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泥石流过流面磨蚀强度影响因素试验研究

泥石流 ，磨蚀强度，过流结构，冲刷磨蚀，排导槽

1研究目的（Objective）

野外泥石流的冲刷磨蚀现象具有极高的偶然性、特定性和不可重复性，治理工程运行工况局限性较强。针对野外调查观测的不足，开展基于多因素的泥石流磨蚀室内模拟实验，获取完整的运动要素和磨蚀过程等参数，弥补由于野外泥石流暴发时间、暴发规模和流体性质的不确定性带来的认识局限。本次研究目的是从泥石流自身的磨蚀能力和排导槽的抗磨蚀响应两个方面开展室内实验，分别研究其影响因素和影响规律。为深入的磨蚀机制分析提供实验基础。

2研究方法（Methods）

取一部分配置好的泥石流样品作为磨料，测试混凝土试块的磨蚀发展速度和形貌效果，并检验和调试实验装置及参数测量系统的有效性；开展两组预实验，分别采用稀性泥石流和黏性泥石流作为磨料，磨蚀试块选取了C15、C20、C25、C30混凝土各1块，电机转速在20~35 r/min之间无级调速，过流时间涵盖了实验设计的10 min~90 min的连续工作区间；正式实验阶段，依次开展稀性泥石流、黏性泥石流和纯泥浆对混凝土试块的磨蚀。每个系列的实验均对流体和磨料进行留样分析，所有组次的正式实验均分别开展了历时10min、30min、60min、90min的4次冲刷磨蚀，并在每次冲刷磨蚀后进行测量和拍照记录。

3研究结果（Results）

（1）分析了同一试块不同接触面的磨蚀分布差异、不同泥深的试块磨蚀强度差异、试块磨蚀强度随过流历时的发展差异和泥石流沉积物中的颗粒分布差异等实验现象。同一试块由于各个接触面承受的流向、流速分布、颗粒分布和剪应力分布的差异，所表现的磨蚀强度分布也存在明显差异。磨蚀最强烈的为迎流面，其次为顶面、底面和外侧面，磨蚀最弱的为背流面和内侧面；不同泥深的试块磨蚀强度差异更大泥深处的大颗粒沉积密度更高，试块周边的泥石流容重和粘滞性更大，接触面所承受的剪应力和拖曳力更大，因此磨蚀表现更为强烈。

（2）不同泥深的试块磨蚀强度具有差异更大泥深处的大颗粒沉积密度更高，试块周边的泥石流容重和粘滞性更大，接触面所承受的剪应力和拖曳力更大，因此磨蚀表现更为强烈。

（3）试块的磨蚀强度随过流历时的发展具有差异。在t=10 min阶段，4个面均出现轻微的磨蚀痕迹，局部砂浆有少量损失；在t=60 min之前的两个历时阶段，磨蚀均有所发展，但磨蚀速率总体较慢；而在t=60 min之后，4个面的磨蚀情况均迅速发展，表面中心处原本被砂浆包裹的粗骨料逐渐裸露，边角处的个别粗骨料甚至出现遗失，块体边缘棱角开始变得圆滑，表明砂浆和粗骨料都在被快速冲蚀磨损。到t=90 min时，试块表面的粗骨料所占面积比显著提高，磨蚀损失量达到最大。

（4）泥石流沉积物中的颗粒分布具有空间差异性。每管样品所分出来的上、中、下3个样品的颗粒级配则差别明显，且大颗粒所占比重随泥深的增大而迅速增加（见图1），显示出底层流体的大颗粒含量最高，对试块的磨蚀效果最强。



图1 磨蚀实验桶内不同位置样品的颗分特征粒径差异

Fig. 1 The difference of the particle size of the samples at different positions in the abrasion experiment barrel

4结论（Conclusions）

(1) 泥石流磨蚀强度的影响因素分为其自身的磨蚀能力和排导槽结构的耐磨蚀能 力两个方面，具体包括泥石流的容重、流速（或沟道纵坡）、颗粒组分、泥深、流变参数、流态参数、过流持续时间和排导槽结构的断面型式（包括辅助结构）、衬砌材料的强度（抗剪切强度、抗压强度）、骨料级配和硬度，以及其他物理磨损和化学腐蚀因素等。

(2) 泥石流磨蚀能力的影响因素中，流速与磨蚀量呈正相关关系，且流速越高，对磨蚀强度的影响越明显；颗粒级配对磨蚀系数影响显著，4种不同物料的泥石流中，两种高容重物料对试块的磨蚀强度相对最大，但受粘滞性差异影响其磨蚀均匀度有所差别，稀性泥石流次之，泥流的磨蚀强度最弱；密度的影响与颗粒级配类似且有相关性，在同一种物料级配下，密度变化的影响不如级配变化显著；上覆泥深主要影响试块表面正压力，泥深越大磨蚀表现越强烈，但仍与泥石流中颗粒级配的垂向分布有较大关系。磨蚀历时对磨蚀量和磨蚀速率均影响明显，其中磨蚀量随历时增长而持续增长，但其磨蚀系数随之减小，增速呈逐渐变缓的趋势。

(3) 排导槽的耐磨蚀性能主要从结构型式和构筑材质两方面考虑。室内实验和野外考察现象揭示，V形槽底的应力最集中，槽底中线的磨蚀现象最强烈；矩形槽底流速和颗粒分布的随机性较大，在小规模和低泥深的工况下容易发生游荡性流动，底板冲淤磨蚀欠均衡；复式槽底兼具两侧束流横坡和中部平底散流的结构特征，既有助于提高输移效率，也在一定程度上减轻了尖角的集中磨蚀现象。在不同材质的表现差别上，混凝土材料的均匀性好，耐磨性能较稳定；浆砌石材料软硬差异明显，整体耐磨性较差；但质地优良的硬岩条石铺砌的耐磨表现则优于一般的混凝土衬砌。