泥石流浆体冲击拦砂坝荷载计算的实验研究*

泥石流冲击力大小是泥石流灾害防治工程设计最重要的参数之一,但到目前为止,泥石流对拦砂坝的冲击力计算还存在很大争议。本文通过在拦砂坝上安装冲击力传感器测量冲击力值,详细分析不同容重泥石流,不同沟道坡度及不同拦砂坝迎水面倾角等因素下泥石流对拦砂坝坝体的冲击作用。研究表明,影响泥石流浆体冲击力大小的主要因素有泥石流容重、沟床坡度和泥石流流速;在沟道坡度和泥石流总量相同时,泥石流浆体冲击力大小随泥石流容重的增加而降低;在泥石流容重不变时,随沟道坡度的增加而增加;泥石流容重和沟道坡度的影响主要反映到泥石流流速的变化中,推导出新的泥石流浆体冲击力大小计算公式;该公式表明,泥石流浆体冲击力大小同泥石流表面流速呈正比例关系,而比例系数因泥石流容重的不同而不同。分析比较了新公式同原有公式的差异,并举例说明了新计算公式的实用价值,为泥石流防治工程设计提供技术支撑。     

泥石流大块石冲击力的简化计算

泥石流对构筑物的冲击破坏,常常是由泥石流中的大块石冲击所致,因此大块石冲击力的计算在泥石流防治工程设计中就显得非常重要.但目前有关泥石流冲击力的计算方法都比较粗糙,计算结果偏大,计算过程繁琐,不便快速用于工程实践.为此,以弹塑性理论为基础,结合试验引入合理假设,提出了常见几类泥石流防治结构的冲击力计算方法,并给出了相应的计算公式.结果表明,泥石流防护结构的刚度对大块石的冲击力有重要影响,简支结构的吸能效果高于防撞墩.     

泥石流拦砂坝溢流口过流能力实验研究

拦砂坝溢流口过流能力的大小是工程设计中的关键参数之一,也是影响坝体安全的重要设计参数。结合泥石流过流特点,分析推导了拦砂坝溢流口过流能力的参数计算式;在此基础上,通过水槽实验建立了流量系数的经验公式。水槽实验表明,溢流口过流能力随泥石流密度的增大而减小,随沟道坡度的增大而增大,随相对沟道宽度的增大而增大,溢流口位置与沟道中心相对者大,溢流口位置与沟道中心偏离者小。与现有计算方法相比,所提通过理论推导和水槽实验建立起的拦砂坝溢流口过流能力参数计算式,计算结果更为精确可靠,可用于泥石流拦砂坝溢流口设计时的过流能力验算。     

甘肃省南部泥石流运动规律的分析与研究——以甘肃舟曲三眼峪沟为例

以相似性原理为基础,选择恰当的比尺,在甘肃省陇南市武都区野外构建泥石流物理模型,重现了舟曲"8·8"特大泥石流灾害发生过程。通过物理实验模拟,测得泥石流运动的平均流速为0.741 7 m/s,冲击力为1.99 N,最大堆积厚度为6.1 cm,堆积面积达3.64 m~2,并勾勒出堆积形态。选取经验公式,将实测值与经验公式计算结果相比较,验证了物理模型的合理性,进一步分析了泥石流的运动规律。根据泥石流形成的要素提取危险度评价因子,结果表明三眼峪为高度危险泥石流沟,这为泥石流灾害防治工程提供可靠的科学依据。     

动床条件下泥石流运动参数变化特征实验研究∗

泥石流运动参数变化特征与泥石流流量、沟床纵坡和沟床物源物质组成等紧密相关,准确确定泥石流运动参数变化特征对于进行流域风险评估和防治工程规划设计具有重要意义。通过室内水槽实验探索了不同来流流量、 沟床纵坡和物源细粒含量条件下,沟槽观测点处泥石流流深、流速和容重的变化情况。结果表明：来流流量和沟床纵坡越大,物源细粒含量越小时,泥石流冲刷能力越强;相同实验条件下,流体流深与来流流量间呈正相关关系,与细粒含量间呈负相关关系,且流深受来流流量的影响大于细粒含量;流体流速与来流流量和沟床纵坡间呈正相关关系,与细粒含量间呈负相关关系,且流速受沟床纵坡的影响最大,受细粒含量的影响最小;流体容重与来流流量和细粒含量间呈负相关关系,与沟床纵坡间呈正相关关系,且容重受沟床纵坡和细粒含量的影响大于来流流量。 通过水槽实验数据对泥石流流量进行拟合,采用流量拟合式对锅圈岩沟 2013 年“7·26”泥石流峰值流量进行计算, 与野外实测值对比精度高于 80%。     

中低山冲沟型泥石流运动参数及过程模拟

降雨诱发中低山冲沟型泥石流的运动速度、堆积厚度是泥石流防治的重要参数,以江西省修水县平石寺泥石流为研究对象,采用现场调查、流槽试验、Voellmy碎屑流运动理论和快速物质运动仿真平台(RAMMS3D)等方法对泥石流演化过程模拟。结果表明,泥石流的最大的泥石流运动速度、堆积厚度分别是5.69m/s、12.63 m,各关键位置运动速度、堆积厚度与泥石流现场调查结果相近;现场调查和流槽试验为数值模拟提供地形地貌、干摩擦系数和黏滞系数等关键参数,RAMMS3D数值模拟能够准确地模拟泥石流的运动变形过程,确定泥石流的影响区域。     

泥石流运动饱和浓度和流量的实验研究

对泥石流饱和浓度的研究具有重要和普遍意义。目前泥石流饱和浓度的研究还不能解释泥石流运动的一些物理含义,也不能完全反映泥石流饱和和运动的浓度规律。本文通过对两种颗粒在水槽中运动的饱和浓度和流量的研究,给出了泥石流的饱和浓度计算公式。该公式有较好的物理含义,与有关的实验资料对比有较好的一致性。文中还给出了泥石流流量的计算公式,与野外资料对比,所给公式能覆盖这些野外资料数据。     

泥石流危险范围的流域背景预测法

本研究通过对大量泥石流堆积扇平面形态的统计分析,总结出三种不同类型的平面概化模式,由此推导了它们的通用求积公式。并通过对泥石流沟流域背景因素的比较分析,选择了流域面积、流域相对高差、主沟长度和主沟平均坡度作为预测泥石流危险范围的定量指标。采用多元和逐步回归分析的数学方法,得出了泥石流最大堆积长度、最大堆积宽度和最大堆积幅角的计算公式,建立了半理论半经验性的泥石流危险范围的预测模型。通过模型的检验及其应用实践,证明本研究提出的泥石流危险范围的流域背景预测法适用于我国暴雨泥石流危险范围的预测预报。     

泥石流平均流速的MLS模型预测

泥石流的流速预测是泥石流灾害防治的核心问题之一。由于泥石流流速的影响因素众多,需要寻求能够综合反映泥石流流速影响因素的预测模型。移动最小二乘法(MLS)预测模型具有自学习和自组织及捕捉到影响因素数值微小变化的能力,可以解决泥石流流速预测存在的一些问题。采用云南蒋家沟泥石流流速实测数据作为训练样本和预测样本,以泥深、比降、密度、颗粒的平均粒径作为输入因子。讨论了用MLS方法进行泥石流平均流速预测的可行性与有效性,并将预测结果与经验公式、BP神经网络以及支持向量机进行了对比。结果表明,MLS方法的最大预测误差为4.6%,平均误差为2.7%,预测精度优于经验公式、BP神经网络及支持向量机方法。MLS方法可以为泥石流防治提供更准确的科学依据。     

沟谷泥石流运动过程模型试验

泥石流运动过程是泥石流运动力学核心内容之一.以新疆天山公路K630泥石流为原型,选取几何相似比1:650,推导了泥石流质量、固液两相流速和泥石流冲击力相似比,以流通区为核心,建造了沟谷泥石流试验模型.试验结果表明,泥石流运动具有显著的阵流特性,阵流间隔时间为10s左右,其间嵌套2~3次弱阵现象;阵流期间,泥石流流速和冲击力均较大;从流通区的源头至沟口,流速呈现非线性增大趋势,且泥石流体中固液两相流速变化趋势相似,弯道处泥石流超高现象显著;泥石流运动初期由于泥石流体中固相和液相混和搅拌不均匀而呈现稀性泥石流特征,随后粘性特性增强.这些现象与现场观测结果基本一致.     

下游集中补给型泥石流动力学特征与防治对策——以四川省泸定县干沟泥石流为例

干沟泥石流是一条典型的下游集中补给型泥石流沟,其物源的启动、流通与堆积在700 m范围内完成.以2005年干沟泥石流过程为例,应用三种计算公式对该沟泥石流的动力学参数进行了计算.通过计算发现,三种公式计算结果差别不大,并取其平均值作为计算结果.根据干沟泥石流流量计算和形态调查对比分析,认为2005年干沟泥石流的形成过程具有明显的堵溃效应,且前期降雨对泥石流的发生影响较为明显.在对干沟泥石流动力学参数计算、物源补给特征及形成过程分析的基础上,认为干沟在2005年后易形成高频泥石流,对该沟泥石流开展监测预警尤为必要,提出了该沟泥石流监测预警方式并予以实施,可为干沟泥石流的防灾减灾提供科学依据.     

国外泥石流机理模型综述

综述了国外与机理有关的几个主要泥石流运动模型。建议近期泥石流运动机理研究宜着重厘定各类模型的适用范围和比较它们的应用结果，并进一步简化现有的机理模型，为泥石流防治工程提供具有一定理论基础和科学依据的流速、流量和冲击力等关键设计参数。与泥石流机理密切相关的预测预报，宜着重于泥石流的中长期预测和预警报，重点突破泥石流规模和发生频率相互关系的问题。     

基于相关向量机的蒋家沟泥石流平均流速预测模型

泥石流是我国常见的一种地质灾害,泥石流的平均流速是泥石流灾害防治的重要参数之一,准确的预测泥石流平均流速对灾害预防具有重要意义。本文建立基于相关向量机的蒋家沟泥石流平均流速预测模型,通过与蒋家沟泥石流平均流速的支持向量机、BP神经网络模型预测结果对比,验证该模型预测精度;同时采用平均相对误差和均方差2个指标评价各个模型的整体性能和稳定情况。结果表明,与实测值相比,相关向量机预测最大相对误差仅为2.02%,平均相对误差为0.64%,均方差为0.06,远低于BP神经网络模型和支持向量机模型的预测结果。由此可知,本文提出的基于相关向量机的蒋家沟泥石流平均流速预测模型效果明显优于其他2种模型,且预测结果更为准确,模型整体性能和稳定情况较好,为泥石流平均流速获取提供一条新途径。     

洪水作用下汽车的起动流速研究

针对洪水作用下汽车的起动条件开展了一系列的研究:首先分析部分淹没状态下汽车的受力情况,结合滑动平衡的临界起动条件建立相关方程,导出了洪水中汽车起动流速公式;然后在室内水槽中对三款模型车进行了一系列的起动试验。试验结果表明:对于同一款模型车,平行于水流方向放置时,起动流速与水深的相关性较好;并且水深越大,起动流速越小。接着运用试验资料率定了起动流速公式中的相关参数。最后采用模型相似率及率定后的计算公式估算了原型车辆在不同水深下的起动流速,两种方法所得的结果较为接近,故预测结果较为可靠。     

泥石流堵塞坝溃决模式实验

为了研究泥石流堵塞坝溃决的模式,采用模型实验对堵塞坝溃决的过程进行模拟,实验历时2个月,共13组.实验中,通过改变主沟的水力参数和坝体参数研究泥石流堵塞坝溃决的全过程,并作了相关记录.通过对理论和实验数据的分析,泥石流堵塞坝的溃决形式有3种:冲刷溃决、有表面流的泥石流堆积体水力再启动、没有表面流的泥石流堆积体重力再启动.讨论了冲刷溃决中颗粒启动和有面流泥石流水力再启动的临界条件,并分析了启动流速u0和颗粒粒径D之间的关系;分析了泥石流重力再启动时堵塞坝坡面破坏的一般形式和特征;通过实验数据对不同溃决形式的溃决条件进行了验证,结果比较吻合.     

泥石流防撞墩冲击力理论计算方法

在西部泥石流多发区,交通线路经常需要穿越泥石流沟,设置在泥石流沟床中的桥墩容易遭受泥石流大块石的冲击,为此,常常在其前端设置泥石流防撞墩,以达到保护桥墩的目的。防撞墩设计的关键参数是泥石流大块石的冲击力。目前,有关泥石流冲击力的计算方法都比较粗糙,计算结果与实际情况不符。本文以Thornton理想弹塑性接触模型为基础,并考虑防撞墩的弯矩变形特性,根据能量守恒定律,推导了泥石流大块石冲击力的计算公式。结果表明,考虑结构弹塑性特性后,泥石流大块石冲击力大大降低,远小于按弹性冲击理论所确定的冲击力,计算结果更符合实际情况。     

基于Fluent强震区王家沟泥石流运动特征研究

为研究泥石流的运动特征,该文首次引入计算流体动力学软件Fluent,模拟研究泥石流在流通区和堆积区的运动状态及流体的液面范围。现场调查清水乡王家沟泥石流的基本特征,分析该泥石流的致灾因素。通过无人机拍摄获取流域DEM图,利用ArcGis、Mapgis、Auto CAD、Ansys等软件建立计算模型,将现场调查得到的泥石流降雨量、重度等相关参数导入Fluent软件中,进行泥石流的数值模拟。模拟结果显示,王家沟泥石流最大流速12.30 m/s,主要发生在流通区下游沟道拐弯处。泥石流沟道越窄,地形越陡,流速越大;泥石流流到堆积区时开始减速,并沿沟道左岸漫流堆积。该泥石流的威胁对象主要为流体左侧沟口居民区及S306省道枢纽。     

泥石流入汇主河的格子Boltzmann模拟

研究泥石流入汇主河的运动机理,对于预测和防治泥石流入汇主河所造成的灾害非常重要。格子Boltzmann方法是一种将Euler法和Lagrange法结合在一起的新方法。利用格子Boltzmann方法,将支沟中泥石流视为一种宾汉体,主河中清水视为一种外力,建立格子Boltzmann模型,对入汇角为90°的情况进行了模拟。通过与相应的室内实验进行了对比,可以看出,格子Boltzmann方法成功地模拟了泥石流入汇主河,说明格子Boltzmann方法在泥石流预测和防治上有相当大的应用前景,为研究泥石流入汇主河的运动机理提供了一种新手段。     

浆固碎石桩成桩注浆渗透影响分析

浆固碎石桩作为一种新型软土地基处理技术,其主要通过注浆改善桩体的加固效果,同时通过浆体渗透来改善桩周土体的物理力学性质,从而减小浆固碎石桩复合地基沉降。针对浆体对桩周土体的渗透作用,按照平面轴对称问题,推导出注浆渗透影响范围的计算方法和浆固区压缩模量计算公式,并通过室内模型试验研究,验证了浆固区压缩模量计算公式的正确性。随后,利用数值计算分析,对浆固区影响范围进行量化分析,并通过数值拟合得到了考虑注浆渗透影响的桩体等效半径计算公式。所得结果对工程设计具有重要的指导意义。     

基于SVM⁃RF的泥石流窗口坝闭塞度判别研究∗

为了研究野外泥石流防治工程中窗口坝的开口闭塞类别,基于量纲分析理论,以室内水槽试验模拟实际工程,分析模型试验与实际工程的相关物理量及对应的相似准数;引入支持向量机和随机森林分类模型,在开源机器学习工具Scikit-Learn中,采用python编程实现算法;以室内水槽试验数据作为支持向量机和随机森林的训练样本,进行机器学习得到分类模型,提出一种用于判别泥石流窗口坝闭塞类型的新方法;将测试结果与经验公式中闭塞度判别值F的分类结果进行正确率对比,结果表明,F值的分类准确率为88%,而支持向量机为92%,随机森林为94%,随机森林分类效果最好,机器学习理论为泥石流窗口坝在实践中的设计提供了新思路。