粘性泥石流流量的研究

粘性泥石流流量的研究

1泥石流体作用力粘性泥石流流动的形式主要是矩阵流，其脉冲波形为锯齿状。在流动中，脉冲波表示为几个三角形脉冲，每个脉冲的作用时间非常短。现在应用于计算泥石流冲击力的公式主要有:(1)C.M.弗莱施曼公式Ρ动=Κγcαv22g(1)P动=Kγcαv22g(1)(2)伊兹巴什与哈尔德拉公式Ρ动=Κγcv22g(2)P动=Kγcv22g(2)(3)И.И.赫尔赫乌利泽公式Ρ总=0.1γc(5Η0+v2)(3)P总=0.1γc(5H0+v2)(3)上述三式中P动为泥石流对拦挡坝的冲击动水压强,T/m2;P总为拦挡坝承受的静水压强和动水压强之总值,T/m2;v为挡坝处的泥石流流速,m/s;γc为泥石流体平均密度,T/m3;g为自由落体加速度,m/s2;K为由互撞体特征决定的系数,(1)式取2.0,(2)式取1.3;α为由动量所决定的动量改正系数,1.33;H0为泥石流泥深,m。(4)章书成,袁建模公式σ=ΚρV2(4)σ=KρV2(4)式中σ为建筑物单位面积作用的冲击动压力,N/m2;K为表征泥石流体不均值的系数,用于类同蒋家沟泥石流时,取3.0;ρ为泥石流体密度,kg/m3;V为泥石流体流速,m/s。以上公式的共同之处在于,均假定泥石流体为连续体,同一流动面上各点的流速和密度是一致的,利用泥石流体流速和密度来推算泥石流冲击力,但是粘性泥石流的运动状态表现为阵流,而并非连续流,泥石流流动状态复杂,其内部瞬时速度,流速分布规律未知,从观测数据上可知,冲击力也是时时变化的,直接利用上述公式,需同时对泥石流密度和流速两个变量进行假设,计算结果与实际情况之间的误差较大。但如果根据实测的冲击力波形简单取最大值或是平均值作为工程计算参数,也是不合理的。本文提出基于动量守恒原理,采用Hilbert变换对实测数据进行信号处理,通过计算求得泥石流体瞬时冲击力代表值,作为防治工程的设计依据。2受泥石流冲击的建筑结构微元冲击行为首先引入泥石流流体微元的概念,即沿着泥石流流动方向,按照能够在拦挡物上产生一个三角形脉冲形式冲击力的特征,将泥石流体划分为若干个流体微元,微元体的面积等于结构受冲击作用面积。假定每一流体微元在运动过程中,具有相同的速度和相同的密度,当微元撞击到建筑结构上时,其内部各点速度同时降为零。对于受泥石流冲击作用的建筑结构(建筑物、桥墩、拦挡坝等),在受到泥石流流体微元瞬间作用时,存在着动、冲量守恒mv=Ρ(5)式中m为微元体质量,m=ρAlv,A为冲击力作用面积,即微元体面积,而l=vT为微元长度,T为冲击力作用时间;P为微元产生的冲量,Ρ=Τ∫0f(t)dt,f(t)为冲击力曲线函数。式(5)经变换后,得到σ=Τ∫0f(t)dtAΤ=ρv2(6)式(6)可以改写为F=σA=Τ∫0f(t)dtΤ(7)σ为结构单位面积上作用的冲击力,即冲击压强;F为冲击压力。从(6)式可知,如果可获得微元冲击力作用时间,以及在该段时间内的作用冲量,利用已知的力作用面积即可求得微元的冲击压强。3ft变换泥石流冲击力作用下的动态反应信号属于非平稳信号,即统计量(相关函数、功率谱等)随时间变化的信号,因此时频分析方法是分析这类信号的有效手段,Hilbert变换即数字滤波器中一个重要方法,它是1946年伽波(Gobor)提出的。信号f(t)的Hilbert变换,记为⌢f(t),是指⌢f(t)=1πt×f(t)=1π∞∫-∞f(τ)t-τdτ(8)Hilbert变换可以看成是一个积分滤波器,又称为90°相移滤波器或垂直滤波器,信号经过Hilbert变换后产生90°相移。采用Hilbert变换的本质是把实测得到的所有有效信号移相90度,由f(t)+i×Hilbert(f(t))组成的复信号的幅值正好精确等于窄带调幅信号的包络,给定信号的包络为A(t)=√[f(t)]2+[⌢f(t)]2。利用Hilbert变换,对冲击力数据进行移相处理,求出信号的包络线,利用包络线求得冲击力作用时间,如图3所示。由于实测冲击力波型图上冲击力开始和停止的时间不易确定,做如下规定:若记录数据包络线的最大振幅为A,则从振幅αA开始到波型衰减到αA为止的一段时间作为振动持续时间T,通常取α=(15∼13),本文取=α=15,在T范围内对冲击力信号做积分,就可以得到冲量值。4角形脉冲形式的计算结果在两个国家自然科学基金项目中采用上述计算方法对实测数据进行了分析计算。本文选择了其中一组计算数据,图4为其中一个有代表性的实测微元冲击力的三角形脉冲形式。计算结果见表1。从表中可见,除了个别值外,波形中最大冲击力值与计算冲击压力值的比值在3-4之间。5建立泥石流冲击检测设施研究泥石流体冲击力的不稳定性,源自于流体内携带的大量规格不同的固体物质,水流和固体物质对结构的撞击过程不同,引发的结构动态响应历程不同,这些问题还有待于进一步深入研究。在现有条件下,可以在泥石流沟谷中建立冲击力测试站,或可以直接利用建在沟谷中的桥墩、拦挡坝等构筑物安装冲击力传感器,采集泥石流冲击作用历程信息,通过数据处理,利用公式(6)和