Dimensional analysis of natural debris flows.

Zhou, Gordon G.D.; Ng, Charles W.W.

Debris flow is generally composed of a wide range of solid particles and viscous pore fluid. It flows at a high velocity down a slope channel. Interactions between solid and fluid phases affected by multiple parameters govern the rheological properties of debris flows. A dimensional analysis for a systematic study of the governing parameters is presented. Multiple dimensionless numbers with clear physical meanings are critically reviewed. The applications of field data to the studying of natural debris flows are demonstrated. Specific values of dimensionless numbers for classifying flow regimes of large-scale natural debris flows are obtained. Compared with previous small-scale physical model tests, this study shows that the contact friction between particles dominates in natural debris flows. In addition, the solid inertial stress due to particle collisions and the pore-fluid viscous shearing stress play key roles in governing the dynamic properties of debris flows. The channel width as a confinement to the flows can affect the solids discharge per unit width significantly. A dimensionless number related to pore-fluid pressure dissipation is also found that can satisfactorily distinguish between surge flows and continuous flows in the field. Un écoulement de débris est généralement composé de particules solides et d’un fluide interstitiel visqueux, et se déplace à grande vitesse en suivant des canaux en pente. Les propriétés rhéologiques des écoulements de débris sont gouvernées par les interactions entre les phases fluides et solides, qui elles sont affectées par de multiples paramètres. L’article présente une étude systématique des paramètres par analyse dimensionnelle. Plusieurs nombres sans dimension ayant des correspondances physiques bien établies sont révisés. L’application de données de terrain lors de l’étude d’écoulements de débris naturels est démontrée. Des valeurs spécifiques ont été obtenues pour les nombres sans dimension utilisés pour classifier les régimes d’écoulement des écoulements de débris naturels à grande échelle. Comparativement aux modèles physiques précédents sur une petite échelle, cette étude montre que la friction de contact entre les particules domine dans le cas d’écoulements de débris naturels. De plus, la contrainte d’inertie du solide due aux collisions entre les particules, et la contrainte de cisaillement visqueuse du fluide interstitiel, jouent des rôles importants dans l’établissement des propriétés dynamiques des écoulements de débris. La largeur du canal qui confine l’écoulement peut affecter de façon significative la décharge de solides par unité de largeur. Un nombre sans dimension relié à la dissipation des pressions des fluides interstitiels a aussi été déterminé afin de distinguer correctement sur le terrain les écoulements en surpression des écoulements continus.

DEBRIS avalanches; PARTICLES; LIQUIDS; SLOPES (Physical geography); SPEED; DIMENSIONAL analysis; COLLISIONS (Physics); FRICTION

Canadian Geotechnical Journal, 2010, Vol 47, Issue 7, p719

0008-3674

Academic Journal

10.1139/T09-134