泥石流運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

劉 麗，陳洪凱

(1.重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶400074;2.重慶交通大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，重慶400074)

泥石流是一種全球性的自然災(zāi)害，是各種自然因素(地質(zhì)、地貌、水文、氣象、植被)和人為因素綜合作用的結(jié)果［1－11］。泥石流因其形成過(guò)程復(fù)雜、爆發(fā)突然、來(lái)勢(shì)兇猛、歷時(shí)短暫、破壞力強(qiáng)而成為山區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的一大災(zāi)害［3－5，10－11］。泥石流可在瞬間釋放出大量的前期逐漸積累的物質(zhì)和巨大能量［5－7，10］，具有極大的破壞力，在泥石流所到之處，常常毀損公路、鐵路、橋梁等交通設(shè)施及通訊基礎(chǔ)設(shè)施［3－5］，良田被沖毀，江河被堵塞，房屋被沖毀淤埋，嚴(yán)重危及人民生命和財(cái)產(chǎn)［4－7，10－11］。

我國(guó)山區(qū)和高原面積廣闊，約占國(guó)土面積的66%，多處于季風(fēng)氣候區(qū)，加之?dāng)嗔褬?gòu)造發(fā)育、地震頻繁、地形陡峻，具備了泥石流形成條件，而表層巖體破碎，又由于人類(lèi)活動(dòng)影響，植被覆蓋率越來(lái)越低，使我國(guó)成為世界上泥石流最多的國(guó)家之一。隨著西部大開(kāi)發(fā)的不斷深入，人類(lèi)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大以及各類(lèi)建設(shè)工程的實(shí)施，加劇了公路泥石流發(fā)生頻率，每年就公路泥石流造成經(jīng)濟(jì)損失近50億元。

加深對(duì)泥石流暴發(fā)、運(yùn)動(dòng)及成災(zāi)機(jī)理等方面的認(rèn)識(shí)，是控制治理泥石流災(zāi)害的首要前提，也是目前各國(guó)學(xué)者所關(guān)注的焦點(diǎn)之一。各國(guó)研究學(xué)者和工程技術(shù)人員，都從自身的學(xué)科領(lǐng)域和工作對(duì)象來(lái)研究和防治泥石流，概括起來(lái)有兩個(gè)方面:①?gòu)牡刭|(zhì)地貌過(guò)程和現(xiàn)象方面為出發(fā)點(diǎn)的;②從氣象水文過(guò)程來(lái)研究的。泥石流運(yùn)動(dòng)動(dòng)力特征是泥石流學(xué)科的一個(gè)重要課題，因其具有突發(fā)性和災(zāi)害的嚴(yán)重性始終受到人們的重視，泥石流運(yùn)動(dòng)力學(xué)的研究主要集中在以下兩個(gè)方面:泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中力學(xué)模型轉(zhuǎn)化機(jī)理［5］;泥石流流體的動(dòng)力特性［12－14］(流速、沖擊力、磨蝕力)。

1 泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中力學(xué)模型

1970年美國(guó)地質(zhì)地貌學(xué)家Johnson等［15］發(fā)表了第一篇有關(guān)泥石流運(yùn)動(dòng)模型的論文。由于泥石流運(yùn)動(dòng)速率與應(yīng)力的關(guān)系呈非線性比例關(guān)系，不能應(yīng)用牛頓流體模型。在非牛頓流體模型中，Johnson等選用賓漢黏性流模型(Bingham viscos fluid model)，首次建立了泥石流運(yùn)動(dòng)方程，求解了泥石流最大流速。賓漢模型可解釋觀察到的一些泥石流現(xiàn)象，如泥石流“龍頭”的巨礫聚集、大顆粒支撐結(jié)構(gòu)和流體中存在的非變形“剛?cè)w”(rigid plug)現(xiàn)象，可以用賓漢模型得出較為合理的物理力學(xué)解釋。英國(guó) Keele大學(xué)的 Derbyshire教授等許多學(xué)者［15－20］認(rèn)為，雖然認(rèn)識(shí)到泥石流的運(yùn)動(dòng)和堆積與賓漢變形有關(guān)，但仍然有許多泥石流現(xiàn)象不能由賓漢模型得到圓滿解釋。

1978 年日本泥石流學(xué)家 Takahashi［15，18］教授的研究表明，許多泥石流的特性可以用膨脹流來(lái)模擬，并認(rèn)為泥石流“龍頭”的巨礫聚集是由于流體中顆粒的碰撞形成的。兩年后這一觀點(diǎn)基本成型，他借用英國(guó)科學(xué)家Bagnold［21］于1954年提出的分散應(yīng)力的概念，1980年提出了泥石流拜格諾膨脹流模型(Bagnold dilatant fluidmodel)，建立了泥石流運(yùn)動(dòng)方程，求解了泥石流平均速度和流體深度［18］。這一模型提供了泥石流啟動(dòng)和堆積的臨界條件，解釋了流體中有時(shí)不存在非變形“剛?cè)w”現(xiàn)象的成因機(jī)理和流體紊動(dòng)對(duì)流體阻力的影響，并對(duì)泥石流大顆粒支撐結(jié)構(gòu)和“逆向粒級(jí)”形成的物理力學(xué)機(jī)理給出了新的解釋。

該理論認(rèn)為，泥石流是一種脹流型流體，其剪切應(yīng)力主要是由顆粒間的碰撞所產(chǎn)生。它提供了運(yùn)動(dòng)阻力和使礫石不沉積的支撐力機(jī)理，并且表明了泥石流不同于水流的運(yùn)動(dòng)速度分布以及水石流具有較大的阻力。這個(gè)理論的缺陷主要的是忽略了孔隙液體的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。它認(rèn)為液相基質(zhì)可以當(dāng)作理想流體，其黏滯性可以忽略不計(jì)。這是不正確的，特別是當(dāng)基質(zhì)為黏土和粉沙懸浮液時(shí)更不正確。

1986年美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 Cheng-lung Chen博士［19－20］基于賓漢流體方程，提出了一個(gè)通用的泥石流黏塑流模型(Generalized viscoplastic model)［22］，并得出了這一模型的數(shù)值解。他認(rèn)為，高度理論化的泥石流賓漢模型和拜格諾模型，盡管有它們的合理性和適用性，但由于過(guò)于復(fù)雜而在實(shí)際應(yīng)用中失去了它們的可操作性。由他改進(jìn)合并后的泥石流黏塑流模型，既包含了泥石流賓漢模型，又包含了泥石流拜格諾模型，泥石流賓漢模型和拜格諾模型都可以認(rèn)為是泥石流黏塑流模型的亞模型。他認(rèn)為這一改進(jìn)的泥石流黏塑流模型為泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理的進(jìn)一步研究奠定了理論基礎(chǔ)。

1993年美國(guó)O’Brien博士等對(duì)泥石流賓漢模型和拜格諾模型的結(jié)合做了新的嘗試，試圖建立起通用的泥石流運(yùn)動(dòng)模型，并稱(chēng)之為膨脹塑流模型(Dilatant P1astic model)［16，22－23］。這一模型是在美國(guó)工程兵部隊(duì)于1986年創(chuàng)立的用于計(jì)算洪積扇上洪水和高含沙水流淹沒(méi)范圍的一維水力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，用二維連續(xù)流控制方程，采用有限元微分求解，建立的二維水流和泥石流運(yùn)動(dòng)模型，該模型可用于計(jì)算流速和流深。這一模型有一定的實(shí)用性，被法國(guó)學(xué)者Laigle和CoMssot認(rèn)為是可以與Johnson模型和 Takahashi模型相提并論的成果［22－23］。這一模型主要適用于顆粒較細(xì)的“泥流”，而并不太合適于含有粗大顆粒的“泥石流”。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 Iverson博士［24］于1997年發(fā)表了一篇重要泥石流論文:“泥石流物理學(xué)”。他比較了泥石流賓漢黏性流模型、泥石流拜格諾膨脹流模型和含有孔隙水壓力的庫(kù)倫顆粒流模型(Coulomb grain flow with variable Pore Pressure)。借用連續(xù)混合流理論 (Continuum mixturetheory)［24－26］，根據(jù)能量守恒原理，Iverson提出了復(fù)雜的泥石流“混合流理論動(dòng)量守恒方程”(Mixturetheory momentum conservation equations)，用以分別計(jì)算泥石流體中的固體和液體的運(yùn)動(dòng)速度。

泥石流運(yùn)動(dòng)模型作為一種單相體模型是不完善的，泥石流本身是由固液氣三相組成，有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，近年來(lái)，隨著流體力學(xué)、流變學(xué)和顆粒流學(xué)的進(jìn)展，固液兩相流理論［27－29］亦日趨完善，用兩相流模型來(lái)概化泥石流運(yùn)動(dòng)體是較為合適的，而固液兩相之間又是有著復(fù)雜的非線性關(guān)系相互影響。由上所述，泥石流體內(nèi)液相與固相及固體顆粒間的相互作用十分復(fù)雜。把泥石流看作是兩相流時(shí)，與一般固液兩相流的類(lèi)似之處在于需同時(shí)考慮固液兩相物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及其它們之間的相互作用。不同之處則在于“液相”和“固相”的含義已有所不同，為了反映泥石流與一般意義上兩相流的這種差異，陳洪凱［30］建立的等效兩相流模型為基礎(chǔ)，把泥石流概化成兩相組成，以黏度和粒徑來(lái)概化劃分固相和液相。運(yùn)用兩相流理論模型更能接近泥石流體的本質(zhì)，通過(guò)野外考察和定位觀測(cè)，結(jié)合理論分析和模型實(shí)驗(yàn)，更科學(xué)地分析泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理和解釋運(yùn)動(dòng)中的各種泥石流現(xiàn)象。

2 泥石流運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論研究

2.1 泥石流流速

泥石流流速是泥石流動(dòng)力學(xué)性質(zhì)中最重要的參數(shù)，也是泥石流防治工程設(shè)計(jì)不可缺少的參數(shù)。因此，準(zhǔn)確確定泥石流流速在泥石流計(jì)算中至觀重要，同時(shí)也是泥石流工作極為關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外確定泥石流流速的方法很多，就其計(jì)算方法而言，概括起來(lái)可以分為兩類(lèi)［5］:一是黏性泥石流流速計(jì)算公式，二是稀性泥石流流速計(jì)算公式。

我國(guó)多從觀測(cè)資料出發(fā)建立起一些地區(qū)性的經(jīng)驗(yàn)公式，這些公式均以滿寧公式為基礎(chǔ)修正而成，具有鮮明的地區(qū)性。

陳洪凱［30］將泥石流體概化為由固相顆粒和漿體組成的等效兩相流體，運(yùn)用兩相流理論構(gòu)建了泥石流體分相流速計(jì)算公式:

式中:ˉvs、ˉvf分別表示泥石流體中固相和液相的實(shí)際流速，m/s;vs表示泥石流體中固相理論流速，m/s;α表示泥石流固相比;ρs、ρf分別表示固相和液相的平均密度，g/cm3;G表示固相流速差異系數(shù)，是泥石流固相比、流通區(qū)長(zhǎng)度和泥石流厚度的函數(shù);M為泥石流固液相流速比例，為固相比α的函數(shù)，計(jì)算公式為:

舒安平［31］通過(guò)對(duì)我國(guó)西部大量泥石流溝的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出涉及參數(shù)較為全面、具有一定普遍意義的黏性泥石流運(yùn)動(dòng)速度公式的計(jì)算方法:

根據(jù)上述公式所計(jì)算出來(lái)的速度與實(shí)測(cè)速度比較都存在不同程度的誤差，并且這些公式的適用范圍只限于某一地區(qū)或某一類(lèi)型的泥石流，地區(qū)性很強(qiáng)。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般是將幾個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)或調(diào)查資料進(jìn)行比較后確定泥石流體的流速。

2.2 泥石流沖擊力

泥石流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)所觸及的一切物體均會(huì)產(chǎn)生力的作用，泥石流動(dòng)力學(xué)特征是泥石流在形成、運(yùn)移、沉積等過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的一系列宏觀特性，對(duì)泥石流動(dòng)力學(xué)特征及其形成機(jī)制的研究是泥石流研究的一個(gè)重要內(nèi)容，它不僅有利于我們認(rèn)識(shí)泥石流這一特殊地質(zhì)災(zāi)害，也是設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)防治泥石流的基礎(chǔ)和前提條件［12］。

泥石流沖擊力的研究泥石流動(dòng)力學(xué)的重要課題，它與被撞構(gòu)件的尺寸和剛度有關(guān)，而且由于泥石流體中顆粒含量、顆粒尺寸及分布是隨機(jī)無(wú)序的，因而其力源亦是隨機(jī)無(wú)序的，這給泥石流沖擊力的研究帶來(lái)了許多困難，可運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率論的方法來(lái)解決。此外還需結(jié)合野外實(shí)測(cè)資料和室內(nèi)試驗(yàn)分析其內(nèi)在規(guī)律［32］。泥石流流體及所含的巨礫有極大的沖擊力，往往是工程破壞的直接原因。20世紀(jì)70年代以來(lái)，我國(guó)與日本幾乎同期進(jìn)行這方面的野外測(cè)試工作。泥石流的沖擊力包括兩種:泥石流體的動(dòng)壓力和大塊石的沖擊力。文獻(xiàn)［4］得出泥石流沖擊壓強(qiáng)計(jì)算式為:

式中:k為系數(shù)，根據(jù)云南東川實(shí)測(cè)資料取值為3～5;ρ為泥石流體平均密度，kg/m3。

吳積善等和周必凡等的泥石流動(dòng)壓力表達(dá)式為:

式中:P為被撞物單位面上所受的流體壓力，kN;γc為泥石流體平均容重，kN/m3;vc為泥石流體平均速度，m/s。

根據(jù)蔣家溝1974—1975年沖擊力測(cè)試資料，對(duì)上式進(jìn)行了修正，修正公式為:

式中:k為泥石流不均勻系數(shù)，一般2.5～4.0。

對(duì)于泥石流體中巨礫對(duì)被撞結(jié)構(gòu)物的沖擊力，視所建立的計(jì)算模型的不同，建立的計(jì)算公式較多，主要有船筏撞擊力計(jì)算公式、懸臂梁式計(jì)算公式、簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊計(jì)算公式、撞擊歷時(shí)計(jì)算公式、落石沖擊力計(jì)算式和彈性球沖擊計(jì)算公式。

陳洪凱［29，32－33］把泥石流體概化為固、液兩相流體，根據(jù)泥石流分相流速計(jì)算理論建立泥石流兩相沖擊力計(jì)算方法，并由泥石流沖擊形跡計(jì)算泥石流沖擊時(shí)間，可以有效地弱化現(xiàn)有沖擊力計(jì)算的不確定性，并且可以在泥石流爆發(fā)后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、取樣分析來(lái)計(jì)算泥石流活動(dòng)期間的沖擊力及沖擊時(shí)間長(zhǎng)短。防治結(jié)構(gòu)或岸坡表面單位面積承受的泥石流沖擊力與泥石流液相漿體沖擊力、固相顆粒沖擊力等有關(guān)，即:

其顯式表達(dá)式為:

式中:P的單位為Pa;K0為沖擊力顯式系數(shù)，一般取500～550，泥石流體黏度愈高取值愈大。

魏鴻［34］基于室內(nèi)試驗(yàn)，建立了泥石流龍頭對(duì)壩體的沖擊力計(jì)算式:

式中:R為泥石流體中顆粒的代表粒徑，m;K為常數(shù);V0為泥石流中顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，m/s;v0為泥石流內(nèi)部壓力波傳播的速度(或稱(chēng)龍頭沖擊的初速度);ε為碰撞的能量恢復(fù)系數(shù)(可取0.6);ρ為龍頭整體密度，kg/m3;ρL為液相密度，kg/m3(一般可取清水密度);λ為顆粒線濃度;ρs為顆粒密度，kg/m3;ρ0為龍頭沖擊壩前的密度，kg/m3。流體初始?jí)毫0(kN)由式(13)計(jì)算:

式中:hm為龍頭沖擊前泥石流體的流深，m。

吳積善等［4］通過(guò)對(duì)蔣家溝泥石流觀測(cè)將沖擊力概化為鋸齒形脈沖、矩形脈沖和尖峰形脈沖。如圖1～圖3。它們反映了泥石流沖擊力隨泥石流本身特征如流速、流量、容重、顆粒級(jí)配及顆粒形狀等不同而變化。

劉雷激等［35］在中國(guó)科學(xué)院東川泥石流觀測(cè)站于1982—1985年對(duì)蔣家溝泥石流沖擊力進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量，采集了一批數(shù)據(jù)，將巨礫撞擊力概化為矩形脈沖譜，而視泥石流漿體壓力為三角形脈沖譜。

圖1 鋸齒形脈沖Fig.1 Pulse of hackle

圖2 矩形脈沖Fig.2 Pulse of rectangle

圖3 尖峰形脈沖Fig.3 Pulse of aiguille

2.3 泥石流磨蝕力

由于固、液兩相泥石流體對(duì)防治結(jié)構(gòu)的磨蝕作用包括漿體的磨蝕和固相顆粒的切削兩方面，基于牛頓第二定律分別建立了泥石流液相漿體和固相顆粒的磨蝕力計(jì)算式［32］:式中:Rf為泥石流漿體對(duì)防治結(jié)構(gòu)(如速流槽)的磨蝕力)，kN/m;Rs為單位長(zhǎng)度的速流槽壁面混凝土受到泥石流固相顆粒的切削力，kN/m;β為防治結(jié)構(gòu)底板平均坡角，(°);G0為等效顆粒的重量，kN;W0為防治結(jié)構(gòu)底板承受的上覆泥石流體重力，kN/m;a為泥石流運(yùn)動(dòng)加速度，m/s2;b′為防治結(jié)構(gòu)內(nèi)泥石流過(guò)流斷面的寬度，m;h0為防治結(jié)構(gòu)內(nèi)泥石流體最大設(shè)計(jì)深度，m;γc為泥石流體平均容重，kN/m3;φf(shuō)為泥石流漿體與混凝土壁面的動(dòng)摩察角，(°)(取靜摩擦角的0.4～0.5倍);k0為泥石流沖擊動(dòng)力實(shí)驗(yàn)系數(shù)(黏性泥石流取10～13，稀性泥石流取12～15);r為顆粒對(duì)速流槽壁面混凝土的摩阻力，kN/m;其余同前。

基于泥石流磨蝕力計(jì)算公式，運(yùn)用量綱分析法建立了混凝土防治結(jié)構(gòu)底板磨蝕速度及磨蝕量計(jì)算式。

3 泥石流動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

試驗(yàn)研究是泥石流基本研究方法之一，泥石流試驗(yàn)包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、常規(guī)試驗(yàn)、流變?cè)囼?yàn)和泥石流模型試驗(yàn)。在認(rèn)識(shí)泥石流現(xiàn)象的過(guò)程中，對(duì)解決有關(guān)泥石流形成條件和運(yùn)動(dòng)條件的定性定量問(wèn)題的研究起著很大的作用，是研究泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理和泥石流動(dòng)力學(xué)等的一個(gè)重要手段。通過(guò)試驗(yàn)研究泥石流體基本特征值、形成、運(yùn)動(dòng)及其動(dòng)力問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［7］:

1)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M泥石流，測(cè)量泥石流體的基本特征值和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如泥石流體的黏度、容重、流速等;

2)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證、校核和修正純理論法所得到的解析關(guān)系式;

3)試驗(yàn)研究方法可用來(lái)擬定泥石流經(jīng)驗(yàn)公式、理論試驗(yàn)公式。

在各類(lèi)試樣中，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、常規(guī)試驗(yàn)和流變?cè)囼?yàn)的研究較為成熟，伴隨著各類(lèi)試驗(yàn)儀器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，基本上建立了一套行之有效的觀測(cè)方法、量測(cè)方法以及分析方法，加深了對(duì)泥石流的基本性質(zhì)的認(rèn)識(shí)理解。相對(duì)而言泥石流模型試驗(yàn)研究相似理論目前還處于探索階段［36－37］，周必凡等［13］將泥石流模型試驗(yàn)分為定性模型試驗(yàn)和定量模型試驗(yàn)。定性模型試驗(yàn)主要遵循模擬流體與原型流體的物理力學(xué)特征相同和試驗(yàn)設(shè)備的邊界條件與試驗(yàn)流體的規(guī)模滿足限制條件這兩個(gè)方面，而定量模型試驗(yàn)除了以上兩個(gè)條件外，還應(yīng)保證模擬泥石流和原型泥石流的佛汝德數(shù)相等。

王兆印［14］采用多卵石進(jìn)行水流沖刷溝床沉積物發(fā)展形成兩相泥石流的試驗(yàn)，來(lái)研究泥石流形成和發(fā)展過(guò)程，以此建立龍頭運(yùn)動(dòng)的能量理論和泥石流平均速度的理論公式，還分析龍頭卵石的碰撞分選機(jī)理。魏鴻［34］進(jìn)行了穩(wěn)定均勻顆粒水石兩相流龍頭沖擊壩體的水槽試驗(yàn)研究，分析了沖擊荷載峰值的構(gòu)成情況，運(yùn)用壓力波理論結(jié)合顆粒流的應(yīng)力關(guān)系建立了龍頭沖擊力的計(jì)算辦法，并對(duì)概化后的龍頭計(jì)算其在沖擊壩體時(shí)的作用力垂向分布。

王協(xié)康［36］從挾沙水流與泥石流模型相似律的關(guān)系入手，結(jié)合泥石流動(dòng)力、動(dòng)態(tài)、幾何形態(tài)以及入流和邊界條件對(duì)其相似律進(jìn)行探討，并與泥石流體本身的組成、結(jié)構(gòu)和流變等特性聯(lián)系起來(lái)，得到稀性泥石流的相似條件，并認(rèn)為黏性泥石流應(yīng)以高含沙泥漿為基礎(chǔ)，進(jìn)而提出了不同類(lèi)別泥石流模型試驗(yàn)相似條件。

徐永年［38］利用可調(diào)坡水槽進(jìn)行了松散崩塌土與水流摻混形成泥石流的實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)崩塌土運(yùn)動(dòng)距離及泥石流的形成過(guò)程，建立崩塌土流高比的計(jì)算公式，并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一定形狀的塊狀崩塌土與飽和度較高的下墊層之間存在超載孔隙水壓力，超載孔隙水壓力減輕了塊體自重達(dá)到減阻的作用。

日本學(xué)者原田民司郎等人采用實(shí)測(cè)泥石流(水位、流速、輸沙量)資料，將由雨量圖算出的泥石流水位圖作為上游的邊界條件，應(yīng)用泥石流輸沙模型及其運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)方程式，再現(xiàn)了日本水無(wú)川1992年8月泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并與實(shí)際沉積程度比較后加以檢驗(yàn)以此研究泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，模擬泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，利于掌握其沉積、泛濫的危險(xiǎn)區(qū)域，制定防災(zāi)減災(zāi)的對(duì)策［37］。

4 泥石流運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究展望

4.1 泥石流運(yùn)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論研究的進(jìn)一步深化

4.1.1 流速研究

泥石流流速是泥石流運(yùn)動(dòng)力學(xué)核心理論之一，現(xiàn)有公式都是側(cè)重經(jīng)驗(yàn)公式和地區(qū)性公式，而且流速的表示方法一般以斷面平均流速或泥石流表面流速為主，泥石流近底流速的觀測(cè)和計(jì)算公式表達(dá)較少。泥石流對(duì)溝谷及岸坡的沖刷以及河床斷面的輸沙起主導(dǎo)作用的是近底流速，故對(duì)近底流速的研究是必要的。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量近底流速的變化規(guī)律建立泥石流近底流速計(jì)算公式，分析近底流速與泥沙啟動(dòng)的關(guān)系。同時(shí)也可測(cè)定斷面各點(diǎn)的泥石流流速及某個(gè)特征點(diǎn)的沖刷深度，利用流速與沖刷深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推求整個(gè)斷面各對(duì)應(yīng)流速測(cè)試點(diǎn)的沖刷深度，從而計(jì)算出斷面沖刷量，為泥石流防治工程提供計(jì)算依據(jù)。

4.1.2 沖擊力研究

泥石流沖擊力研究主要集中在泥石流沖擊頻譜、沖擊機(jī)理、岸坡動(dòng)力演化以及沖擊力計(jì)算等方面，屬于泥石流動(dòng)力學(xué)的核心理論之一，陳洪凱等(2006)［29］基于泥石流在溝岸或防治結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生的沖擊形跡運(yùn)用兩相流理論進(jìn)行了泥石流沖擊力研究。利用泥石流發(fā)生后的沖擊形跡，反算泥石流的斷面平均流速及沖擊力，為防治工程提供較為精確的計(jì)算依據(jù)。同時(shí)對(duì)于泥石流沖擊力的研究還可以通過(guò)建立流速的隨機(jī)概率模型，利用頻譜分析，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，可以分析得出沖擊力的隨機(jī)概率模型。同時(shí)，利用沖擊形跡理論來(lái)較核此沖擊力隨機(jī)概論模型，再通過(guò)試驗(yàn)分析不斷的給予修正。

4.2 泥石流運(yùn)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)方法及試驗(yàn)儀器的不斷研發(fā)和創(chuàng)新

現(xiàn)有泥石流專(zhuān)用儀器和傳感器，如沖擊力傳感器和儀器，地聲傳感器，超聲泥位計(jì)，大型砂漿流變儀，以微機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，記錄表面流速和龍頭形態(tài)的動(dòng)態(tài)攝影和圖象解析系統(tǒng)等等。但這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，對(duì)泥石流脈動(dòng)流速的測(cè)量及采集現(xiàn)有儀器無(wú)法測(cè)量及采集，沒(méi)有脈動(dòng)流速的實(shí)測(cè)資料，也無(wú)從知道流體內(nèi)旋渦的尺寸，限制了運(yùn)動(dòng)方程解析的精度等等。所以就要求測(cè)量的試驗(yàn)儀器能夠不斷的研發(fā)。

4.3 加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的交流與合作

從事泥石流研究的各個(gè)研究單位各自積累了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也各自做了很多的數(shù)據(jù)庫(kù)，如陳洪凱［39］、唐紅梅［40］在公路泥石流防治工程中作出了大量工作，但信息數(shù)據(jù)傳播相對(duì)比較閉塞，很多基礎(chǔ)試驗(yàn)在不停的反復(fù)測(cè)定，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，很有必要建立行業(yè)性的規(guī)定，基本統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的模式，建立情報(bào)交流制度。

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