粘性泥石流流量的研究

1泥石流體作用力粘性泥石流流動(dòng)的形式主要是矩陣流，其脈沖波形為鋸齒狀。在流動(dòng)中，脈沖波表示為幾個(gè)三角形脈沖，每個(gè)脈沖的作用時(shí)間非常短。現(xiàn)在應(yīng)用于計(jì)算泥石流沖擊力的公式主要有:(1)C.M.弗萊施曼公式Ρ動(dòng)=Κγcαv22g(1)P動(dòng)=Kγcαv22g(1)(2)伊茲巴什與哈爾德拉公式Ρ動(dòng)=Κγcv22g(2)P動(dòng)=Kγcv22g(2)(3)И.И.赫爾赫烏利澤公式Ρ總=0.1γc(5Η0+v2)(3)P總=0.1γc(5H0+v2)(3)上述三式中P動(dòng)為泥石流對(duì)攔擋壩的沖擊動(dòng)水壓強(qiáng),T/m2;P總為攔擋壩承受的靜水壓強(qiáng)和動(dòng)水壓強(qiáng)之總值,T/m2;v為擋壩處的泥石流流速,m/s;γc為泥石流體平均密度,T/m3;g為自由落體加速度,m/s2;K為由互撞體特征決定的系數(shù),(1)式取2.0,(2)式取1.3;α為由動(dòng)量所決定的動(dòng)量改正系數(shù),1.33;H0為泥石流泥深,m。(4)章書成,袁建模公式σ=ΚρV2(4)σ=KρV2(4)式中σ為建筑物單位面積作用的沖擊動(dòng)壓力,N/m2;K為表征泥石流體不均值的系數(shù),用于類同蔣家溝泥石流時(shí),取3.0;ρ為泥石流體密度,kg/m3;V為泥石流體流速,m/s。以上公式的共同之處在于,均假定泥石流體為連續(xù)體,同一流動(dòng)面上各點(diǎn)的流速和密度是一致的,利用泥石流體流速和密度來(lái)推算泥石流沖擊力,但是粘性泥石流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表現(xiàn)為陣流,而并非連續(xù)流,泥石流流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜,其內(nèi)部瞬時(shí)速度,流速分布規(guī)律未知,從觀測(cè)數(shù)據(jù)上可知,沖擊力也是時(shí)時(shí)變化的,直接利用上述公式,需同時(shí)對(duì)泥石流密度和流速兩個(gè)變量進(jìn)行假設(shè),計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況之間的誤差較大。但如果根據(jù)實(shí)測(cè)的沖擊力波形簡(jiǎn)單取最大值或是平均值作為工程計(jì)算參數(shù),也是不合理的。本文提出基于動(dòng)量守恒原理,采用Hilbert變換對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理,通過(guò)計(jì)算求得泥石流體瞬時(shí)沖擊力代表值,作為防治工程的設(shè)計(jì)依據(jù)。2受泥石流沖擊的建筑結(jié)構(gòu)微元沖擊行為首先引入泥石流流體微元的概念,即沿著泥石流流動(dòng)方向,按照能夠在攔擋物上產(chǎn)生一個(gè)三角形脈沖形式?jīng)_擊力的特征,將泥石流體劃分為若干個(gè)流體微元,微元體的面積等于結(jié)構(gòu)受沖擊作用面積。假定每一流體微元在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,具有相同的速度和相同的密度,當(dāng)微元撞擊到建筑結(jié)構(gòu)上時(shí),其內(nèi)部各點(diǎn)速度同時(shí)降為零。對(duì)于受泥石流沖擊作用的建筑結(jié)構(gòu)(建筑物、橋墩、攔擋壩等),在受到泥石流流體微元瞬間作用時(shí),存在著動(dòng)、沖量守恒mv=Ρ(5)式中m為微元體質(zhì)量,m=ρAlv,A為沖擊力作用面積,即微元體面積,而l=vT為微元長(zhǎng)度,T為沖擊力作用時(shí)間;P為微元產(chǎn)生的沖量,Ρ=Τ∫0f(t)dt,f(t)為沖擊力曲線函數(shù)。式(5)經(jīng)變換后,得到σ=Τ∫0f(t)dtAΤ=ρv2(6)式(6)可以改寫為F=σA=Τ∫0f(t)dtΤ(7)σ為結(jié)構(gòu)單位面積上作用的沖擊力,即沖擊壓強(qiáng);F為沖擊壓力。從(6)式可知,如果可獲得微元沖擊力作用時(shí)間,以及在該段時(shí)間內(nèi)的作用沖量,利用已知的力作用面積即可求得微元的沖擊壓強(qiáng)。3ft變換泥石流沖擊力作用下的動(dòng)態(tài)反應(yīng)信號(hào)屬于非平穩(wěn)信號(hào),即統(tǒng)計(jì)量(相關(guān)函數(shù)、功率譜等)隨時(shí)間變化的信號(hào),因此時(shí)頻分析方法是分析這類信號(hào)的有效手段,Hilbert變換即數(shù)字濾波器中一個(gè)重要方法,它是1946年伽波(Gobor)提出的。信號(hào)f(t)的Hilbert變換,記為?f(t),是指?f(t)=1πt×f(t)=1π∞∫-∞f(τ)t-τdτ(8)Hilbert變換可以看成是一個(gè)積分濾波器,又稱為90°相移濾波器或垂直濾波器,信號(hào)經(jīng)過(guò)Hilbert變換后產(chǎn)生90°相移。采用Hilbert變換的本質(zhì)是把實(shí)測(cè)得到的所有有效信號(hào)移相90度,由f(t)+i×Hilbert(f(t))組成的復(fù)信號(hào)的幅值正好精確等于窄帶調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò),給定信號(hào)的包絡(luò)為A(t)=√[f(t)]2+[?f(t)]2。利用Hilbert變換,對(duì)沖擊力數(shù)據(jù)進(jìn)行移相處理,求出信號(hào)的包絡(luò)線,利用包絡(luò)線求得沖擊力作用時(shí)間,如圖3所示。由于實(shí)測(cè)沖擊力波型圖上沖擊力開始和停止的時(shí)間不易確定,做如下規(guī)定:若記錄數(shù)據(jù)包絡(luò)線的最大振幅為A,則從振幅αA開始到波型衰減到αA為止的一段時(shí)間作為振動(dòng)持續(xù)時(shí)間T,通常取α=(15～13),本文取=α=15,在T范圍內(nèi)對(duì)沖擊力信號(hào)做積分,就可以得到?jīng)_量值。4角形脈沖形式的計(jì)算結(jié)果在兩個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目中采用上述計(jì)算方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析計(jì)算。本文選擇了其中一組計(jì)算數(shù)據(jù),圖4為其中一個(gè)有代表性的實(shí)測(cè)微元沖擊力的三角形脈沖形式。計(jì)算結(jié)果見表1。從表中可見,除了個(gè)別值外,波形中最大沖擊力值與計(jì)算沖擊壓力值的比值在3-4之間。5建立泥石流沖擊檢測(cè)設(shè)施研究泥石流體沖擊力的不穩(wěn)定性,源自于流體內(nèi)攜帶的大量規(guī)格不同的固體物質(zhì),水流和固體物質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)的撞擊過(guò)程不同,引發(fā)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)歷程不同,這些問題還有待于進(jìn)一步深入研究。在現(xiàn)有條件下,可以在泥石流溝谷中建立沖擊力測(cè)試站,或可以直接利用建在溝谷中的橋墩、攔擋壩等構(gòu)筑物安裝沖擊力傳感器,采集泥石流沖擊作用歷程信息,通過(guò)數(shù)據(jù)處理,利用公式(6)和