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。     

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.     

大型铝土排泥库堆石坝地震动力响应分析∗

排泥库是一种具有高势能的人造泥石流危险源,一旦发生溃坝,将对下游群众生命财产安全造成重大威胁,而地震灾害是尾矿坝事故的第二大元凶.采用ADINA有限元软件建立考虑坝库作用动力响应分析计算模型,探究尾矿泥浆物理性质、排放量和坝体尺寸对排泥库堆石坝的动力响应影响规律.结果 表明,坝顶位移峰值随着尾矿泥浆含水量下降呈近似线性降低规律,含水量在120％～80％下降时,位移峰值的降幅明显增大;随着尾矿泥浆排放高度的增加,坝体加速度减小而位移峰值增加,当尾矿泥浆排放液面高于0.4倍坝高时,坝顶位移峰值增幅变大.随着坝体坡比、坝高、坝顶宽度的增加,坝体的加速度峰值减小,位移峰值增加,当坝体高度大于44 m时,坝顶位移峰值增幅明显增大.研究成果可为排泥库堆石坝动力稳定性分析和抗震设计提供理论指导.     

带连续防撞墩的新型泥石流拦挡坝抗冲击性能分析

大块石冲击是造成泥石流拦挡坝破坏的主要因素之一,为了提高拦挡坝的抗冲击能力,提出一种带连续防撞墩的新型泥石流拦挡坝。利用ANSYS/LS-DYNA,对泥石流大块石冲击新型坝和重力式拦挡坝进行了数值模拟,分别得出了新型坝和重力坝的冲击动力响应并进行对比分析。此外,考虑不同的防撞墩尺寸、布置间距以及不同的后部坝体厚度,对新型坝进行参数分析。结果表明:新型坝提高了自身抗冲击性能的同时还提高了材料强度利用率,其明显优于普通坝。防撞墩的截面高度、布置间距以及后部坝体的厚度对新型坝的抗冲击性能和整体刚度影响很大,因此在新型坝设计中必须综合考虑以上因素。     

非透过性泥石流拦砂坝研究现状及展望

由于泥石流动力过程的复杂性和理论研究的不完善,拦砂坝防治工程中关键参数计算与拦砂坝结构设计仍然存在诸多不足。首先,简要介绍了拦砂坝工程防治的发展历程及其重要作用。然后,从溢流口过流能力计算、坝体所受泥石流冲击力、坝后冲刷深度与基础埋深以及坝体结构稳定性4个方面详细评述了非透过性泥石流拦砂坝研究取得的主要成果及存在的问题。最后,从设计参数计算方法、新型拦砂坝结构、新型抗冲耐磨材料的研发与应用以及拦砂坝防治体系建设等方面探讨了非透过性泥石流拦砂坝研究的发展趋势。     

基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究

基于渗流场与应力场耦合机理,对柿竹园野鸡尾尾矿坝进行稳定性研究。研究渗流-应力的耦合效应,提出了渗流-应力耦合以及渗流体积力计算的实施方案;建立二维的有限元渗流-应力耦合计算模型,分析了考虑耦合效应时的尾矿坝渗流场、位移场、应力场;最终分析了不同耦合关系对于渗流量、位移场、等效渗透集中力以及应力场的影响。研究结果表明:当前水力条件下,尾矿坝稳定性良好;尾矿坝主要受水平渗透力作用,初期坝坝顶、坝脚以及坝底等处应力集中;尾矿坝的渗流-应力作用不容忽视,不同的耦合关系对于x方向位移、渗透力的预测影响巨大;考虑渗流-应力耦合关系得到的主应力、剪应力以及竖向位移,比不考虑耦合效应时大。     

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。     

泥石流梁式格栅坝泥砂粒径调节试验研究∗

梁式格栅坝是泥石流防治工程中一种常见的透过型拦砂坝,具有拦粗排细的独特功效。通过室内水槽模型试验,探究了梁式格栅坝对泥石流泥砂粒径的调节特性。研究表明,梁式格栅坝在试验工况下均表现出一定的粒径调节作用,但在不同条件下差异明显,对于水石难分的高容重泥石流难以达到较好的粒径调节效果。分析认为,透过型拦砂坝的粒径调节可能是其容重调节的原因,坝体拦截了大部分粗颗粒物质,使泥石流体的结构变化,导致泥石流浆体能悬浮和输移的最大颗粒粒径变小。其次,提出了一种可用于透过型拦砂坝泥砂粒径调节效率的评价方法,并对比分析了该方法与现有常用评价方法的优势与合理性;基于模拟试验结果,通过多元非线性拟合,得到了新评价方法下考虑泥石流性质、过坝前运动状态和坝体尺寸的影响因素的泥砂粒径调节效率计算公式,可为梁式格栅坝设计中粒径调节效率的预测评估提供参考。此外,试验发现,梁式格栅坝泥砂粒径调节效果还受其拦截泥石流时的闭塞表现的影响。     

基于ANSYS/LS-DYNA的新型带支撑泥石流拦挡坝抗冲击性能研究

以显示动力学和接触碰撞理论为基础,应用ANSYS/LS-DYNA程序,对常规的泥石流重力拦挡坝和带支撑的新型拦挡坝进行了单个球体撞击下的多参数数值模拟计算及对比分析。结果表明:无论有无支撑,混凝土坝身的破坏模式均为由撞击区域应力骤增导致的局部混凝土压碎,但支撑使坝身迎击面应力分布均匀,提高了材料利用率;支撑能够显著减小混凝土坝顶动位移,最大减幅在30%以上,甚至可达近65%,坝身刚度得到大幅度提高;当撞击高度一定时,支撑间距越小,混凝土坝顶动位移越小;若设置了支撑,则可适当减小混凝土坝身厚度,其减小比例以1/3为宜;撞击力主要由混凝土坝身承担,其刚度显著大于支撑总刚度;撞击高度越高或者支撑间距越小,则混凝土坝底支反力所占比重相对越低,支撑的加强作用也就越显著。     

格栅坝在泥石流防治中的应用——以汶川地震引发的烂泥沟泥石流治理为例

受汶川地震影响,四川等地泥石流治理更为迫切.泥石流的暴发具有突发性,在防治工程中,相比实体坝而言,格栅坝是一种节省材料、稳定性更高的拦挡结构,使用范围越来越广,但是目前尚无成熟的格栅坝设计方法.本文参考梳齿坝的已有理论确定了支墩间距的计算方法,并结合已有实验资料提出了格栅坝格栅间距的计算公式,改变了以往不同坝体乃至同一...     

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。     

无铰拱形泥石流拦挡坝研究

在泥石流防治工程中，拦挡坝是应用得比较广泛的一种措施。利用土木建筑中的拱结构形式，结合锚杆技术，引入了无铰拱形拦挡坝的概念。在狭窄河谷中，采用无铰拱形坝既可以改善坝体的工作环境，提高其承载能力，又可以减少材料用量，从而降低造价。针对无铰拱形坝的受力特性，进行了分析，提出了加强坝体、实现无铰的构造措施。     

上泉拱坝稳定分析及加固设计

上泉水库坝体为浆砌石连拱坝,现被定为病险水库,通过对拱坝结构强度、支墩抗滑稳定的计算分析,采用右坝肩基础、支墩防渗处理、坝体加固处理等措施进行除险加固,并对大坝稳定进行了验算。     

翼墙型拦挡坝在泥石流防治中的应用研究——以塘房沟泥石流治理为例

"5·12"大地震后,灾区泥石流灾害发生频率明显升高。为消减灾害影响、减少损失,现已对灾区大部分易发性泥石流沟进行了治理。在泥石流的防治工程中,拦挡坝是一种应用比较广泛的措施。相比于传统的直线型重力拦挡坝,本文结合塘房沟泥石流形成的地质条件,提出并应用翼墙型拦挡坝在泥石流的防治工程中。本文利用有限元软件ANSYS对翼墙型拦挡坝在泥石流整体冲击力作用下进行了数值模拟计算,分析了拦挡坝的变形和受力特征。最后结合拦挡坝的数值模拟计算结果,为保证拦挡坝的长期有效性,对其进行了结构设计优化,研究成果可为相似泥石流防治工程提供借鉴。     

混凝土重力坝FRP片材表面加固抗震性能研究

如何提高混凝土重力坝薄弱位置的抗震性能是国内外大坝抗震研究的热点问题。本文基于等价静力非线性方法,采用考虑混凝土细观非均匀特性的混凝土损伤模型,研究FRP片材表面加固大坝薄弱位置的抗震有效性。以2座不同形态的混凝土重力坝A、B为例,分别进行坝踵FRP片材表面加固研究和折坡处FRP片材表面加固研究,分析加固前后坝体的应力状态、裂缝扩展情况和破坏形态。数值模拟结果表明:坝踵处采用FRP片材加固可以很好地增强坝体的抗震性能,有效地抑制裂缝的产生和发展;折坡处采用FRP片材加固在一定程度上可以提高坝体的抗震性能,下游坝身加固与否对提高大坝的抗震性能影响不大。     

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。     

泥石流梁式格栅坝闭塞临界判据及其拦沙性能试验研究

梁式格栅坝是常用的泥石流透过型拦砂坝之一,因其拦粗排细、汰沙排水等特点以及良好的工程和环境效益而在泥石流防治工程中有较好的应用前景。通过试验模拟梁式格栅坝对泥石流的拦截过程,提出了一种考虑多因素影响的格栅坝闭塞临界条件综合判据F。当F≤3时,梁式格栅坝表现为全闭塞;当3F11时,梁式格栅坝表现为部分闭塞;当F≥11时,梁式格栅坝表现为未闭塞。研究认为横梁间距对泥石流梁式格栅坝闭塞条件的影响大于泥石流容重的影响,而沟道纵坡相对上述两者影响有限;分析得到了梁式格栅坝拦沙率与泥石流容重以及横梁间距之间的计算关系式;此外,试验发现梁式格栅坝的闭塞表现和拦砂性能与泥石流的速度和颗粒形状有一定关系。     

单切口坝对稀性泥石流的拦砂性能——试验研究与比较分析

通过室内水槽试验,探讨了单切口坝对稀性泥石流的拦砂性能,并与梳子坝的试验结果进行了比较分析。初步得到：（1）单切口坝有全闭塞、部分闭塞和不闭塞3种闭塞类型。当切口宽度b与稀性泥石流中最大颗粒粒径dmax之比b／dmax≤0．394时,切口全闭塞;b／dmax≥1．478时,切口不闭塞;0．394〈b／dmax〈1．478时,切口为部分闭塞。（2）单切口坝在降低过坝泥石流密度变化量上,与梳子坝有相似规律。对单切口坝而言,b／dmax在0．394～0．739之间,过坝泥石流密度变化量随b／dmax增大而增大,在b／dmax=0．739时,过坝泥石流密度变化量达到最大,其后随着b／dmax的进一步增大,过坝泥石流密度变化量逐渐减小;在0．493≤b／dmax≤0．986之间,单切口坝降低过坝泥石流密度变化量较显著。（3）在相同的试验条件下,以过坝泥石流平均密度及其降低率为防治泥石流的效益指标,显示梳子坝与单切口坝的坝后平均密度的比值大多小于1,表明在相同的试验条件下梳子坝对稀性泥石流的防治效果较好。     

面板砂砾石坝异常状态渗流计算及稳定分析

运用非饱和土渗流与强度理论,把渗流计算的水力条件用于边坡稳定分析之中,对沟后面板砂砾石坝进行了渗流场分析与边坡稳定计算,得到一些新的结论,可补充以前相关的研究结果。计算结果表明:坝料填筑分离造成的渗透各向异性尽管使浸润线升高,但是由于水平排水能力的提高反而使坝体的孔隙水压力总体上降低,从而也就提高了边坡的抗滑稳定安全性;当顶部面板与坝体脱开并导致异常状态渗流时,坝体顶部有一饱和区并且渗流出逸点很高,但坝体中部仍未饱和,异常状态渗流增加的孔隙水压力有限,对坝坡的抗滑稳定影响也很小,因此,按照最高浸润线的位置确定孔隙水压力进行抗滑稳定计算会导致错误的结果;坝顶异常状态渗流增加的孔隙水压力并不会导致下游坝坡滑动失稳,而坝体顶部渗透破坏会导致局部坍塌,最终发生溃坝事故。     

提高节理面c和φ对岩坡开挖变形的影响

为了反映岩质边坡在节理面注浆后的变形效应,首先,通过室内试验,分析注浆前后岩体变形和破坏的全过程,以探讨其抗剪性能(粘结力c和内摩擦角φ)的变化;然后,基于理想弹塑性本构模型的Mohr-Cou-lomb准则,运用拉格朗日元数值方法(FLAC3D),对岩坡注浆前后变形效应(水平位移、垂直位移、剪应变增量)进行模拟。结果表明:注浆加固后,岩体的位移场变得均匀和连续,节理面处的较大位移受到抑制,边坡的整体性得到提高,有利于边坡的稳定性。