我国是一个多山的国家,泥石流沟道广泛分布。泥石流灾害给人民群众的生命和财产安全构成严重的威胁,成为制约山区发展的重要因素。结合泥石流动力模型的数值模拟已成为研究泥石流的重要手段。泥石流动力学数值模型研究不但可以深入认识泥石流的动力学机理,发展数值模型理论和方法,同时通过数值模拟反演泥石流灾害的发展过程,也可以对泥石流灾害进行预测预报,为防灾减灾提供参考。本文基于云南蒋家沟泥石流和甘肃舟曲泥石流等典型泥石流灾害过程的实地野外调查结果,结合文献调研,凝练了泥石流的运动特征和对不同粒径固体物质的挟沙模式,提出了泥石流连续性宾汉体与大颗粒离散体耦合的泥石流数值模型,并将其应用于典型流域的山区沟道泥石流过程模拟。本文的主要研究内容如下：(1)针对山区泥石流灾害过程的考察和分析,凝练泥石流的运动和输沙特征,通过深入讨论大颗粒物质与泥石流运动的耦合响应关系,提出将泥石流运动体分成连续性的混合流体和米级大颗粒离散体分别进行动力学分析,为进一步开展天然山区沟道泥石流数值模拟研究提供了思路。(2)以水动力学理论、水沙两相混合流理论和宾汉体模型理论为基础,采用混合流沙量动态变化模式,建立了适于模拟沟道泥石流的二维非恒定泥石流混合流模型。(3)深入分析了泥石流流体特征、地形条件、泥石流组成等因素对泥石流运动特征的影响规律,对各因子对泥石流糙率的影响进行定量的讨论分析,归纳提出泥石流糙率关系式,发展了泥石流数值模型理论。(4)将大颗粒运动视为在泥石流介质中的稀疏颗粒流,通过系统的讨论泥石流中大颗粒受力情况,根据质量守恒、动量守恒原理,基于B.B.O.方程,建立了泥石流中大颗粒运动的基本方程,从本质上揭示固液两相流中颗粒的受力特性与大颗粒物质的运动过程间的关系,并依此分析了泥石流影响下大颗粒堆积体形成和垮塌的动力学机理。(5)提出泥石流浆体动力学模型和大颗粒离散体运动模型的耦合方法,建立了泥石流混合流-大颗粒混合双流体模型。(6)采用有限体积法在非正交非交错网格上进行数值离散,采用改进的SIMPLE算法求解建立的平面二维泥石流混合流数值模型,采用适用于大颗粒离散元数值求解的同步动态松弛法求解大颗粒运动模型。模型求解的数值格式具有较高的精度和分辨率,适用于山区沟道复杂地形运动过程中缓急流交错的阵性流特征,是稳定和有效的。(7)利用建立的数值模型,对舟曲三眼峪泥石流和云南蒋家沟泥石流过程进行模拟,结果证明该模型能够比较准确地反映泥石流随时间的动态演进成灾过程,泥石流影响下沟道上下游不同区域的冲淤规律,以及大颗粒搬运、堆积和垮塌等复杂动力学过程。