泥石流流体性质与弯道幅度角对超高影响的实验研究

泥石流的弯道超高特性随泥石流的流体性质不同而有显著差异。开展了稀性、亚黏性和黏性3类泥石流的25组弯道超高水槽实验,研究发现:1)泥石流过弯的液面倾角与流速的关系分为3个不同区间。当流速小于2.4 m/s时、大于3.0m/s时,泥石流液面倾角分别在24°、50°左右波动;处于两者之间时,液面倾角随流速线性增长。2)不同类型泥石流超高最大值出现的位置有显著差异,稀性、亚黏性和黏性泥石流弯道超高最大值分别出现在75°、60°和45°幅度角左右。3)采用线性回归分析方法分析了弯道超高分布系数随幅度角正弦值的变化曲线,得到两者之间呈三次多项式的经验关系。     

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。     

泥石流作用下新型楔挡分流结构的流-固耦合动力分析

我国西部地区泥石流活动频繁,对建筑物的破坏以及人们生活带来了极大的影响。有效模拟泥石流冲击作用下结构的响应,可为研究建筑物抵抗泥石流冲击奠定基础。基于流-固耦合的基本理论,运用工程数值模拟软件ANSYS Workbench对设计的新型楔挡分流结构在泥石流冲击作用下的动力响应进行了数值模拟,并利用流体分析软件CFX对黏性泥石流流场进行了模拟,得到了泥石流速度场及压力场的大小及分布。研究表明:楔挡分流结构的楔挡角度越大,结构所受应力就越大,容易破坏。综合流速和角度的关系,得到60°的楔挡分流结构综合拦挡分流效果最佳,该结果可供泥石流拦挡工程的设计参考。     

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。     

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.     

基于SPH法的岩崩碎屑流与挡板相互作用模拟

调查了颗粒之间的相互作用及岩崩碎屑流与一个障碍之间相互作用。采用光滑粒子流体动力学法(SPH)模拟了实验中观察到的颗粒流动规律,采用的本构模型是牛顿流体模型。研究表明,岩崩碎屑流的运动和堆积受到水槽倾角和挡板的影响,水槽挡板周围沿深度剖面的速度图是不均匀的,随深度变化的。数值结果与干颗粒材料的水槽流砂试验进行比较,获得了一些重要的模型参数,可用于优化高山地区防御结构尺寸的设计。     

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。     

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%。     

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...     

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%。     

窗口坝对黏性泥石流的流量调控性能研究∗

基于水槽试验,探讨了窗口坝对黏性泥石流的流量调控特性,并结合数值模拟对其调控过程进行了初步分析。结果表明：窗口坝对黏性泥石流的流量调控作用不仅表现在窗口坝对黏性泥石流峰值流量的削减能力上,还表现在对泥石流过流的延时效应上;不同工况条件下,窗口坝对黏性泥石流的调控能力不同,泥石流峰值流量削减率与窗口坝相对开口宽度、高宽比、开口率整体呈负相关,与泥石流容重整体呈正相关,但对容重较低的泥石流,窗口坝的调控作用较小;窗口坝对黏性泥石流的调控作用是窗口坝实体部分和开口部分共同作用的结果：窗口坝通过实体部分拦挡泥石流,降低泥石流的流速,并使泥石流于窗口坝库内发生流速“重分布”,再利用窗口坝大开口对其进行有控制的排导,以此来发挥窗口坝对黏性泥石流的调控效果。     

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。     

新型浅槛结构对冰川泥石流沟道侵蚀的防治效果及应用

针对冰川泥石流发生对公路危害大,防治困难,投入资金高等问题,而采用浅槛结构可以有效的减轻泥石流危害,因此提出一种新型浅槛结构并研究其对冰川泥石流沟道侵蚀的防治效果,通过现场水槽冲刷对比实验对设置不同浅槛间距和坡度下的实验现象和效果进行,并结合实际沟道侵蚀特征,对新型浅槛结构进行优化设计并给出了具体工程应用实施案例。试验结果表明:浅槛对泥石流的防治效果显著,且防治效果受浅槛间距影响较大,同时,在不同沟道坡度下最优的浅槛间距亦不同,实际浅槛间距以10~20 m为宜。另外,实验发现浅槛间距为25 cm时,坡度15°-20°的浅槛群改善沟道纵坡作用比较明显。通过现场模型实验结果和实际工程应用效果分析发现,新型浅槛群结构可有效减轻沟岸侧蚀和沟底侵蚀破坏,在实际泥石流防治工程中效果较好。     

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。     

二维定常泥流的数值模拟

本文以Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔａｋｅｓ方程为基本方程，将泥石流的一种特殊形式－泥流作为Ｂｉｎｇｈａｍ流体，用有限体积法对三种不同底部条件的泥流流场进行了数值模拟，给出了速率分布，并指出了泥流与清水流动的不同之处。     

轴向中空壁管抗冲击性能试验研究与数值分析∗

轴向中空壁管作为一种新型结构壁管,几何构型简单、空间利用率高、且能量耗散性好,近年来在市政工程中得到广泛应用。为研究轴向中空壁管在低速冲击作用下的力学响应和耗能特性,设计了 20 个试验工况,以落锤冲击试验模拟施工过程中受到的落石冲击和机械撞击作用,基于量纲分析法提出冲击力峰值的计算方法,通过有限元软件 ABAQUS 对试验结果进行验证,并根据有限元计算结果分析管道在低速冲击作用下的变形特性和损伤机理。研究表明：数值分析结果与试验结果吻合较好,冲击力时程曲线趋势基本一致,冲击力峰值误差在 5% 以内。 轴向中空壁管具有良好的抗冲击性能,其双壁中空结构具有较好的能量耗散性,落锤与管道接触瞬间会产生较大的冲击力,12.9 kg 的落锤从 2 m 处自由下落冲击管道可产生 15.28 kN 的冲击力。对比 20 个试验工况的冲击力峰值试验值与计算值,误差均较小,最大误差为 5.8%,即冲击力峰值计算方法准确性较高。随着落锤高度和质量的增加,冲击力峰值增大,损伤区域和凹痕深度也随之增大,最大塑性应变由外壁内侧转移到外壁与加劲肋的连接处, 呈现出外壁损伤和加劲肋损伤两种损伤模式。提出的冲击力峰值计算方法和管道塑性损伤规律可以为施工过程中轴向中空壁管在落石冲击和机械撞击作用下的安全评价提供理论依据。     

洪水泥石流等自然灾害对旅游景区的破坏作用研究

通过泥石流灾害模拟模型与灾害损失率计算方法了解旅游景区的损失状况,研究自然灾害对旅游景区的破坏作用。旅游景区洪灾模拟模型由分流模型与汇流模型构成,根据泥石流多相流成分中固液两相分离原则构建泥石流分流模型;引用DEM数据得到泥石流流域栅格的汇流方向,根据经验模型计算汇流用时,采用八方向方法获取河道信息,基于这些数据构建泥石流模拟的汇流模型,采用ArcGis软件实时呈现该模型的泥石流灾害模拟效果;结合ArcGis软件显示的灾情数据,采用洪灾损失率计算方法获取旅游景区自然灾害损失率。实验结果表明,该模型计算旅游景区建筑损失率误差均小于5%,在有效模拟泥石流灾害的同时,可准确描述自然灾害对旅游景区的破坏作用。     

四川省汶川县簇头沟“7.10”泥石流灾害成因与特征分析

簇头沟是岷江右岸一条低频泥石流沟,受2013年7月极端暴雨的影响,暴发特大泥石流。结果显示,汶川地震造成流域内的坡面和沟道堆积的大量的松散物质是泥石流形成的物源,流域上游暴雨及其形成的山洪是此次泥石流形成的激发因子。"7.10"泥石流为过渡性泥石流,泥石流容重约为1.8~1.9 t/m3,沟口处最大流速为9.2 m/s,峰值流量为515 m3/s,冲击力达到3 657 t,输沙总量约为50×104m3。泥石流过程表现为为暴雨(山洪)—滑坡(坡面泥石流)—泥石流—堰塞湖—溃决洪水。对震后低频泥石流危险性认识不足、防治工程设计标准偏低是此次灾害造成重大损失的主要原因。在未来灾害防治工程设计中,应合理估计灾害规模和潜在风险。     

基于落石棚洞冲击试验的落石冲击力研究

基于落石棚洞冲击试验,考虑不同落石重量、高度和冲击角度对落石冲击力的影响,分析了落石冲击力在这三个因素影响下的变化规律,发现落石高度与棚洞顶板倾角共同变化时,随着落石高度的增加和棚洞顶板倾角的减小落石冲击力增大,增大幅度达80.02%;落石高度与重量共同变化时,当落石重量较小,落石冲击力随着落石高度增加后的变化幅度较小,反之较大,最大值较最小值的增大幅度达182.10%;棚洞顶板倾角和落石重量共同变化时,落石重量比棚洞顶板倾角对落石冲击力的影响大,增大幅度达48.99%。然后基于正交试验分析发现落石重量是影响落石冲击力最重要的因素,其次为落石高度,最后为棚洞顶板倾角。最后通过回归分析获得了棚洞落石冲击力计算公式,并通过方差分析证明了棚洞落石冲击力计算公式与各因素间的回归关系高度显著,因此该公式可用于落石棚洞设计时冲击力的计算。     

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。