Mudflow Rheology and Dynamics (Iahr Monograph Series) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Taylor & Francis

作者:Philippe Coussot

出品人:

页数:272

译者:

出版时间:1997-01-01

价格:USD 199.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9789054106937

丛书系列:

图书标签:

• 泥石流
• 流变学
• 动力学
• 地貌灾害
• 土木工程
• 水文地质
• 灾害防治
• Iahr专著
• 地球科学
• 自然灾害

泥石流的物理本质、流动规律与动力学模型 本书深入探讨了泥石流这一危险的地质现象，从其形成机制到复杂的流动行为，再到对环境和基础设施的影响，进行了系统性的梳理与分析。泥石流，作为一种由水、土壤、岩石碎片等物质混合而成的快速流体，其破坏力惊人，对人类生命财产安全构成严重威胁。理解泥石流的“泥”——其流变特性，以及“流”——其动力学行为，是有效预测、监测和防御的关键。 第一部分：泥石流的流变学基础 本部分聚焦于泥石流最核心的物理属性：流变学。泥石流并非简单的水流，而是一种复杂的非牛顿流体。其流变行为直接决定了它的稠度、流动阻力以及在不同地形下的演化方式。 泥石流的组成与颗粒特性： 泥石流的物质组成是影响其流变性的基础。本书将详细分析泥石流中水、固体颗粒（包括黏土、粉砂、砂、砾石甚至巨石）的比例、颗粒的粒径分布、形状、表面纹理以及颗粒间的相互作用力。例如，细颗粒（黏土和粉土）的存在会显著增加流体的黏滞性，并通过吸水膨胀改变流体的整体稠度。颗粒的棱角度和粗糙度会影响颗粒间的摩擦阻力，从而影响流体的剪切行为。 流变模型与测量技术： 介绍用于描述和量化泥石流流变特性的各类模型，包括牛顿流体模型（作为参考）、宾汉流体模型、幂律流体模型、卡森-普菲尔流体模型以及更复杂的模型，如基于颗粒接触理论的模型。书中将详述如何通过实验手段测量泥石流的流变参数，例如屈服应力、黏滞系数、剪切稀化/增稠行为等。我们将探讨不同测量仪器（如旋转黏度计、流变仪、管道流实验）在模拟泥石流真实流动条件下的优缺点，以及如何从实验室测量结果外推到实际的野外情况。 屈服应力及其重要性： 屈服应力是泥石流区别于一般流体的重要特征。它指的是流体在达到特定阈值应力之前保持固态或准固态，一旦超过该阈值，流体才会开始流动。本书将深入剖析屈服应力的来源，例如颗粒间的范德华力、静电力、颗粒架体结构以及颗粒间的咬合作用。屈服应力的大小直接影响泥石流的启动、停止以及流动距离。低屈服应力的泥石流更容易远距离传播，而高屈服应力的泥石流则可能在局部堆积。 黏滞性与剪切稀化/增稠： 详细阐述泥石流的黏滞性随剪切速率变化而变化的现象。大多数泥石流表现出剪切稀化行为，即在较高的剪切速率下，流体的黏度反而降低，流动更为顺畅。这将通过分析颗粒在流动过程中重新排列、滑动和润滑等微观机制来解释。同时，也会讨论在某些特定条件下，泥石流可能出现的剪切增稠现象，以及其发生的物理原因。 固液分离与沉降动力学： 泥石流在流动过程中并非均匀混合，颗粒的沉降是影响其流变性和堆积形态的关键因素。本书将分析颗粒的沉降速率与颗粒尺寸、密度、流体黏度、流体密度以及流体内部的剪切应力之间的关系。重点研究宏观上可能发生的固液分离现象，例如上层的水相和下层的稠密泥浆层，以及这种分离如何影响泥石流的流动和侵蚀能力。 温度与含水量的影响： 分析环境温度和泥石流自身含水量对其流变特性的影响。例如，温度升高可能降低水的黏度，从而影响颗粒的沉降和流体的整体流动性；含水量过高可能导致泥石流发生液化，而含水量不足则会使其流动受阻。 第二部分：泥石流的动力学行为与演化 本部分将焦点从泥石流的内在属性转移到其宏观的运动过程，即动力学。我们将考察泥石流在不同地形和环境条件下的运动规律。 流动形态与模式： 描述泥石流在不同坡度、河道宽度和物质组成下的各种流动形态。包括： 黏稠流动（Debris Flow）： 具有高固含量、高黏滞性和明显屈服应力的流动，通常形成相对规则的条带状或舌状堆积。 稀性泥石流（Hyperconcentrated Flow）： 固含量介于普通洪水和黏稠泥石流之间，表现出更接近牛顿流体的性质，但仍具有一定的侵蚀和输移能力。 液化滑坡/泥石流（Liquefied Landslides/Flows）： 发生在饱和土体失稳后，由于孔隙水压力急剧升高，土体失去抗剪强度而呈现液体状的流动。 启动与传播机制： 详细探讨泥石流的启动条件，包括降雨触发、融雪触发、地震触发、冰川/湖泊溃决触发等。分析触发机制如何导致坡体失稳，以及一旦启动，泥石流如何沿着沟谷传播。研究不同坡度、地形粗糙度对泥石流启动能量和传播速度的影响。 侵蚀与堆积过程： 泥石流在流动过程中具有强大的侵蚀和搬运能力，能够刨蚀沟谷，剥蚀边坡，并向下游输送大量物质。本书将分析泥石流侵蚀的机制，包括底床侵蚀、侧向侵蚀和上游挖蚀。同时，也考察泥石流到达坡度变缓、河道展宽或出山口时发生的堆积过程。分析堆积体的形态、厚度和成分，以及堆积过程中发生的颗粒分选和层理现象。 速度变化与动量传递： 泥石流的速度并非恒定，而是在流动过程中不断变化。本书将分析影响泥石流速度的主要因素，包括坡度、物源区长度、物源总量、流体黏滞性、颗粒组成以及河道边界效应。深入探讨流体内部的动量传递机制，例如剪切应力引起的颗粒碰撞和滑移，以及颗粒骨架的相互作用。 能量耗散与转换： 泥石流流动过程中伴随着巨大的能量耗散。书中将分析能量耗散的主要途径，包括颗粒间的摩擦、流体的黏滞性耗散、颗粒与河床及边坡的碰撞磨损等。同时，探讨泥石流的势能如何转化为动能，以及这些能量如何用于侵蚀、搬运和最终的堆积。 沟谷动力学与形态演变： 泥石流对沟谷形态产生深远影响，可以导致沟谷的下切、加宽和原型改变。本书将分析泥石流流经沟谷时，其流宽、流深、流速以及侵蚀/堆积模式如何随沟谷几何形态而变化。研究泥石流活动对沟谷长、剖面和横剖面形态演变的长期作用。 第三部分：泥石流动力学模型与预测应用 基于对泥石流流变学和动力学行为的深入理解，本书将进一步探讨如何建立数学模型来模拟和预测泥石流的发生和发展。 模型分类与发展： 介绍不同类型的泥石流动力学模型，包括： 一维模型： 假设泥石流在单一方向上流动，简化了计算，常用于长距离传播的模拟。 二维模型： 考虑沿主流动方向和横向的流动，能够更好地模拟沟谷中的泥石流传播和物质分布。 三维模型： 考虑所有三个空间维度上的流动，计算量最大，但能提供最详细的模拟结果，适用于复杂地形和精细分析。 宏观模型（Continuum Models）： 将泥石流视为连续介质，基于流体力学和物质守恒方程进行模拟。 微观模型（Discrete Element Models, DEM）： 将泥石流中的固体颗粒视为离散单元，模拟颗粒间的碰撞、摩擦和相互作用，能够更直接地反映颗粒行为对整体流动的贡献。 耦合模型： 将不同尺度的模型或不同物理过程的模型相结合，例如将水文模型与泥石流动力学模型耦合，用于评估降雨触发泥石流的可能性。 关键方程与数值方法： 详细阐述构建泥石流模型所涉及的物理方程，例如动量守恒方程、质量守恒方程、能量守恒方程，以及适用于非牛顿流体的本构方程。介绍常用的数值计算方法，如有限差分法、有限体积法、有限元法以及流体单元法（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）等，并分析其在泥石流模拟中的适用性。 参数化与不确定性分析： 强调模型参数（如流变参数、摩擦系数、侵蚀系数等）的获取难度以及对模型输出结果的影响。讨论如何通过野外观测、实验室数据和反演方法来校准模型参数，并进行模型的不确定性分析，以评估预测结果的可靠性。 灾害评估与风险管理： 探讨如何利用泥石流动力学模型进行灾害评估，例如预测泥石流的潜在影响范围、最大流速、最大流深、堆积厚度以及可能造成的破坏程度。介绍模型在风险评估中的应用，例如识别高风险区域，为防灾减灾工程（如修建拦挡坝、疏导沟渠、加固边坡等）提供科学依据。 监测技术与预警系统： 结合动力学模型，介绍先进的泥石流监测技术，包括遥感技术（卫星、无人机）、地面传感器（雨量计、位移计、声学传感器）、以及早期预警系统的构建。强调模型与实时监测数据的结合，能够提高泥石流预警的准确性和时效性。 结论与展望 本书的宗旨是为地质学家、工程师、环境科学家、灾害管理专家以及对泥石流现象感兴趣的广大读者提供一个全面、深入的理解框架。通过对泥石流流变学和动力学行为的细致剖析，以及对相关动力学模型的介绍，本书旨在提升我们认识、预测和应对这一严峻自然灾害的能力，最终为减少生命财产损失、保障社会安全做出贡献。未来的研究方向将侧重于更高精度的模型开发，对极端事件的模拟能力提升，以及模型与大数据、人工智能技术的深度融合。

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