Estudio experimental de un lecho erosionable despejado por un flujo de escombros en un barranco estrecho y empinado

forma limpia

El modelo de la plataforma de desgaste después de la limpieza se captura mediante un dispositivo de escaneo láser 3D. Es difícil representar la diferencia en los resultados para diferentes condiciones experimentales utilizando directamente el modelo de lecho erosionable. En este artículo, la sección longitudinal donde se ubica el punto más bajo después de la limpieza se extrae del modelo 3D como forma de limpieza para el análisis. La Figura 3 muestra algunas de las morfologías de la capa portátil después de los experimentos de limpieza, y el resto se puede encontrar en línea como en la Figura complementaria S1. Al final del canal, el frente del flujo de escombros golpea la barrera, lo que resulta en una mayor socavación y acumulación en el costado de la barrera. Por lo tanto, al analizar el perfil de limpieza, solo se centra la sección de la capa erosionable dentro de 1,8 m para evitar el efecto barrera. Los resultados experimentales mostraron que hubo dos casos de deposición y limpieza sobre la cama. En el caso de deposición, su espesor disminuye gradualmente desde la punta hasta el final de la capa erosionable (Figura 3a).

Se debe prestar especial atención al secado, y hay varios fenómenos que vale la pena señalar. La característica general de la forma de limpieza es que hay un orificio en la entrada y una ranura en el medio y en la parte posterior, y la profundidad del orificio de limpieza es mucho mayor que en otras posiciones. Con limpieza mejorada, por ejemplo, como se muestra en las Figuras 3b y c, cuando la densidad del flujo de desechos es 1,7 g/cm3³ El tamaño de las partículas de sedimento es de 5 a 10 mm, la pendiente de la cuenca aumenta de 10 grados a 19 grados, la posición de la profundidad máxima de limpieza tiende a moverse hacia abajo, el orificio de limpieza continuará expandiéndose y la profundidad del orificio aumenta. La socavación de la ranura también aumentará gradualmente. Cuando la pendiente del canal aumenta a 22°, se produce un gran número de colapsos de sedimentos en la cabecera del lecho, es decir, se produce una erosión severa hacia la cabecera. También se puede observar que todos los puntos de inicio de la limpieza aparecen en la cabecera de la capa portátil. Sólo cuando se produce desgaste hacia el cabezal el punto de inicio de la limpieza avanzará significativamente.

El proceso de formación, depósito y limpieza se analiza más a fondo a través del vídeo grabado por la cámara de alta velocidad. Cuando la densidad del flujo de escombros es alta y el tamaño del grano del sedimento del fondo es pequeño, como en el experimento establecido 16–1,80–1 ~ 2. Como se muestra en la Figura 5a, en esta etapa, el flujo de escombros no ha limpiado el sedimento en absoluto, pero fluye directamente al fondo de la superficie Lecho Finalmente, parte del flujo de escombros se acumula en el lecho erosivo (Fig. 4). Con el aumento del tamaño de grano de los sedimentos del fondo, por ejemplo, el grupo experimental 16-1,80-5 ~ 10, el área de contacto entre el flujo de escombros y el sedimento se vuelve más grande, lo que conduce a un aumento en el efecto del flujo de escombros. sobre el sedimento, y así una parte del sedimento se limpia en la cabecera del lecho, como se muestra en la Figura 5b. Sin embargo, debido a la alta densidad del flujo de escombros y la alta viscosidad entre el flujo de escombros y el sedimento del lecho, es difícil que el flujo de escombros se infiltre, lo que resulta en un mayor bloqueo del flujo de escombros en el área donde se encuentra el sedimento del lecho. limpiado. A pesar de la limpieza que se produjo durante el experimento, el resultado final del perfil del lecho aún muestra una deposición completa en la sección transversal (Figura 4). Al aumentar la pendiente del canal, como en el grupo experimental 22–1,80–5 ~ 10, como se muestra en la Figura 5c. El caudal de desechos aumenta, lo que da como resultado un agujero más grande en la cabecera de la cama. Es difícil que el flujo de escombros continúe llenando los depósitos de la capa seca, por lo que el perfil de limpieza final se muestra en la Figura 4. Cuando se reduce la densidad del flujo de escombros, por ejemplo, el conjunto del experimento es 22–1,70–5 ~ 10. En la Figura 5d, se produce una fuerte colisión y movimiento. Limpieza entre el flujo de escombros y sedimentos en la cabecera del lecho, por lo que inicialmente se puede formar un cráter más grande en la cabecera del lecho, lo que resulta en un cambio en la dirección del lecho. La velocidad del flujo de escombros y el continuo impacto descendente sobre el cráter. Debido al impacto con el agujero, el flujo de escombros consume la mayor parte de la energía, por lo que la capacidad de impacto del flujo de escombros detrás del agujero se reduce considerablemente. La forma final del hoyo se forma en la entrada y la ranura en el medio y en la parte posterior (Fig. 4).

Algunas formas típicas de lecho erosionable (donde h Es un sedimento alto. dónde X es la distancia a la entrada del lecho erosionable).

Algunas operaciones de limpieza típicas, incluidas las frontales y laterales (agrupo experimental 16–1,80–1 ~ 2; Bgrupo experimental 16-1,80-5 ~ 10; Cgrupo experimental 22-1,80-5 ~ 10; Drgrupo experimental 22-1,70-5 ~ 10).

Socavación de taludes crítica

Para un barranco determinado, cuando se especifican las condiciones de flujo de escombros y sedimentos, existe una pendiente crítica en la que los escombros no fluyen ni se acumulan.^18,19. Lo que hay que saber es que el estado de ni curvatura ni asentamiento existe sólo en teoría. Ni la realidad ni la experiencia pueden satisfacer la posición teórica. Por lo tanto, siempre aparece como socavación o deposición en el fondo de la ranura, como se muestra en la Figura 3. Sin embargo, mediante experimentos, es posible determinar la pendiente en la que aparece la forma del lecho de socavación. Por ejemplo, en la Figura 3b, en condiciones experimentales con una densidad de flujo de escombros de 1,75 g/cm3³ Y el tamaño del grano del sedimento es de 2 ~ 5 mm, la forma del lecho es una deposición transversal completa cuando la pendiente del canal es de 13 grados, mientras que la eliminación se produce en la parte superior de la capa del canal cuando la pendiente del canal es de 16 grados, de modo que el punto crítico Se puede determinar que la pendiente de socavación está en el rango de 13 grados a 16 grados. La pendiente crítica de socavación para cada condición experimental se obtiene estadísticamente en combinación con la forma de socavación, como se muestra en la Tabla 3. Se puede encontrar que la pendiente crítica aumenta al aumentar la densidad del flujo de escombros y disminuye al aumentar el tamaño de grano del sedimento del lecho. Según lo analizado por la forma de la socavación, cuanto mayor es la densidad del flujo de escombros y menor el tamaño del sedimento, más débil es la capacidad de socavación del flujo de escombros sobre el sedimento y más fácil es que el flujo de escombros se llene antes que el sedimento seco. lo que significa que es más probable que el fondo del barranco aparezca como sedimentación transversal completa, lo que da como resultado una pendiente de limpieza crítica más alta. Cuando la densidad del flujo de escombros es de 1,70 g/cm³La pendiente crítica de socavación es inferior a 13 grados, por lo que se debe prestar especial atención a los flujos de escombros menos densos en cañones estrechos y empinados.

Profundidad máxima de secado

Profundidad máxima de secado (h_METRO) es un dato de investigación importante para mostrar la intensidad del desgaste del flujo de escombros, y su valor se obtiene con precisión basándose en tecnología láser 3D. De esta manera, se calcula la profundidad máxima de limpieza, mientras se cuenta la velocidad del flujo de escombros (tu), como se muestra en la Figura 6. Esto se puede encontrar h_METRO Disminuye al aumentar la densidad del flujo de escombros, lo que indica una correlación negativa. Una razón para esto es que cuando la densidad del flujo de escombros disminuye, la velocidad del flujo disminuye en consecuencia, debilitando la dinámica del flujo de escombros. Además, cuanto más denso es el flujo de escombros, mayor es la cantidad de sólidos que contiene. A medida que aumenta la fracción de volumen de sólidos que fluyen desde los desechos, disminuye la capacidad de penetrar la capa de desgaste, lo que también resulta en una capacidad de limpieza deficiente.

Profundidad máxima de limpieza y velocidad del flujo de desechos: (a) La pendiente del canal es de 10°; (B) La pendiente del canal es de 13 grados; (C) La pendiente del canal es de 16 grados; (Dr) La pendiente del canal es de 19 grados; (hLa pendiente del canal es de 22 grados.

Sin embargo, la contribución del tamaño de grano del sedimento del lecho (Dr) Porque la fregado intenso es todo lo contrario. Por un lado, con el aumento del tamaño de grano de los sedimentos del fondo, el tamaño de los poros aumenta, lo que hace que aumente la capacidad de infiltración de los escombros en el fondo del barranco, lo que significa que el fondo del barranco es más susceptible a secarse por el flujo de escombros. . Por otro lado, el aumento del tamaño de las partículas en los sedimentos también aumenta la rugosidad de la superficie del lecho del río, lo que también puede hacer que el fondo del barranco se vuelva más susceptible a la desecación por flujos de escombros.

La Figura 7a muestra la relación entre la profundidad máxima de limpieza y la pendiente del canal, y la Figura 7b muestra la relación entre la velocidad del flujo de escombros y la pendiente del canal. Está claro que la profundidad máxima de secado aumenta con el aumento de la pendiente del canal. En la Fig. 7b, a medida que aumenta la pendiente del canal, la velocidad del flujo de escombros aumenta en consecuencia, lo que resulta en un aumento en la capacidad de limpieza del flujo de escombros. También se puede ver que los caudales de desechos son básicamente los mismos para la misma densidad de flujo de desechos y pendiente del canal, lo que es una indicación de la estabilidad del experimento hasta cierto punto. Además, la estabilidad del sedimento del lecho del río bajo la gran pendiente es menor, lo que favorece la formación de una limpieza, y es más probable que el sedimento colapse alrededor del pozo de limpieza, formando un secado más grave e incluso erosión hacia el cabeza. Por ejemplo, en condiciones experimentales con ρ 1,70 g/cm3³ Y Dr De 5 a 10 mm, la pendiente del canal se ajusta de 19° a 22° y el número de Froude para el flujo de escombros aumenta de 5,7 (velocidad del flujo 2,82 m/s, profundidad del flujo 25 mm) a 6,46 (velocidad del flujo 3,2 m/s). s, el flujo de profundidad es de 25 mm), y la estabilidad de los sedimentos del fondo disminuye, lo que provoca que una gran cantidad de sedimentos colapse alrededor del canal y se erosione hacia la cabecera. Aquí, solo la profundidad máxima de limpieza aumentó de 148,04 a 149,97 mm, pero la cantidad de abrasión aumentó de 2,06 x 10⁷ a 2,82 x 10⁷ milímetro³Un importante aumento del 36,9%.

(a) la profundidad máxima de secado y la pendiente del canal; (B) velocidad del flujo de escombros y pendiente del canal.

Como se mencionó anteriormente, la mayor velocidad del flujo de escombros en la pendiente pronunciada probablemente dé como resultado la limpieza de los barrancos, y la estabilidad más débil de los sedimentos del lecho del río en la pendiente pronunciada conduce a la posibilidad de un colapso de los sedimentos del lecho del río, lo que conduce a una aumento significativo de la diarrea.