利用SPH方法计算泥石流对建(构)筑物的冲击力

泥石流是我国山区分布最广泛、发生最频繁的地质灾害之一,严重威胁山区人民生命财产的安全.泥石流在运动过程中,如果受到建(构)筑物的阻挡时,会对建(构)筑物产生巨大的冲击动荷载,造成建(构)筑物的破坏.因此,在泥石流易发区设计建造住宅或者是泥石流拦挡设施时,必须考虑泥石流的冲击力作用.     

泥石流区桥墩损毁机制与控制研究

为了保证安全,泥石流多发区的道路常采用桥梁的方式通过。位于泥石流区的桥梁的桥墩在泥石流暴发时受到泥石流的冲击,常会造成不同程度的损毁。泥石流冲击力是泥石流区桥墩受到的主要荷载,目前在计算泥石流冲击力时一般将其视为均质体,但是泥石流为固液两相流体,因此得到的计算结果误差较大。为了提高精确度,本文对泥石流冲击力计算公式进行了修正,先分别运用动力学中的弹性碰撞理论和牛顿第二定律对泥石流固相和液相的冲击力进行计算,然后将其进行叠加,得到总的泥石流冲击力。泥石流区桥墩破坏的模式主要有冲击破坏、倾覆破坏和滑动破坏3种形式。为了减小泥石流对桥墩的破坏能,可在桥墩受到泥石流冲击的部位设置消能层,通过算例发现,设置消能层后冲击力减小了26.94%。     

泥石流柔性防护系统耦合作用数值模拟*

柔性防护系统近年来被广泛应用于交通沿线地质灾害的防治,但目前的相关研究主要集中在落石冲击作用下的力学响应,而遭受泥石流冲击作用的相关研究较少。泥石流与柔性防护系统的相互作用包括泥石流运动和柔性防护系统冲击大变形两个复杂的力学过程,目前尚无有效的耦合计算方法。为此,基于 LS-DYNA 程序,采用 ALE 方法,利用 Drucker-Prager 模型模拟泥石流的运动,并通过流固耦合算法,建立了考虑泥石流与柔性防护系统相互作用耦合计算方法。通过与既有野外足尺试验数据对比,包括泥石流流经沟槽不同位置时的速度、流深以及柔性防护系统钢丝绳内力、变形,验证了耦合计算方法的有效性。在此基础上,进一步研究了泥石流冲击作用下,冲击能量的平衡转换关系,结果表明：柔性防护系统消耗的能量占泥石流冲击总动能的比例不到 25%,将近 60% 冲击能量转换为泥石流内能,这进一步说明了采用耦合方法进行泥石流柔性防护系统分析与设计的必要性。     

滑坡转化为泥石流机理研究综述

对国内外有关滑坡转化为泥石流的机理的研究做了全面的综述,重点介绍了国外最新的研究成果,阐明了今后研究的方向.滑坡转化为泥石流机理的研究,处于滑坡动力学与泥石流形成学的交叉点,既是学科的边缘问题,也是学科的前沿问题.滑坡转化为泥石流的过程是一个和土体液化密切相关的流态化过程,是土体和水体强烈相互作用的结果.滑坡直接转化为泥石流的机理的两个核心问题是超静孔压的产生和超静孔压的保持.Iverson对这一问题的研究直接促进了滑坡流态化理论的发展,并形成了最新的泥石流运动模型--库伦混合流理论,是对传统的基于流变关系的泥石流模型的重大突破.土体中粘性颗粒对滑坡直接转化为泥石流过程的影响,需要进一步进行研究.滑坡转化为沟谷泥石流是一个更为复杂的过程,是今后研究的重点.     

冷-热循环下能量桩热-力学特性的数值模拟

能量桩与地基土的热交换取决于建筑物的年能源需求,故能量桩每年受到冷-热循环作用。采用多场耦合有限元数值模拟方法,研究在力学荷载和随时间按正弦函数变化的温度荷载共同作用下悬浮能量桩的热-力学特性。结果表明,随着能量桩冷-热周期性的循环,温度荷载引起的桩身附加轴向应力、桩头附加竖向位移和桩侧附加剪应力也随时间周期性变化,且相位与温度荷载曲线的相位相同。桩升温最大时桩身轴向压应力达到最大值,桩降温最大时桩头沉降达到最大值。地基土的温度改变量随时间周期性地变化,其幅值在桩的中部深度附近最大,在桩二端深度附近较小。地基土温度的变化滞后于温度荷载。离桩越远,地基土的温度达到其最大值的时间越滞后。     

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。     

预应力钢筋混凝土梁破坏过程的声发射特性实验研究

利用全波形声发射技术记录了预应力钢筋混凝土梁在3点弯曲荷载下整个破坏过程的声发射信号,并在研究了声发射累计能量随时间变化关系曲线的基础上,采用谱分析对声发射全波形数据进行了分析和处理。以全波形声发射信号的能量分布特性为依据,通过对时域和频域内信号的振幅、频率特征和构件破坏过程的比较,初步得出了预应力钢筋混凝土梁破坏过程的声发射信号的参数特性,发现全波形声发射信号能够实时反映预应力混凝土梁破坏过程中的特征信息。     

基于煤岩流变特性的狭窄煤柱冲击地压孕育过程研究北大核心CSCD

工程实践表明,冲击地压发生有一个孕育过程,即具有时间上的滞后性。借鉴基于流变模型的地震孕育过程研究成果,将Burgers-Senvitorve-Bengarm模型应用于狭窄煤柱流变特性研究,结合义马矿区耿村煤矿开采实际情况,重点研究狭窄煤柱冲击地压的孕育过程。结果表明:狭窄煤柱冲击地压孕育过程的前期阶段,弹性变形能的累积大于煤体损伤造成的能量耗散,以弹性变形能的累积为主;狭窄煤柱冲击地压孕育过程的后期阶段,弹性变形能的累积小于煤体损伤造成的能量耗散,以能量耗散为主。软岩孕冲过程中能量的累积和耗散能力较弱,孕冲时间较长,冲击地压发生时释放的能量较小;硬岩孕冲过程中能量的累积和耗散能力较强,孕冲时间较短,冲击地压发生时释放的能量较大。     

基于煤岩流变特性的狭窄煤柱冲击地压孕育过程研究

工程实践表明,冲击地压发生有一个孕育过程,即具有时间上的滞后性。借鉴基于流变模型的地震孕育过程研究成果,将Burgers-Senvitorve-Bengarm模型应用于狭窄煤柱流变特性研究,结合义马矿区耿村煤矿开采实际情况,重点研究狭窄煤柱冲击地压的孕育过程。结果表明:狭窄煤柱冲击地压孕育过程的前期阶段,弹性变形能的累积大于煤体损伤造成的能量耗散,以弹性变形能的累积为主;狭窄煤柱冲击地压孕育过程的后期阶段,弹性变形能的累积小于煤体损伤造成的能量耗散,以能量耗散为主。软岩孕冲过程中能量的累积和耗散能力较弱,孕冲时间较长,冲击地压发生时释放的能量较小;硬岩孕冲过程中能量的累积和耗散能力较强,孕冲时间较短,冲击地压发生时释放的能量较大。     

黏性泥石流对山区油气管道的冲击动力响应研究∗

近年来,随着人类活动引起的地质灾害和极端天气现象频发,因泥石流引发的管道失效事故及次生灾害不断发生。为掌握黏性泥石流冲击山区油气管道的动力响应规律,建立了基于有限单元法与光滑粒子流体动力学(FEM‐SPH)的山区泥石流与管道的多物理场耦合模型。通过把黏性泥石流浆体简化为非牛顿流体——宾汉流体,研究X70钢管在泥石流作用下冲击响应过程,得到了管道不同位置的位移及应力时程特征,结果表明:①将泥石流浆体简化为宾汉流体,并离散为SPH颗粒不仅可真实展示泥石流的行进过程,也能清晰地反映泥石流对管道的动力响应规律。②通过建立多物理场耦合模型来模拟黏性泥石流冲击过程,发现泥浆附带的块石将会受到浆体阻力影响,运动加速度将受到限制。③泥石流对管道产生的破坏力主要来自泥石流“龙头”产生的瞬时冲击力和块石造成的局部撞击力;在泥浆作用下,所产生的应力主要分布于管道迎冲面中心截面处和管道背冲面与山体交界处,石块作用力主要集中在撞击部位,对管道背撞面影响较小;泥石流对管道产生的冲击位移整体呈现“马鞍状”的对称分布。研究所采用的非牛顿流体模型为泥石流对建(构)筑物的冲击模拟提供了新途径,相关研究结论可为泥石流段管道的灾害防控提供理论参考。     

利用冲击力信号判断泥石流颗粒垂向分选的试验研究

分别提出根据冲击力数据的波动强度和峰值情况进行泥石流颗粒垂向分选研究的系统方法,并配置了三组不同容重(2 095 kg/m3、2 008 kg/m3和1 960 kg/m3)的粘性泥石流样品开展泥石流冲击试验。两种方法的分析结果基本一致,即容重为2 095 kg/m3的泥石流分选不明显,其他两组泥石流呈现出正粒序分布且容重越小分选越显著。量纲分析表明,开展的试验粘滞力在运动中起主导作用,颗粒之间作用力较小,不容易发生反粒序分选,这与通过冲击力分析颗粒垂向分选的结果一致,因此提出的利用冲击力信号判断泥石流颗粒垂向分选的系统方法具有适用性。     

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。     

竹林关大柴沟大型泥石流的形成机理与发展趋势

通过对陕西省丹凤县竹林关镇大柴沟泥石流进行现场勘查分析,总结了泥石流的孕灾背景,揭示了泥石流的典型特征和基本物理力学参数,在此基础上,分别从泥石流的物质来源、形成环境、诱发条件等三大条件分析了泥石流的形成机理,归纳了大柴沟泥石流具有典型的滑坡激发性、周期暴发性、强烈致灾性等特点,对泥石流的危险性进行了现状分析和预测评价。结果表明:软硬相间的岩层和强烈的构造运动是造成岩体变形破碎的主要原因,为泥石流提供了丰富的物源,垂直高差较大、沟道狭窄为泥石流提供了良好的孕灾环境,百年一遇的暴雨是大柴沟泥石流形成的诱发条件,同时受暴雨影响,沟内产生多处浅表层滑坡堵塞沟道,为泥石流聚集了能量,以至形成规模更大、破坏性更强的泥石流。研究过程采用了实测计算与经验公式估算相结合的多种方法进行对比研究,也充分验证了经验公式的适用性。     

梯-潭结构型泥石流排导槽消能特征试验研究

梯-潭结构型排导槽是一种适用于大比降沟床条件下的泥石流排导工程措施,因其良好的防治功效和工程价值而具有较好的应用前景。选取泥石流容重、规模和潭深为主要影响因素,通过水槽试验模拟泥石流在梯-潭结构型排导槽中的运动过程。结果表明,潭内表层铺填的砾石在泥石流浆体强烈的紊动和大颗粒冲击碰撞下发生明显的物质交换现象,且排导过渡性泥石流时物质交换现象最为强烈,稀性泥石流次之,粘性泥石流则相对较弱;梯-潭结构型排导槽的消能主要体现在泥石流通过梯-潭结构时泥深变化和加剧紊流两个方面;梯-潭结构的消能效率与潭深呈正相关关系,且消能率基本大于20%,最大消能率可达73.93%。当潭深过大时,梯-潭结构对泥石流表现出明显的拦截作用,虽消能效果明显,但与排导宗旨相悖。而泥石流规模对梯-潭结构消能的影响相对较小,整体呈现规模越小消能率越高的趋势。     

泥石流暴发的应力自组织临界特性

泥石流是一种严重的自然灾害。从广延能量耗散的角度看，泥石流暴发的应力演化过程是一种自组织临界过程。斜坡松散碎屑土触变液化系统在暴雨激发下，内部不同因子间的相互非线性作用，导致斜坡碎屑土自然地朝临界极限应力状态发展，最终暴发泥石流。本文以应力的自组织观点，分析了泥石流暴发的特性。蒋家沟泥石流的资料显示，泥石流规模与频率间存在着幂律关系，这说明泥石流活动具有自组织临界的特性。     

美姑河牛牛坝水电站库区泥石流基本特征

金沙江支流美姑河牛牛坝水电站库区泥石流沟分布面积广、发生频率高。调查结果表明库区现有不同类型泥石流沟31条,其中属于高度危险的泥石流沟4条,中度危险的泥石流沟15条。本文对流域面积较大、活动性较强的12条泥石流的容重、设计流速、流量、冲出量等重要工程参数进行了计算,并对水库蓄水后的泥石流沟状况与发展趋势作了进一步分析,研究表明在水库施工期泥石流灾害对工程建设有较严重的影响,特别是靠近库首的泥石流对工程的安全构成威胁。水库蓄水后,库区泥石流活动程度有所降低,不会明显影响水电站正常运行。     

粘性泥石流扇状地发展过程实验研究

通过不同泥石流容重、不同堆积区坡度条件、不同水槽坡度条件的泥石流连续堆积实验共3组106次实验,定量地探讨了粘性泥石流扇状地发展过程的阶段性及其特征。以泥石流扇状地纵、横方向的平均堆积坡度为依据,将粘性泥石流扇状地的发展过程划分为三个发展阶段。第一阶段以扇状地在纵、横方向快速发展为特征。第二阶段扇状地纵向不再发展,以横向发展为主。第三阶段以扇状地纵向发展为主,横向发展缓慢。     

人为泥石流起动及产沙放水冲刷实验——以神府-东胜矿区为例

神府东胜矿区位于黄土高原北部干旱半旱过度地带。由于煤田的大量开采,诱发了大量的环境问题,尤以人为泥石流最为严重,本文以神府－东胜矿区人为泥石流为研究对象,采用人工放水冲刷模拟的方法,分析了坡面型和沟谷型泥石流源地松散体起动、产沙、泥石流过程的特性,所得结论为：（１）放水历时长,强度大,有利于泥石流的形成;（２）弃土石渣起动,是该区泥石流固体物质的主体;（３）沟道型泥石流放水冲刷模拟实验,便于观测石     

四川色达县切都柯沟“7.8”泥石流灾害特征及危险性分析

2004年7月8日四川色达县歌乐沱乡切都柯沟发生了中等规模泥石流,最大流速10.4m/s,洪峰流量156m3/s,冲出方量约7×104m3,造成了一定的财产损失。泥石流稠度大,冲击力强,具有明显的直进性特征,为粘性泥石流。切都柯沟泥石流发育阶段为壮年(偏幼)期。切都柯沟为中度危险的泥石流沟,该沟一次泥石流最大堆积危险范围39902m2,最大堆积长度284m,最大堆积厚度4.32m。提出了相应的防治措施:一是在滑坡崩塌处进行加固,采取沟岸护坡等措施;二是在沟谷上游修建谷坊、拦挡坝,以降低流速,削减泥石流能量和规模。