陳洪凱,鮮學(xué)福,唐紅梅,張玉萍,何曉英,文光菊,唐 蘭
(1.重慶交通大學(xué) 巖土與地質(zhì)工程系,重慶 400074;2.重慶大學(xué) 西南資源開(kāi)發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)
泥石流沖擊力是實(shí)施泥石流防治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載依據(jù),屬于陣發(fā)性可變荷載。由于泥石流體內(nèi)固相物質(zhì)顆粒粒徑離散性大,且每一種粒徑與漿體之間的作用方式存在顯著差異[1],增大了實(shí)施泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理與沖擊荷載研究的難度。Bagnold[2]通過(guò)轉(zhuǎn)筒剪切試驗(yàn)提出了顆粒之間法向力和切向力計(jì)算公式;Savage[3]通過(guò)水槽試驗(yàn)揭示了無(wú)粘性顆粒流的運(yùn)動(dòng)特性,分析了顆粒流邊壁摩擦、龍頭躍動(dòng)和顆粒彈跳等動(dòng)力學(xué)效應(yīng);Takahashi[4]將泥石流體視為剪脹流,通過(guò)水槽試驗(yàn)建立了泥石流頭部顆粒動(dòng)力分選力學(xué)機(jī)制,發(fā)現(xiàn)比團(tuán)聚體直徑大的顆粒向上部移動(dòng),而比團(tuán)聚體小的顆粒則向下運(yùn)動(dòng);Arattano等[5]通過(guò)水槽試驗(yàn)探討了泥石流能量波問(wèn)題;Iverson等[6]采用流變理論提出了庫(kù)侖混合物模型,分析了顆粒流中具有較大摩擦作用的頭部與其后部流化碎屑之間的相互作用;Valentino等[7]進(jìn)行了顆粒流水槽試驗(yàn),采用攝像法記錄了顆粒流形成及運(yùn)動(dòng)過(guò)程,并借助于離散元軟件PFC2D系統(tǒng)模擬了顆粒流水槽試驗(yàn),獲取顆粒流沖出距離和沖擊力頻譜特性;Armento等[8]運(yùn)用一維DAN-W模型分析了泥石流的動(dòng)力特性,運(yùn)用二維FLO-2D模型分析了泥石流在沉積扇上的遷移變化規(guī)律;費(fèi)祥俊等[9]采用泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)方法分析了泥石流沖擊問(wèn)題;吳積善[10]根據(jù)蔣家溝泥石流1974-1975年沖擊力測(cè)試資料,得到泥石流沖擊動(dòng)壓力的修正公式,并通過(guò)實(shí)際觀測(cè)將泥石流沖擊力譜提煉為鋸齒形脈沖、矩形脈沖和尖峰形脈沖三種;魏鴻[11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)建立了泥石流龍頭對(duì)壩體的沖擊力計(jì)算公式,周必凡[12]基于顆粒流模型建立了粘性泥石流阻力方程和勻速流動(dòng)方程,Chen等[13]分析建立了計(jì)算滑坡誘發(fā)型泥石流流量的計(jì)算公式;張宇等[14]引入泥石流體微元概念,將泥石流沖擊力作為非平穩(wěn)信號(hào),采用Hilbert變換進(jìn)行時(shí)頻處理確定沖擊作用時(shí)間;梁金培等[15]和巴仁基等[16]通過(guò)對(duì)泥石流現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查從泥石流運(yùn)動(dòng)形跡推測(cè)泥石流沖擊荷載;陳洪凱等[17-18]從固液兩相流理論出發(fā)探討了泥石流沖擊力計(jì)算問(wèn)題。
綜上所述,泥石流沖擊荷載研究目前仍然停留在惟像的宏觀實(shí)驗(yàn)研究階段,以獲得泥石流平均沖擊力為目的,缺乏對(duì)泥石流沖擊信號(hào)的細(xì)觀分析,本文針對(duì)水石流室內(nèi)沖擊試驗(yàn)結(jié)果,采用小波變換法探討泥石流沖擊信號(hào)的能量分布問(wèn)題,為實(shí)施泥石流沖擊動(dòng)力學(xué)精細(xì)化研究提供科學(xué)依據(jù)。
(1)試驗(yàn)?zāi)P驮O(shè)計(jì)
圖1 泥石流沖擊試驗(yàn)?zāi)P虵ig.1 Experimental model of debris flow shock testing
在重慶交通大學(xué)泥石流動(dòng)力模型試驗(yàn)場(chǎng)建造溝谷泥石流試驗(yàn)?zāi)P?圖1),模型主溝長(zhǎng)度9.0 m、高差3.6 m、溝床平均坡度 26°;泥石流溝由水泥砂漿現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成,溝槽較光滑;溝源為水源箱,尺寸1.0 m(長(zhǎng))×1.0 m(寬)×1.5 m(高),儲(chǔ)水量 1.5 m3;水源箱出口處設(shè)置碎石漏斗,其高度0.5 m,頂部直徑0.6 m,底面直徑0.4 m,漏斗底部閥門(mén)設(shè)置為抽板式,開(kāi)口大小可以根據(jù)試驗(yàn)中固相比的大小進(jìn)行調(diào)整;泥石流溝口安置HS200型動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器。
(2)試驗(yàn)工況
本文重點(diǎn)分析不同固相粒徑及不同固相比條件下泥石流的沖擊荷載,屬于水石流室內(nèi)模型試驗(yàn)。固相粒徑分 A(粒徑0.3 ~0.8 cm)、B(粒徑0.8 ~1.5 cm)、C(粒徑 1.5 ~ 3.0 cm)三組,固相比分 0.02、0.08、0.16、0.20 和0.25 共五種情況,按照正交組合方式擬定15種試驗(yàn)工況(表1)。
表1 泥石流沖擊試驗(yàn)工況Tab.1 Testing conditions of debris flow shock
(3)測(cè)試方法與內(nèi)容
按照每個(gè)工況實(shí)施3次試驗(yàn),針對(duì)15種試驗(yàn)工況,共實(shí)施了40余組泥石流沖擊試驗(yàn),每次試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間控制在10~20 s范圍內(nèi)。采用Fastcam-ultima1024型高速攝像機(jī)連續(xù)記錄泥石流運(yùn)動(dòng)形態(tài),采用HS200型動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器和多通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連續(xù)記錄泥石流沖擊荷載變化過(guò)程。由于模型試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)量較大,有85000多個(gè),本文僅選用固相比為0.16的A-3,B-3和C-3三個(gè)試驗(yàn)工況的測(cè)試結(jié)果分析水石流沖擊信號(hào)的能量分布特性,該沖擊信號(hào)為泥石流溝流通區(qū)出口處的正面沖擊力。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的采樣頻率為0.01Hz。
圖2為B-3試驗(yàn)工況獲得的水石流沖擊譜,是固相顆粒和粒間流體沖擊信號(hào)的宏觀表象,可采用離散小波分層分解方法提煉沖擊信號(hào)。由于db小波具有階數(shù)越高規(guī)則性越顯著的特性,原始沖擊信號(hào)經(jīng)過(guò)多層高、低頻逐層分解可得到最后的低頻信號(hào)f8和一系列頻率漸變的高頻信號(hào)g1~g8,其中f8可以反映原始信號(hào)整體狀態(tài),而高頻信號(hào)體現(xiàn)了原始信號(hào)中夾雜不同頻段的噪聲信號(hào),實(shí)現(xiàn)原始信號(hào)的小波分析。本文利用db8小波基對(duì)圖2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行8層小波分解,分解后的九個(gè)頻率段如圖3所示。九個(gè)頻率段的頻率范圍分別為 0 ~ 0.195Hz,0.195 ~ 0.391Hz,0.391 ~0.781Hz,0.781 ~ 1.563Hz,1.563 ~ 3.125Hz,3.125~6.25Hz,6.25 ~12.5Hz,12.5 ~25Hz和25 ~50Hz,據(jù)此可進(jìn)行水石流沖擊信號(hào)能量分布特性分析。
設(shè)水石流沖擊荷載信號(hào)的總能量為E0,則:
式中,f(t)表示為經(jīng)分解后得到的低頻信號(hào);g(t)表示經(jīng)分解后得到的高頻信號(hào)。為便于分析,用g0(t)代替f(t),并考慮到小波的正交性[20],則水石流沖擊總能量可簡(jiǎn)化為:
波紋管的波紋結(jié)構(gòu)有采用2個(gè)不同圓弧段和分別采用圓弧段、平直段2種方式。目前應(yīng)用較多的是圓弧段與平直段相接的方式。文中即模擬圓弧與平直段相接的波紋管,并認(rèn)為圓管內(nèi)充滿流動(dòng)的流體,具體物理模型如圖1所示。模型長(zhǎng)度為180mm,直徑為20mm。流體由左側(cè)流入波紋管,由于流動(dòng)為單相流動(dòng),不考慮重力對(duì)流動(dòng)的影響。
由此可得不同頻段上水石流沖擊能量分布:
圖2 B-3試驗(yàn)工況水石流沖擊譜Fig.2 Shock spectra of the B -3 testing condition for non-viscosity debris flow
同理,可得B-3和C-3試驗(yàn)工況的水石流沖擊信號(hào)頻率段重構(gòu)信息,固相比為0.16的三個(gè)試驗(yàn)工況在不同頻率段的沖擊能量分布狀況如圖4所示??梢?jiàn),本實(shí)驗(yàn)條件下水石流90%以上的沖擊能量分布在低頻(頻段一)部分,中、高頻段沖擊能量分布僅占10%左右,水石流中粒徑越小,中、高頻段的沖擊能量越小;中、低頻段的水石流沖擊能量總體呈現(xiàn)衰減分布趨勢(shì),但在頻段三(0.391 ~0.781Hz)和頻段六(3.125~6.25Hz)出現(xiàn)較顯著的峰值,其中頻段三的峰值強(qiáng)度略高于頻段六;水石流中固相顆粒的粒徑越小,低頻段至高頻段的沖擊能量衰減速度越慢。
圖4 水石流沖擊信號(hào)能量分布Fig.4 Energy distribution of shock signal for non-viscosity debris flow
(1)本文研究對(duì)象為水石流,未考慮漿體粘度對(duì)沖擊特性的影響,所實(shí)施的室內(nèi)模型試驗(yàn)未考慮相似比,其本質(zhì)仍然是定性揭示泥石流沖擊特性的水槽類(lèi)模型試驗(yàn),所揭示的泥石流沖擊信號(hào)與實(shí)情必然存在較大差異。但是,遵循對(duì)科學(xué)問(wèn)題逐步探索原則,本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果也具有一定科學(xué)意義。
(2)實(shí)驗(yàn)表明,水石流沖擊能譜從低頻到高頻非線性衰減,約90%的沖擊信號(hào)能量主要位于0.195Hz以下的低頻段,其余中、高頻段占10%左右,該結(jié)論初步表明,在泥石流防治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮動(dòng)力效應(yīng)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮低頻段沖擊荷載。
(3)實(shí)驗(yàn)表明,水石流沖擊能量分布曲線中,在頻段一、三、六處出現(xiàn)顯著能量峰,峰值強(qiáng)度逐漸衰減,這可能是泥石流陣性的宏觀表象,與吳積善等對(duì)蔣家溝泥石流沖擊特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試揭示的泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律[10]具有謹(jǐn)慎的對(duì)比性,對(duì)于探索泥石流龍頭沖擊強(qiáng)度[11,21]、壓脹機(jī)理[22]具有一定啟示作用,換言之,水石流也存在陣流特征,但其躍動(dòng)周期、峰值強(qiáng)度與粘性泥石流必然存在顯著差異。
(4)實(shí)驗(yàn)表明,為全面揭示泥石流沖擊特性,應(yīng)系統(tǒng)實(shí)施不同漿體粘度、固相比、粒徑級(jí)配組合條件下的大尺度敏感性水槽試驗(yàn),探索泥石流沖擊信號(hào)能譜特征,合理揭示泥石流沖擊能量所處頻段、躍動(dòng)周期及峰值強(qiáng)度與泥石流陣性特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
泥石流沖擊試驗(yàn)是探索泥石流沖擊能量分布的一種有效途徑。運(yùn)用自行研制的試驗(yàn)?zāi)P?,本文?shí)施了A(粒徑0.3 ~0.8 cm)、B(粒徑0.8 ~1.5 cm)、C(粒徑1.5 ~3.0 cm)三種固相粒徑組,0.02,0.08,0.16,0.20和0.25五種固相比共計(jì)15種試驗(yàn)工況的水石流沖擊試驗(yàn),獲取了85000多個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)。選用固相比為0.16的B組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)水石流沖擊信號(hào)能量分布進(jìn)行了詳細(xì)分析,初步結(jié)論如下:
(1)運(yùn)用db8小波基變換對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行8層小波分解,得到了頻率范圍分別為0~0.195Hz,0.195~0.391Hz,0.391 ~ 0.781Hz,0.781 ~ 1.563Hz,1.563~3.125Hz,3.125 ~6.25Hz,6.25 ~ 12.5Hz,12.5 ~25Hz和25~50Hz共九個(gè)頻率段泥石流沖擊信號(hào),獲得了不同頻段的沖擊信號(hào)能量分布。
(2)水石流90%以上的沖擊能量分布在小于0.195Hz的低頻部分,中、高頻段沖擊能量分布僅占10%左右,水石流中粒徑越小,中、高頻段的沖擊能量所占比例越小。
(3)中、低頻段的水石流沖擊能量總體呈現(xiàn)衰減分布趨勢(shì),但在頻段三(0.391~0.781Hz)和頻段六(3.125~6.25Hz)出現(xiàn)較顯著的峰值,其中頻段三的峰值強(qiáng)度略高于頻段六,表明水石流也存在一定陣流現(xiàn)象。
(4)水石流中固相顆粒的粒徑越小,低頻段至高頻段的沖擊能量衰減速度越慢。
[1]Rickenmann D.Empirical relationships for debris flows[J].Natural Hazards,1999,19:47 -77.
[2]Bagnold R A.Experiments on a gravity-free dispersion of large solid spheres in a Newtonian fluid under shear[J].Proc.,Royal Soc.of london,1954,225:49 -63.
[3]Savage S B.Gravity flow of cohesionless granular materials in chutes and channels[J].Journal of Fluid Mechanics,1979,92(1):53-96.
[4]Takahashi T.Debris flow on prismatic open channel[J].Journal of the Hydraulics Division,Proceedings of the American Society of Civil Engineer,1980,106(HY3):381 -396.
[5]Arattano M,Savage W Z.Modeling debris flows as kinematic waves[J]. Bulletin ofEngineering Geology and the Environment,1994(49):3 -13.
[6]Iverson R M,Denlinger R P.Flow of variably fluidized granular masses across three-dimensional terrain:1.Coulomb mixture theory[J].Journal of Geophysical Research,2001,106(B1):537-552.
[7]Valentino R,Barla G,Montrasio L.Experimental analysis and micromechanical modelling of dry granula flow and shocks in laboratory flume tests[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2008,41(1):153 -177.
[8]Armento M C,Genevois R,Tecca P R.Comparison of numerical modelsoftwo debrisflows in the Cortina d’Ampezzo area,Dolomites,Italy[J].Landslides,2008(5):143-150.
[9]費(fèi)祥俊,舒安平.泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理與災(zāi)害防治[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.
[10]吳積善.云南蔣家溝泥石流觀察研究[M].北京:科學(xué)出版社,1990.
[11]魏 鴻.泥石流龍頭對(duì)壩體沖擊力的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),1996,17(3):50 -62.
[12]周必凡.粘性泥石流力學(xué)模型與運(yùn)動(dòng)方程及驗(yàn)證[J].中國(guó)科學(xué)(B),1995,25(2):196 -203.
[13]Chen N S,Yue Z Q,Cui P,et al.A rational method for estimating maximum discharge of a landslide-induced debris flow:a case study from southwestern China [J].Geomorphology,2007,84:44-58.
[14]張 宇,韋方強(qiáng),王 青.基于動(dòng)量守恒的粘性泥石流沖擊力計(jì)算[J].泥沙研究,2006(3):23-26.
[15]梁培金,張友誼.普斯羅溝泥石流運(yùn)動(dòng)特征和動(dòng)力計(jì)算[J].路基工程,2008(6):152 -153.
[16]巴仁基,王 麗,宋 志,等.瀘定縣牧場(chǎng)溝泥石流動(dòng)力特性[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2008(6):75-79.
[17]陳洪凱,唐紅梅.泥石流兩相沖擊力及沖擊時(shí)間計(jì)算方法[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2006,19(3):19 -23.
[18]陳洪凱,唐紅梅,陳野鷹.公路泥石流力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.
[19]陳洪凱,唐紅梅,鮮學(xué)福,等.泥石流沖擊脈動(dòng)荷載概率分布特征[J].振動(dòng)與沖擊,2010,29(8):124 -127.
[20]孫云蓮,劉敦敏.時(shí)頻分析與小波變換及其應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2003,36(2):103 -106.
[21]Arattano M,Savage W Z.Modeling debris flows as kinematic waves[J]. Bulletin ofEngineering Geology and the Environment,1994,4(9):3 - 13.
[22]陳洪凱,杜榕桓,唐紅梅,等.泥石流龍頭壓脹機(jī)理探析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,27(5):790 -793.