泥石流泥舌动力过程的数值模拟研究

泥石流下泄泥舌运动特征参数是制约下泄泥舌冲击特性和拦砂坝下游沟道冲刷研究的重要因素.大多数研究基于模型实验来研究泥石流过坝形成泥舌,成果受到观测手段与研究条件等限制,成果的实际应用意义不大.利用数值模拟方法研究清水或挟沙水流过坝现象,反演泥石流在过坝过程中的流动规律和流动状态,已经证明了数值模拟方法模拟泥石流运动特性的可行性,然而少有学者利用数值模拟针对泥舌运动进行仿真研究.本文针对拦砂坝满库状态,采用基于能有效追踪自由界面的VOF方法的k-ε紊流模型,模拟泥舌下泄运动过程,利用室内模型实验中无法获得的较为详细的流场信息,重点研究泥舌的纵向厚度、下游入射角以及流速分布的变化规律,分析泥舌运动参数与水平抛射距离之间的变化关系,探讨在不同泥石流容重和沟床条件下泥舌断面形态的沿程变化规律,并与已有的室内水槽模型实验结果进行比较分析.结果表明:(1)根据泥舌断面形态,泥舌空中运动段可分为密实段、扩散段和破碎段三个阶段;(2)泥舌的纵向厚度和下游入射角均随抛射距离的增大而增大,同时随泥石流容重和沟床纵坡的变化而变化;(3)泥舌的断面平均速度随抛射距离的增大而增大,且射距越大,流速分布越不均匀,呈中间大、周围小的特点.模拟结果与实验结果吻合良好,说明利用该数学模型模拟泥舌运动是可行的.本研究利用数值模拟对泥舌运动过程进行研究,弥补了模型实验中无法直接测量空中泥舌的形态和流速分布的不足,为准确认识泥舌水力特性提供了依据.