冲击荷载下泥石流拦挡坝动力响应分析

泥石流具有强烈的冲击破坏作用,是防治结构毁损的重要影响因素,本文基于计算流体动力学理论,采用流体分析软件CFX对黏性泥石流进行模拟,得到了泥石流速度场和压力场的分布特征。采用流固耦合分析方法,运用有限元程序ANSYS对一新型泥石流拦挡结构在泥石流冲击力作用下的动力响应进行数值模拟,得到结构的位移时程曲线和应力时程曲线。通过对比分析新型拦挡坝与普通实体坝的响应,得到一些有益的结论。研究表明:冲击力随流速增大而增大,大块石的冲击作用是使结构破坏的重要因素,该结果为泥石流拦挡工程的设计提供了参考。     

泥石流巨石冲击下的钢构格栅坝动力响应分析

泥石流中的巨石冲击是造成拦挡结构破坏的最直接因素,因此设置钢构格栅坝拦截大石块,对减小泥石流冲击破坏有十分重要的作用。本文就钢构格栅坝结构模型,利用国际通用计算动力荷载的非线性有限元软件ANSYS/LSDYNA进行数值模拟。用钢球模拟巨石,分别在格栅坝中间榀顶层梁柱节点和中间榀顶层柱中部施加冲击荷载,分析在冲击荷载作用下结构的动力响应。结果表明：作用在结构上的冲击力大小与被冲击构件刚度大小密切相关,被冲击构件刚度越大,结构受到的冲击力越大,反之,冲击力越小;钢构格栅坝在冲击作用下,冲击作用部位、结构支座部位及梁柱节点部位响应较大,设计时应予以加强;且钢构格栅坝不同位置遭受冲击作用时结构响应完全不同,与冲击力作用在梁柱节点时相比较,冲击力作用在构件中部时结构整体响应明显较小。该结果为泥石流拦挡工程中钢构格栅坝的设计提供了参考。     

泥石流浆体与大颗粒冲击力特征的试验研究

开展了密度为1 400～2 200 kg/m3的泥石流浆体、浆体与大颗粒混合流体的冲击力试验,获取了流速为2.8～4.9 m/s条件下31组冲击力试验数据。采用小波分析方法有效地去除了冲击力数据中的噪声信号,依据离散傅里叶变换（FFT）为基础的频谱分析结果,将低频泥石流浆体冲击和高频大颗粒冲击的临界频率值界定为2 Hz,实现了浆体和大颗粒冲击信号的分离。目前水动力学公式中待定系数α缺乏统一的确定方法,以不同地区157组泥石流观测和试验数据为基础,建立了待定系数?与流体Fr数的幂函数关系,形成可表征不同流态,且弱化尺度效应的浆体动压力计算公式。与泥石流浆体平滑信号相比,大颗粒冲击压力具有一定随机性。泥石流大颗粒冲击次数与频率随大颗粒的质量比增加而增大,其质量比从0.05增至0.21时,冲击总次数从1 305次增至2 838次,冲击频率从82次/s增至195次/s,且龙头段大颗粒的冲击频率高于后续泥石流体。测得大颗粒的压力约为60 kPa,是相同密度和流速下浆体动压力的3倍。随着大颗粒比例的增加,上部1#和2#传感器测得大颗粒冲击频率增加量明显高于下部3#～6#。说明随着流体中大颗粒比例上升,颗粒物质多集中于泥石流上部或表层运动,也佐证了泥石流运动中大颗粒多集中在龙头顶部的认识。对大颗粒和浆体冲击规律的分析可为固液两相流运动机制研究和防治工程设计以及承灾体易损性定量评估提供合理参数。     

泥石流对桥墩冲击力的试验研究

泥石流冲毁桥墩是桥梁在遭受泥石流冲击时的常见破坏形式。为了研究泥石流对桥墩的冲击力大小,通过调整黏土、沙、石子、水的不同含量,配置不同流变特性、不同密度的泥石流,使用所配置的原料在泥石流槽内对两种形状（圆形、方形）的桥墩缩尺模型进行冲击,综合考察了流变特性、流速、桥墩形状以及冲击力的关系。试验表明：试验配置的泥石流原料流变特性差异明显,且可以用简单的选择流变仪测得,用牛顿流体或宾汉体描述。泥石流的流速可用曼宁公式求得,而公式中的糙率系数与泥石流黏度满足幂函数关系。相同工况下,不同形状桥墩所受的冲击力差异明显,方形桥墩阻力系数普遍大于圆形桥墩。使用非牛顿流体雷诺数（Re）可以综合反映流变特性和流速,因此,圆墩的阻力系数可表达为Re的函数,而方墩则没有明显关系。为方便工程应用,可根据黏性泥石流、稀性泥石流对圆墩的阻力系数分别为2.3、0.9,对方墩分别为2.6、1.9进行选用。     

泥石流冲击桥墩动力相互作用物理模型试验

在我国西部山区地震、地质活跃带,泥石流灾害对位于泥石流沟道、沟口等位置处的桥墩构成重大威胁。如何量化描述泥石流冲击桥墩的动力过程,是泥石流减灾领域拟要解决的一个重要科学问题。以泥石流灾害威胁成兰铁路沿线桥墩的工程背景为基础,依托大型泥石流模拟系统,进行多组室内大比例泥石流冲击桥墩物理模型试验。研究泥石流流速、流深以及流体特征参数与泥石流冲击压力的相关性。试验结果表明:冲击过程主要受到弗汝德数Fr和雷诺数Re两个无量纲数控制,稀性泥石流冲击压力主要控制参数为Fr,而对于黏性泥石流则同时有Fr和Re的影响;不论是对于峰值冲击力还是冲击功率谱,不同类型泥石流差别显著;在相同重度等条件下,稀性泥石流具有更大的冲击能量;此外,各种类型泥石流通过临界Fr线得到了本质上的区分。研究成果将为桥墩抗泥石流冲击结构设计提供技术支持及科学依据。     

泥石流对桥墩冲击力的试验研究

泥石流冲毁桥墩是桥梁的遭受泥石流冲击的常见破坏形式。为了研究泥石流对桥墩的冲击力大小,本文通过调整黏土、沙、石子、水的不同含量,配置不同流变特性、不同密度的泥石流,使用得到的原料在泥石流槽内对两种形状(圆形、方形)的桥墩缩尺模型进行冲击,综合考察了流变特性、流速、桥墩形状以及冲击力的关系。试验表明:试验配置的泥石流原料流变特性差异明显,且可以用简单的选择流变仪测得,用牛顿流体或宾汉体描述。泥石流的流速可用曼宁公式求得,而公式中的糙率系数与泥石流黏度满足幂函数关系。相同工况下,不同形状桥墩所受的冲击力差异明显,方形桥墩阻力系数普遍大于圆形桥墩。使用非牛顿流体雷诺数(Re)可以综合反映流变特性和流速,因此圆墩的阻力系数可表达为Re的函数,而方墩则没有明显关系。为方便工程应用,可根据粘性泥石流、稀性泥石流对圆墩的阻力系数分别为2.3、0.9,对方墩分别为2.6、1.9,进行选用。     

泥石流对桥墩冲击力的试验研究

泥石流冲毁桥墩是桥梁的遭受泥石流冲击的常见破坏形式。为了研究泥石流对桥墩的冲击力大小,本文通过调整黏土、沙、石子、水的不同含量,配置不同流变特性、不同密度的泥石流,使用得到的原料在泥石流槽内对两种形状(圆形、方形)的桥墩缩尺模型进行冲击,综合考察了流变特性、流速、桥墩形状以及冲击力的关系。试验表明:试验配置的泥石流原料流变特性差异明显,且可以用简单的选择流变仪测得,用牛顿流体或宾汉体描述。泥石流的流速可用曼宁公式求得,而公式中的糙率系数与泥石流黏度满足幂函数关系。相同工况下,不同形状桥墩所受的冲击力差异明显,方形桥墩阻力系数普遍大于圆形桥墩。使用非牛顿流体雷诺数(Re)可以综合反映流变特性和流速,因此圆墩的阻力系数可表达为Re的函数,而方墩则没有明显关系。为方便工程应用,可根据粘性泥石流、稀性泥石流对圆墩的阻力系数分别为2.3、0.9,对方墩分别为2.6、1.9,进行选用。     

舟曲“8．8”特大泥石流治理中的关键技术研究

舟曲“8．8”特大泥石流灾后治理中的关键技术研究是治理工程首先需要解决的问题,包括3个关系,即泥石流流量与排导沟断面关系、泥石流冲击力与拦挡坝强度关系、泥石流物源级配与柔性防护拦疏关系。提出了长流水小排水槽、一般山洪泥石流中排导槽、特大山洪泥石流生态景观休闲大缓冲区的设计理念,解决了百年一遇泥石流对排导沟流量与断面的设计要求。提出用钢混结构重力式拦挡墙替代原有浆砌块石重力式拦挡墙,满足了坝体对冲击力与强度的关系。建议在流通区设置SNS柔性防护网,采用钢丝绳环形网在发挥拦挡的同时达到泄水的要求。研究成果对于舟曲泥石流灾后治理设计方案具有科学价值。     

泸定县牧场沟泥石流动力特性预测

对牧场沟泥石流的动力特性进行了预测,认为该沟可形成中小规模泥石流,可提供的物源量约14×104m3。按周期50年一遇算,峰值流量为58.43m3/s,泥石流体冲击应力达6.52×104Pa,单块最大冲击力可达199.74×104N,发生一次泥石流总量为18510m3,一次泥石流冲出的固体物质总量为6571m3。     

一种提高泥石流防撞墩抗冲击性能的方法

为提高桥墩泥石流防撞墩的抗冲击性能,拟将废旧轮胎堆栈于防撞墩前,与之形成一种刚柔复合结构.并使用显式动力有限元软件LS-DYNA,通过对泥石流大石块的冲击过程进行数值计算,发现当冲击能量在轮胎的吸能范围时,其冲击力能降低80％.     

舟曲泥石流桩林拦挡结构抗冲压极限分析

以舟曲泥石流灾害防治工程为背景,基于弹塑性有限差分方法计算分析了舟曲泥石流桩林拦挡结构的极限抗冲压能力。针对两种桩林拦挡结构设计方案,采用增量加载的数值计算方法确定了拦挡结构的侧向极限抗冲压力,并与规范建议的泥石流冲击力经验公式计算结果进行了校核。计算结果显示,舟曲泥石流桩林拦挡结构的侧向极限抗冲压力均大于经验公式计算...     

基于EDEM的碎屑流运动规律及冲击性能研究

泥石流运动规律及其冲击性能对于泥石流灾害的影响范围及严重程度具有重要决定意义。出于泥石流这类多相介质的复杂性,本文采用离散元仿真软件EDEM 2018对碎屑流冲击流槽试验进行了数值模拟研究,考虑流槽坡度、底部拦挡结构角度以及颗粒级配的影响,在已有研究成果的基础上对固体颗粒运动过程及冲击性能展开了系统研究。本文将数值模拟结果与现存试验数据进行了对比分析,验证了数值模拟方法的可靠性,在此基础上得出了以下结论:(1)在拦挡结构角度与颗粒级配相同的情况下,流槽坡度越大,对应的碎屑流运动速度与冲击力的峰值也越大;(2)在流槽坡度与级配相同的情况下,拦挡结构越陡,与其相互作用的固体颗粒数量越多,碎屑流越快达到速度和冲击力峰值,且对应的速度与冲击力峰值也越大;(3)在运动过程中,各颗粒级配的碎屑流均出现反序现象,且细颗粒含量的提升可提高碎屑流运动速度,但同时冲击力降低,而粗颗粒含量的提升可增大碎屑流对拦挡结构的冲击力,对于运动速度的影响较小。     

河南省商城县琉璃河泥石流地质特征和动力学参数分析

琉璃河泥石流位于河南省商城县东部的苏仙石乡,是一条典型的沟谷泥石流。本文在分析琉璃河泥石流沟流域和泥石流基本特征的基础上,对形成泥石流的地形、水源、物源等基本条件进行了论述,并基于动力学原理,详细计算了泥石流的密度、流速、流量、冲出量等动力学参数。结果表明,琉璃河泥石流的流体密度为1.47 t/m3,泥石流峰值流量为29.3 m3/s,泥石流流速为4.94 m/s,大块石的运动速度为4.0 m/s,泥石流整体冲击压力4.86 Pa,泥石流的最大冲起高度1.24 m,爬高1.99 m。动力学参数计算结果较为可靠,可指导泥石流防治工程设计工作。     

新型泥石流柔性防护体系冲击动力响应分析

为了减轻泥石流大石块造成的灾害,提出了新型泥石流柔性防护体系。考虑不同加载工况,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对防护体系进行抗泥石流中大石块冲击的数值模拟,研究了冲击物质量、速度,柔性防护体系的钢筋直径、网格尺寸对防护体系动力性能的影响。结果表明:冲击物质量或速度增加,体系的冲击力明显增大,总能量增加且转化为内能效率增大,冲击处位移明显增大。加大钢筋的直径后冲击力增加,体系不失效情况下内能转化率减小,位移减小;随着网格尺寸增大,冲击力减小,而内能转化率略微增大,冲击点处位移明显增大。因此建议在实际应用中应合理设计拉索直径及网格间距。     

落石冲击混凝土板与缓冲层组合结构的动力响应

钢筋混凝土（RC）板与一定厚度的土颗粒缓冲层组合结构被广泛用于山区高位单体及群发性崩塌落石的防治,为研究此类防护结构在落石作用下的冲击力衰减规律及RC板的破坏模式,开展了室外系列落石冲击试验。结果表明,增大缓冲层厚度能够有效减小最大冲击力,峰值加速度随缓冲层厚度减小而增大,尤其在缓冲层厚度为0.1 m及0.2 m时,最大值急剧增大,峰值加速度与缓冲层厚度的变化满足指数函数关系;根据量纲分析原理得到缓冲层最大冲击深度与动能的平方成正比、与最大入射冲击力成反比的计算公式,且与实测值较吻合;入射冲击力在缓冲层内的衰减率随缓冲层厚度的增加以指数函数递增,在0.6 m缓冲层厚度下可使峰值冲击力衰减70%左右;随累积冲击能级的增大,RC板经历了弯曲起裂及扩展、次级弯曲裂纹和剪裂纹产生及跨中弯曲裂纹贯通的过程,试验结束时RC板整体表现出典型的弯曲破坏特征。     

新型屋脊式拦砂坝拦挡输移性能试验研究

随着人们对泥石流拦砂坝的研究与应用,拦挡结构从竖向拦挡逐渐向水平筛分发展。为了对泥石流进行有效筛分和减小泥石流冲击力,提出新型屋脊式拦砂坝,并通过试验研究其对泥石流的拦挡筛分效果。本文通过试验,模拟不同泥石流来量、坝体格栅间距和坝体长度情况下,新型结构对泥石流的拦挡筛分效果（速度变化率、储流比、浆砂分离率）。试验结果表明:增加拦砂坝长度和减小格栅间距都会提高泥石流流速变化率;随着泥石流来量和坝体格栅间距增大,储流比反而减小,储流比最高能达到87.13%;新型结构对泥石流的拦粗排细效果较好,浆砂分离率随格栅间距增加呈现出先升高后降低的趋势,最高可达82.45%;通过二次式拟合得到格栅间距为d85时浆砂分离率最高,推荐将d85作为格栅间距。     

北川县樱桃沟泥石流地质特征与动力学参数分析

樱桃沟泥石流位于汶川"5·12"大地震震中北川县,是一条典型的沟谷型泥石流。本文在分析樱桃沟泥石流沟流域和泥石流基本特征的基础上,对形成泥石流的地形、水源、物源等基本条件进行了论述,并基于动力学原理,详细计算了泥石流的重质、流速、流量、冲出量等动力学参数。结构表明,樱桃沟泥石流的流体密度为1.686 t/m3,流速为6.06 m/s,大块石的运动速度为6.45 m/s,泥石流整体冲压力为35.56 kPa,泥石流的最大冲起高度0.72 m,爬高1.15 m,弯道超高0.41 m。笔者以期为正确设置泥石流防治工程提供理论依据。     

含石量和坡度对土石混合体崩塌运动规律的影响

为探究震后及复杂地质山区土石混合体崩塌运动规律,采用离散元法分析崩塌运动过程,研究含石量和坡度变化下崩塌体崩塌运动速度、最远运距、冲击力及运动形式。结果表明:同一坡度下,含石量越大崩塌速度峰值越大,其运动时间越短;相同含石量,随坡度的增大速度峰值越大其运动时间逐渐缩短;细颗粒和块石的最大水平运距与含石量和坡度变化成正相关;含石量变化对崩塌体的冲击力影响较小,坡度变化对崩塌体的冲击力影响较大,其中坡度65°各含石量崩塌体出现滑动冲击阶段、动态冲击阶段、稳定堆积阶段;崩塌体崩塌演化经历了变形滑动、高速滑滚、准静态堆积三个运动阶段,运动形式以滑动为主。研究结果将为土石混合体崩塌灾害预测与治理提供参考。     

黏性泥石流对球型大颗粒启动的临界条件分析

泥石流是一种破坏力巨大的地质灾害,其破坏力主要来源于浆体中裹挟的大颗粒。相近速度情况下,相同体积的大颗粒比液相浆体拥有更大的冲击力。本文针对黏性泥石流沟内大颗粒的滚动启动,建立了合理并且较为简洁的计算模型。水流条件是泥石流爆发的关键因素,通过分析计算球型大颗粒在浆体冲击下受到的上举力、推移力、有效重力等,考虑支承颗粒和启动颗粒相对位置的随机分布问题,求解大颗粒临界启动时的力矩平衡方程,得到对应的上游来流临界条件。临界启动流速公式符合普适性规律,并且通过计算流体软件FLUENT对3个典型算例的数值模拟,得到的数值解与理论解吻合得较好。本文结论对黏性泥石流沟的防治工程设计,特别是水石分流中排水流量的计算具有一定借鉴意义。     

碎屑流冲击下桩梁组合结构拦挡效果及受力特征研究

以高位泥石流、碎屑流区桩梁组合新型拦挡结构为研究对象, 在总结已有桩梁组合结构的基础上, 运用颗粒流分析仿真程序、通用显示动力分析程序分别对碎屑流冲击下单排、多排桩林及桩梁组合结构拦挡效果、不同位置桩梁组合结构拦挡效果对比模拟以及桩梁组合结构受力特征模拟研究, 探讨了拦挡结构阻挡后碎屑流堆积特征和结构应力传递特征。计算结果表明: 碎屑流中较大粒径颗粒与拦挡结构、两侧沟道边界接触形成的桩-巨石力链拦挡效应可有效阻挡、迟滞后续碎屑流运动, 桩梁组合结构桩-巨石力链拦挡效应最佳; 第一排桩和第二排桩之间改流区进一步抑制了碎屑流速度; 桩梁组合结构在设计布置位置时, 一方面要考虑在碎屑流启动、势动转换过程中尽早抑制碎屑流速度, 另一方面仍需重视库容的设计, 谨防跃顶造成部分碎屑流逃逸, 在上述二者之间选择最优解进行位置布置; 碎屑流巨石冲击桩梁组合结构时, 冲击应力将通过连梁分散传递到后排桩, 连系梁两端连接部分的应力几乎达到屈服强度, 需加强配筋。