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。     

颗粒流冲击力研究现状及讨论∗

颗粒流包括滑坡、泥石流、碎屑流、雪崩等,通常对桥梁、公路、居民区具有较大危害。分析了颗粒流的运动过程及其侵蚀、堆积和爬高等特性;此外,对颗粒流冲击力计算模型及其野外观测结果进行阐述。结果表明:现有冲击力计算模型认为冲击力在结构全断面呈均匀分布,忽略了颗粒流的运动特性对冲击力的影响;大块石冲击力计算忽略了颗粒破碎和浆体垫层效应对冲击力的影响,造成巨大的计算误差;由于传统传感器的缺陷,现有野外观测结果也存在较大误差。对此本文提出野外观测需要通过引入或开发新式压力传感器以得到更准确的颗粒流冲击力大小及其分布形式,从而更精确的修正理论模型;理论计算模型研究工作需要考虑颗粒流浆体的垫层效应、流体与基底的相互作用及块石冲击破碎等对流体冲击力的影响,从而推导出更准确的冲击力计算模型,指导工程实际。     

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%。     

共生型泥石流对建筑物结构损伤的多尺度分析

为了获得泥石流对建筑物结构损伤情况,提高泥石流下建筑结构损伤检测精确性,针对共生型泥石流对建筑物结构损伤进行多尺度分析。结合LiDAR点云数据和航空摄像数据,提取泥石流灾害建筑物结构相关信息;分析泥石流的冲击机理和地貌形迹。结合实际观测和基础信息,计算泥石流的冲击力和建筑结构最大位移,获得共生型泥石流对建筑物结构冲击作用下的影响因素。利用简化泥石流作用力,对一个二层建筑结构在共生型泥石流冲击下的损伤位移情况进行模拟,设计四种工况,通过不同工况在泥石流下的冲击响应实现结构损伤多尺度分析。结果表明:结构柱产生位移的主要影响因素为泥石流整体作用力,一旦遇到大石块,位移会有增加趋势;建筑结构最大位移和泥石流密度、刚度等因素相关;结构最大位移模拟值与理论值拟合度高;泥石流中比较大的石块为建筑物结构受到损伤的关键因素,可利用减小结构刚度减缓冲击力。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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...     

一维粘性泥石流运动的格子Boltzmann模拟

利用格子Boltzmann方法,对一维粘性泥石流的运动进行了定量化研究和数值模拟,为进一步研究泥石流的运动机制奠定了基础。在模拟一维粘性泥石流运动时,采用了含外力项的格子Boltzmann模型,通过对外力因子、平衡态分布函数的构造,使得宏观统计特性刻画了泥石流运动的非线性特征,成功模拟了泥石流的运动过程,获得了泥石流水深、流速两大要素的时空变化规律,为研究泥石流运动过程提供了一种新手段。     

西部地区重大工程建设中的泥石流灾害 --兼论其与环境的互馈作用

在西部大开发过程中,许多重大工程建设涉及泥石流灾害的问题.讨论了工程活动、泥石流及山地环境之间的相互作用和影响.工程活动往往受到泥石流、山地环境的制约,同时它作为活的因素,又积极地影响着泥石流和山地环境,促使其产生次生演化,泥石流和山地环境的次生演化常会对工程活动产生次生制约.泥石流的发生会危及工程和人类的安全,破坏地表,破坏生态环境;人类工程活动若不遵守自然规律,过度向山地索取,必将导致山地环境退化和泥石流的广泛活动及频繁发生,甚至引起泥石流活动范围扩大和成灾规律改变.     

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。     

ENSO与云南蒋家沟泥石流灾害发生的关系

通过分析近40年来出现的ENSO事件对云南东川蒋家沟泥石流活动的影响可知,El Ni(~n)o与LaNi(~n)a对其的影响正好相反,且El Ni(~n)o的影响大于La Ni(~n)a的影响.El Ni(~n)o年,泥石流年发生频次、径流量和输沙量偏少的概率均较大,泥石流活动减弱的倾向明显;La Ni(~n)a年,虽有一定的对应关系,但不如El Ni(~n)o年明显,且影响更复杂一些,总的来说,泥石流年发生频次、径流量和输沙量偏多或持平的概率较大.     

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。