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.     

透水型拦挡坝排泄孔开口参数对坝体应力场影响规律研究

基于混凝土塑性损伤模型,建立了透水型拦挡坝三维数值计算模型,根据单因素理论,通过数值计算,揭示了拦挡坝排泄孔及坝趾附近最大拉应力及Mises等效应力随排泄孔高宽比、开孔数量、开孔率及开孔位置的变化规律;并对排泄孔不同开孔率条件下拦挡坝承受的极限冲击荷载进行了研究。结果表明:(1)最大拉应力随高宽比增大先减小后增大,随开孔率及开孔数目的增大基本保持不变,随垂直距离的增大而减小。Mises等效应力随高宽比的增大先减小后增大,随垂直距离的增大而减小,随着开孔率的增大而增大,随开孔数目的增大基本保持不变;(2)开孔会降低坝体抗拉强度且随着开孔率的提高,拦挡坝坝体承受的泥石流冲击力最大值呈降低趋势。该研究成果可为透水型拦挡坝结构设计与优化提供理论指导。     

震后泥石流防治工程减灾效益评价研究

汶川地震后物源增多、泥石流规模增大,而震后泥石流防治工程设计尚缺乏理论指导,导致众多泥石流防治工程在建成后短期内就被淤满或冲毁,防治效果不理想。为探讨震后泥石流工程防治效果和工程改良,以北川县青林沟泥石流防治工程为例,采用数值模拟软件Massflow对不同降雨条件和不同防治工程条件下泥石流进行模拟,结合危险度模型,开展泥石流防治工程减灾效益评价。研究表明:1#坝(主要工程)拦截作用弱,减灾效益不明显,2#坝在防灾减灾中起主导作用;2013年青林沟内按20年一遇设计标准建成的防治工程仅能拦截一次10年一遇泥石流;对比8种工程改良和组合条件的减灾效益,最优模式为加高2#坝1m并沿用现有导流堤的"拦排"治理模式;震后进行泥石流防治工程设计时要适当考虑增大堵塞系数,提升设计年限标准,结合不同工程的作用,合理布置工程。     

基于SPH-DEM的泥石流冲击刚性防护结构的动力过程研究

泥石流为含有大量泥沙与石块的固液两相混合物,对于山区基础设施安全威胁巨大。在当前的防灾工程中,防护结构常被用于拦截泥石流。然而,目前对泥石流与防护结构的相互作用机理仍缺乏认识。为此,采用耦合的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)和离散单元法(discrete element method, DEM)数值模型模拟了水槽试验中含有石块的泥石流运动,其中SPH模拟泥石流中的黏性流体,DEM模拟泥石流中的石块,分析了泥石流对刚性防护结构的冲击过程及冲击力。模拟结果表明,随着水槽倾角由0°依次增长为8°、15°、24°、30°,峰值冲击力增长倍数依次为2.59、4.75、8.88、11.45,倾角越大其峰值冲击力的增长率越大;而随着流体体积的增大,其峰值冲击力增长率也逐渐变大,相较V=0.024 m³分别增长了0.79倍、1.64倍、3.20倍和4.56倍,但是稳定下来的静态冲击力基本与体积的变化成正比,而石块粒径对峰值水面高程的影响更显著。研究成果为泥石流防护结构的强度设计提供了理论支撑。     

冻融条件下冰碛补给型泥石流物源汇集过程与灾变初探

冻融作用在高寒山区以冰碛作为物源补给的泥石流形成及演化过程中起着重要的作用。针对冻融条件下冰碛补给型泥石流物源的汇集特征,结合泥石流物源区沟道岸坡的微地貌特征,通过分析冻融条件下松散物源汇集的影响因素、汇集阶段及汇集过程与暴发频率的关系,认为冻融条件下冰碛补给型泥石流的物源汇集过程可分为三种汇集方式(循环式冻融汇集、季节性冻融汇集及坡向式冻融汇集)和三个连续阶段(物源空旷阶段、物源丰富阶段及物源充足阶段)。在冰碛补给型泥石流物源汇集阶段划分的基础上,对在不同阶段泥石流发生灾变的可能性进行了分析和预测,并根据不同灾变阶段提出了相应的防灾减灾对策。     

泥石流窗口坝闭塞类型及其临界条件实验研究

窗口坝是泥石流拦挡坝常用类型之一,其设计仍以设计者的经验和水工设计方法为主,尚缺乏理论依据和技术支持。窗口坝设计时如何选择合理的开口尺寸、数量,使其达到良好的拦砂效果,是目前急需解决的技术问题。通过实验对窗口坝拦截不同性质泥石流时的闭塞类型及其临界条件进行了探讨,发现窗口坝拦截稀性、过渡性泥石流时表现为全闭塞、部分闭塞和不闭塞3种类型:当F≤0.95时,窗口坝全闭塞;当0.95F≤1.5时,窗口坝部分闭塞;当F1.5时,窗口坝不闭塞。窗口坝拦截粘性泥石流时表现为全闭塞和部分闭塞2种类型:当F≤2.7时,窗口坝全闭塞;当F2.7时,窗口坝部分闭塞。     

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。     

加筋格宾新型组合支挡结构设计研究

依托湖南省湘潭至衡阳西线高速公路K 124+300~K 124+895段国内首座加筋格宾组合式挡土墙工程,介绍了以双绞合六边形金属网为筋材的2种新型加筋支挡结构:加筋格宾结构与绿色加筋格宾结构;以极限平衡理论为基础,吸收国外先进加筋土技术,提出了该组合结构的稳定性验算方法与公式;编制相关程序,深入研究了填料粘聚力、内摩擦角、网面拉力、地震力、填土重度、车辆荷载以及加筋间距等重要参数对安全系数的影响。研究表明,各设计参数对安全系数的影响程度不同。同时,也验证了该加筋格宾组合式挡土墙设计的科学性和合理性。研究成果可应用于具体支挡结构设计。     

基于Flow-R模型的八一沟泥石流危险性评价

目前泥石流危险性评价方法通常是一条泥石流沟对应一个危险等级。Flow-R模型将泥石流源区识别与泥石流运动相结合计算泥石流的危险概率,能够评价一条泥石流沟内不同部位的危险性。为丰富泥石流评价方法的应用研究及探究单沟内泥石流危险分布特征,以八一沟为研究区,在确定八一沟泥石流源区识别阈值和运动参数的基础上,用Flow-R模型对泥石流可能的危害范围进行模拟计算,并用混淆矩阵对模拟结果进行评估,最后对八一沟流域不同部位进行了泥石流危险性评价。结果表明:(1)泥石流源区主要分布于沟道20°～50°坡度范围和1 400～1 600 m高程范围内,沟顶细小汇水沟道为泥石流提供了丰富的活动物质;(2)泥石流危险区域大致分布在沟道左右40 m范围,占整个研究区域的20.06%;极高危险区分布于沟道中心,危险性由沟道中心向两边逐渐降低;(3)Flow-R应用于研究区的正确率为84.18%,给出的泥石流危险区图合理,能够反映研究区泥石流的基本危险特征。     

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。     

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%。     

基于神经网络的泥石流预测

作者用神经网络方法对泥石流预测进行了探讨，讨论了训练参数的选择及训练方法，并结合泥石流预报的具体情况，对ＢＰ模型进行了适当的改进。研究表明，模型及算法是可行的。     

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。     

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.     

泥石流冲击荷载的时频分析方法及应用

泥石流的能量转化主要集中于运动过程中,泥石流冲击压力随时间变化的过程是其能量不断变化的综合表现.本文分析了泥石流能量转化过程及冲击荷载的紊流形态,并根据其脉动特性,将泥石流冲击荷载作为信号进行研究.以大型泥石流模型试验为基础,利用小波时频分析方法将试验测取的泥石流冲击荷载映射为时间与频率的联合信号,得到同一时间9个频段...     

磨西河特大型泥石流堵塞大渡河分析——以一次泥石流规模、不同频率雨洪法流量定量计算

通过一次过程总量与堵河最小规模的计算,磨西河泥石流堵塞大渡河最小的一次过程总量为84.26万m3。在不同频率下的泥石流一次过程总量计算中,当P=2%(50年一遇),磨西河一次过程总量为83m3,发生堵河可能性较大。     

四川九寨沟县关庙沟泥石流及其防治对策

关庙沟为嘉陵江上游支流白水江右岸的一条支沟,位于四川九寨沟县城区,曾多次发生过严重的泥石流灾害,直接威胁县城和九寨沟旅游环线公路的安全。该沟泥石流具有容重大(2.20t/m~3)、搬运固体物质粒径粗、固体物质以沟岸滑坡和沟床堆积物补给为主等特征。本文分析了该沟泥石流的形成、流体性质、类型等基本特征,预测灾害的发展趋势,提出泥石流减灾防灾对策。     

川藏公路培龙沟泥石流输砂堵江成因探讨

根据川藏公路培龙沟１９８３～１９８５年的泥石流活动,分析了支沟泥石流的输砂才江成因,揭示了堵江现象主要与支干流汇流关系,干流段地貌条件、干流洪水水动力条件、支沟泥石流性质和泥石流规模有关,并通过各相关因素的分析,提出了支沟泥石流输砂堵江的判别准则。     

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。