑的形态。相比之下，泥石流沟谷中的粗颗粒往往具有不规则的形状和锋利的边缘，这增加了它们的抗移动性。颗粒形状的不规则性，加上缺乏统一的定量指标来描述埋藏状态，使得对颗粒形状与埋藏形式对颗粒启动过程的综合影响评估变得复杂。因此，需要一个更全面的模型来考虑这些因素，从而更准确地预测泥石流中颗粒的启动行为。

本研究通过建立一个基于扭矩的机械模型，深入探讨了埋藏深度对颗粒启动时扭矩平衡的影响。模型考虑了多种合理的假设，以分析不同埋藏深度条件下颗粒受到的力。通过对扭矩平衡的分析，研究确定了临界流速，并将其转换为截面平均启动流速。这一转换过程基于沉积物启动标准，使得模型能够更有效地反映实际条件。此外，研究还通过敏感性分析评估了关键参数对临界启动条件的影响，包括埋藏深度与直径的比值、颗粒密度以及渠道坡度等。

研究结果表明，埋藏深度与直径的比值对截面平均启动流速具有显著影响。颗粒密度是影响因素中的次级因素，而渠道坡度的影响相对较小。这一发现与基本物理原理一致，即在倾斜表面上启动运动所需的力小于在水平表面上启动所需的力。因此，随着渠道坡度的增加，临界启动流速会相应降低。这种趋势表明，坡度对颗粒启动的影响不容忽视，特别是在倾斜渠道中的泥石流模拟中。

此外，研究还通过通用性分析验证了模型的适用性。模型中的扭矩臂系数与渠道坡度密切相关，当坡度从0°增加到60°时，扭矩臂系数会降低，从而导致临界启动流速的减少。这种变化趋势表明，模型能够有效反映不同地形条件下颗粒启动行为的差异。通过对比经典模型，研究发现所提出的模型在预测颗粒启动行为方面更具优势，特别是在考虑埋藏深度和颗粒形状的影响方面。

物理模型实验进一步验证了模型的有效性。实验结果表明，埋藏深度和颗粒形状对颗粒启动过程具有显著影响。在实验中，研究者观察到，随着埋藏深度的增加，颗粒的启动流速会相应降低。这与模型的预测结果一致，表明模型能够准确反映实际条件。此外，实验还显示，颗粒的形状和边缘特性对启动行为具有重要影响，这进一步支持了模型中对这些因素的考虑。

耦合CFD–DEM模拟为研究提供了更精确的工具。通过模拟，研究者能够详细分析颗粒与流体之间的相互作用，特别是在极端水动力条件下颗粒的启动过程。模拟结果表明，埋藏深度对颗粒启动行为具有显著影响，而颗粒密度和渠道坡度的影响相对较小。这种趋势与实验结果一致，表明模型能够有效预测不同条件下的颗粒启动行为。

综上所述，本研究通过建立一个基于扭矩的机械模型，探讨了埋藏深度对颗粒启动行为的影响，从而提高了现有模型的应用性。研究发现，埋藏深度与直径的比值对临界启动流速具有显著影响，而颗粒密度是次级影响因素，渠道坡度的影响最小。这些结论为理解泥石流的放大效应提供了理论支持，并为未来的研究和工程应用提供了重要的参考。