离散介质的坍塌流动现象广泛存在于地球物理及工程实际中,这类由数量巨大、形状各异的固体粒子组成的大尺度复杂系统,在重力或其它因素的影响和扰动下会屈服并发生流动,并在下游形成长距离和大范围的扩散堆积。真实的质量流通常具有典型的高迁移性和大体积量等特征,其流动过程会受到各种环境因素的影响,通常会对流经路径上的不同类型介质产生剧烈的冲击作用。这种破坏性的流动和堆积过程会对周围环境、工程设施和人员安全带来巨大的危害,因此,深入理解这类复杂质量流的基本动力学行为,并分析其与周围介质或结构物之间的相互作用过程,具有重要的科学意义和广泛的工程应用背景。本学位论文选择具有典型离散和能量耗散特性的颗粒物质为基本切入点,通过搭建初始构型和状态可控的小尺度实验装置并借助粒子流动的高速测量系统,对不同状态颗粒物质的坍塌动力学行为、在可侵蚀地表上的流动和堆积模式、以及与流向内有限宽度挡板之间的相互作用过程等进行了系统分析,这为直观和定量地研究工程实际中大尺度质量流的复杂流动过程提供了一种有效途径。学位论文的主要内容如下:1.自主设计和搭建了一个初始构型和流动状态精确可控的小尺度斜面颗粒流实验平台（包括平台的基本功能构造、PLC控制系统以及力传感器的拓展等）,并发展了一套适用于颗粒流的高速图像同步测量系统（包括高速照相机、工控机、适配光源及图像控制软件等）,通过引入可靠的图像处理技术和PIV方法,可以实现对不同状态下颗粒的流动和堆积过程进行不同方位的同步测量和分析。2.基于水平坍塌的实验装置和相应的离散元模型,系统研究了颗粒柱在可侵蚀基底上坍塌后的流动和堆积特征。实验中观测到了三种典型的颗粒侵蚀-堆积模式,发现其模式不依赖于柱体的初始纵横比而决定于柱体-基底颗粒之间材料属性的差异;基于颗粒堆积高度廓线、流动前端位置和坍塌材料速度场等随时间的演化特征,分析了颗粒坍塌后在可侵蚀基底上的瞬态动力学行为;基于球体斜冲击理论,建立了描述颗粒流动前端运动特征的动力学方程;利用离散元模拟再现了典型实验结果,揭示了不同侵蚀-堆积模式产生的微观机理并给出了模式发生转变的临界密度比;最后,基于不同初始纵横比和材料密度比的实验和模拟结果,建立了考虑侵蚀效应的颗粒堆积和侵蚀形态的统一标度律。3.通过在斜面颗粒流实验平台底部设置水平基底,构建了双线性路径的颗粒坍塌流动构型,研究了不同初始状态的颗粒流在水平底面上的流动和堆积过程。实验中以斜面倾角和颗粒柱的初始体积为主要控制变量,采用两台高速相机沿不同视角进行同步拍摄,记录并分析了颗粒在流动过程中的瞬时轮廓、质心迁移、水平传播以及速度演化等动力学行为;在此基础上,研究了不同状态的斜面颗粒流在不同属性（刚性和可侵蚀）水平基底上的流动过程和堆积形态;最后,建立了颗粒流动前端的运动方程,预测了不同状态的颗粒流在水平基底上传播时,其前端最大运动距离和速度随时间的演化特征。4.通过在倾斜槽道内设置有限宽度的刚性挡板并加装冲击力测量装置,系统研究了不同来流状态下斜面颗粒流与流向内有限宽度挡板之间的相互作用过程。首先,识别了纯斜面颗粒流产生稳态流动的参数空间,通过与已有结果的对比,验证了实验装置的稳定性和颗粒运动测量方法的可靠性;在此基础上,探究了不同状态的斜面颗粒流在有限宽度挡板作用下的流动行为和堆积形态,观测到了三种典型的颗粒反向传播和起跳状态,最终建立了颗粒流受挡板作用后不同流动状态的相图。另外,利用挡板上加装的力传感器,测量了不同状态的颗粒流对有限宽度挡板的动态冲击力,通过将颗粒流动状态的变化与动态冲击力的演化特征进行有效关联,进一步讨论了颗粒流与流向内有限宽度挡板之间复杂的相互作用过程。5.在基于深度平均理论的、适用于斜面颗粒流的SH模型基础上,通过引入表征挡板相对宽度的无量纲参数,同时在跳跃体的控制方程中考虑了与其堆积体积相关的源项,建立了颗粒流冲击有限宽度挡板后在其上游反向传播的激波运动模型;通过考虑激波沿着与来流反向的传播特征,该模型可以分别对颗粒的扩散反向传播以及扩散稳定跳跃过程进行准确描述和有效预测。另一方面,通过考虑颗粒在受挡板作用后堆积形态的演化特征,以及在流经挡板后产生的拖曳力、侧压力以及挡板前端堆积颗粒的重力和摩擦力等,构建出适用于颗粒流对有限宽度挡板的法向冲击力理论模型,该模型被证实可以用来准确预测扩散反向传播和稳定跳跃状态下颗粒流对有限宽度挡板冲击力的演化特征。本学位论文主要围绕离散颗粒物质的坍塌流动这一基础性问题,基于几种自行设计的小尺度颗粒流实验装置,对不同状态的颗粒坍塌流动及其与流向内介质间的相互作用开展了系统研究。内容涵盖颗粒流动现象的观测和描述、动力学行为的定量分析、颗粒坍塌和流动模式的机理揭示、以及对颗粒流动行为和动态冲击力的理论建模等方面。研究工作观测到了一些新的宏观流动现象,揭示了一些重要的微观机理,也取得了一些有意义的定量结果。这些研究工作的开展,一方面有助于深入理解自然界中本质上具有类似流动特征的大尺度质量流的复杂流动过程,另一方面也可为工程中相关地质灾害的预测和防护结构的优化设计等提供理论依据和研究方法。