泥石流冲击力和冲起高度是防护结构设计的重要参数；同时，泥石流冲击造成流体速度和深度的瞬时变化，因而可以作为泥石流数值模型的严谨的验证手段。以往的研究证实了冲击力和冲起高度与流体的Froude数密切相关，但是由于实验材料、结构形式、测量手段等设置上的差异，其与Froude数的定量关系一直未明确。针对该难题，中科院成都山地所宋东日研究员团队通过自主设计的传感器模块与精准的实验测量，初步确定了以上的定量关系。

研究团队进行了不同流态（Froude范围0.36-8.62）和不同体积固相浓度（0.40-0.55）的两相流冲击刚性挡板的室内水槽实验。实验利用PIV技术获取了泥石流冲击过程的流场，有利于判定冲击模式；通过对水槽基底正剪应力、孔隙水压、挡板上总压力和流体冲击压力的精细测量，揭示了两相冲击动力过程，测试结果进一步与Vertical jet和Momentum jump两种理论模型预测结果进行了对比。

研究结果揭示了两相泥石流的冲击动力学特性并验证了理论模型的适用性。虽然冲击模式上存在差异，冲击力测量结果与Vertical jet和Momentum jump两种理论模型均较接近，且泥石流数据本身的离散性要大于两种理论模型之间的差异，因而工程设计不需要过多考虑两种冲击模式造成的冲击荷载的差异；此外，Froude数3-4可作为区分Vertical jet和Momentum jump两种模式对应的冲起高度的阈值，在此阈值之上，符合Vertical jet模式。本研究确认了泥石流流态（Froude数）与冲击（冲击力和冲起高度）的定量关系，可对泥石流的防护工程设计提供参考并为泥石流灾害中建筑物的易损性评估提供依据。

研究成果得到国家自然科学基金（41925030, 42077256）等项目支持。相关成果发表于工程地质学期刊Engineering Geology。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2021.106211

水槽底部测量模块：三轴测力与孔压传感器的组合来精准测量正应力、剪应力和孔隙水压

无量纲化的泥石流冲击荷载（左图）和冲起高度（右图）与Froude数的关系，实线标示理论模型