碎屑流冲击刚性挡墙的力学模型研究

山体滑坡或山体崩塌所产生的碎屑流常对拦挡结构造成严重的危害,通过室内模型试验研究刚性挡墙抗碎屑流冲击的力学模型。根据64组试验的碎屑流冲击过程,建立冲击力力学模型,计算出法向冲击力、切向冲击力及冲击力的作用高度。并将试验结果中的最大冲击力及残余力,与Ashwood模型、Adel模型及所提模型进行比较。结果表明,所提模型计算出的冲击力与试验结果更加吻合,Ashwood模型计算出的冲击力相比试验结果偏小,Adel模型的结果相比试验结果也较接近。在假设基底反作用力的位置为堆积区长度的2/3的条件下,冲击力作用高度与试验结果最接近。最大的法向力与切向力都随着基底摩擦角的增大而不同程度的增大,挡墙摩擦角只对切向力有明显影响。研究结果可为滑坡或崩塌碎屑流的防灾减灾设计提供参考依据。     

震后泥石流沟内滑坡堰塞坝的侵蚀特征分析——以银洞子堰塞坝为例

强烈地震后的沟内滑坡堰塞坝是泥石流地质灾害的重要物质来源,由于季节性降雨的间歇性和沟道地形的特殊性,泥石流沟内滑坡堰塞坝的侵蚀破坏过程与堵河型滑坡堰塞坝有明显区别,本文以银洞子滑坡堰塞坝为例,对此类堰塞坝的侵蚀破坏特征进行了研究。通过多年的现场地质调查和理论分析,主要得出以下结果:1)银洞子堰塞坝受到的侵蚀效应包括降雨导致的坡面汇流冲刷,溃口水流或泥石流的下切侵蚀、侧向侵蚀和溯源陡坎侵蚀;2)横向巨大高差导致该堰塞坝漫顶溃决时的初始溃口位于坝体侧面,水流或泥石流对溃口边坡的侧向侵蚀过程为单向侵蚀,在这种侧向侵蚀和下切侵蚀共同作用下,堰塞坝的溃口边坡越来越高,堰塞坝的稳定性降低;3)银洞子沟上、下游土体强度不同导致堰塞坝的坡面侵蚀效果不同,下游一侧坝体强度较弱,坡面汇流冲刷导致堰塞坝表面被两道大型拉槽分割,堰塞坝的整体性受到影响;4)银洞子堰塞坝特殊的物质结构导致溯源侵蚀陡坎向上游的发展速度缓慢,堰塞坝的侵蚀过程不一致。在多种侵蚀效应的共同作用下,银洞子沟滑坡堰塞坝下游部分的溃口边坡高度大、完整性差,很可能失稳形成二次滑坡,将导致大量松散物质进入新形成的沟道内,从而为泥石流活动提供物源储备。     

基于FLO-2D的泥石流工程治理效果分析——以都江堰银洞子沟泥石流为例

选取地震区典型泥石流沟银洞子沟作为研究对象,运用FLO-2D软件再现该沟2013年泥石流发生过程,验证了通过研究区雨量数据获取泥石流流量线方法的可靠性以及相关模拟参数选取的合理性。在此基础上,基于泥石流发生频率和暴雨爆发频率相同的假设,对不同爆发频率下的泥石流工程治理效果进行了分析。结果表明:工程治理后,当爆发频率为30,50 a时,工程治理效果显著;当爆发频率为100 a时,工程治理效果不显著。因此,建议相关管理部门加强极端降雨条件下泥石流的预警和防治工作。     

碎屑流冲击下柔性防护网的力学简化模型

柔性防护网是一种广泛应用于碎屑流防治的防护结构,目前缺乏综合考虑碎屑流冲击荷载组成特征及支撑绳受力特征的力学模型对其防护特性进行评估。基于碎屑流冲击拦挡结构的2种冲击模式,并考虑动、静及摩擦冲击荷载的组成,构建碎屑流的冲击荷载计算模型,并在考虑碎屑流不同冲击阶段和冲击模式的基础上,结合索结构力学,建立考虑碎屑流荷载组成和支撑绳受力特征的柔性防护网力学简化模型。对比碎屑流冲击柔性网的室内滑槽模型试验结果发现,底部支撑绳冲击荷载计算结果比试验值偏大,坡面堆积工况下的冲击荷载和柔性网受力计算结果基本符合试验结果,而连续冲击工况的计算结果大于试验结果。总体上,力学理论模型可以有效地描述其余支撑绳上所受荷载的非线性分布特征,且计算结果偏保守。     

碎屑流冲击柔性网的离散元仿真研究

柔性网和碎屑流相互作用包括碎屑流散体运动冲击和柔性网连续大变形两个复杂的力学过程。由于目前柔性网和碎屑流相互作用的力学理论计算方法尚不成熟,为此提出一种利用Hertz–Mindlin黏结接触模型模拟柔性结构,利用无滑移的Hertz–Mindlin模型模拟碎屑流的离散元仿真方法。选择有横向支撑锚索的沟道碎屑流防护结构进行模拟计算,并定义碎屑流动能变化率Wk和碎屑流死区质量与碎屑流总质量之比Fm来对比碎屑流冲击柔性网和刚性挡墙的动态响应过程。结果表明:与冲击刚性挡墙不同的是,碎屑流冲击柔性网时冲击荷载首先沿坡面方向冲击,使承力锚索在水平方向和竖直方向均产生较大的变形。随后冲击荷载作用方向逐渐转变为以水平冲击为主,使堆积区上部锚索的水平偏移值和碎屑流在水平向的堆积范围增大。利用经验公式求得的作用于刚性挡墙的最大法向冲击合力与数值计算结果较为一致,而利用经验公式求得的作用于柔性网的最大法向冲击合力比数值计算结果大45%以上,因此利用经验公式计算碎屑流作用于柔性网的最大法向冲击力时,需要重新确定动土压力系数CD和弗洛德数Fr之间的关系。     

单向侧蚀与下蚀共同作用下堰塞坝的演化特征

滑坡堰塞坝溃决破坏过程中均存在下蚀效应,但因堰塞坝的形成机制以及沟谷地形的限制,很多堰塞坝在横向存在高差,导致堰塞坝漫顶溃决过程中的侧向侵蚀方向为单向侵蚀。通过模型实验和数值分析,对堰塞坝在单向侧蚀与下蚀效应共同作用下的演化特征进行研究。实验结果表明,对于组成物质完全位于沟谷内的堰塞坝,单向侵蚀与下蚀效应导致堰塞坝漫顶侵蚀过程中的溃口边坡失稳规模逐渐增大。而对于横向高差悬殊的大型堰塞坝,在溃口水流的单向侧蚀与下蚀效应共同作用下,溃口边坡高度逐渐增大最终将导致堰塞坝发生二次滑坡,并采用数值方法对二次滑坡的形成过程进行分析。根据土力学理论,提出圆弧滑动模型对二次滑坡的滑动半径以及滑动面积进行预测,模型的计算值与理论值相差6.2%,具有一定的实用性。     

场地条件对滑坡-碎屑流运动冲击特征的影响研究

滑坡碎屑流的运动场地条件差异性大,导致相同规模滑坡的运动参数以及冲击作用存在显著差异。为了量化场地条件的作用机制,运用三维离散元模拟方法,以场地条件为变量,开展滑坡碎屑流的冲击研究,以斜坡坡度、堆积区坡度和场地几何特征为变量因素进行数值模拟分析。研究结果表明:不同斜坡坡度下,颗粒的平均速度时程曲线都可以分为加速和减速两个阶段。斜坡坡度越大,平均速度越大,沿斜坡坡面滑动所消耗的能量随之减小,对拦挡结构的冲击力越大。堆积区坡度的增加,冲击力峰值和终值都随之增加,但对碎屑流颗粒的平均速度影响不显著。拦挡结构与坡脚距离越远,颗粒的动能在运动过程的消耗随之增加,冲击力越小。最大运动速度与拦挡结构所受冲击力大小排序一致,即凸面型>直线型>凹面型。     

高地应力下硬岩爆破破岩特性及能量分布研究

为研究高地应力下爆破荷载和动态卸载效应对破岩效果和损伤破坏范围的影响,在理论上分析了在爆破荷载和动态卸载作用下裂隙区和弹性区岩石应力分布和破裂特征。基于断裂力学和可释放应变能的岩石损伤破坏准则计算了岩石破碎块度d和岩石损伤破坏范围Rd。计算结果表明,当初始地应力达到50 MPa以上,炮孔半径为42 mm,2号岩石改性铵油炸药耦合装药起爆后原岩中积聚的弹性应变能释放后可以达到裂隙区破碎能的16%以上。高地应力卸载后在爆腔腔壁将产生一个径向拉应力,在裂隙区边缘拉应力为2 MPa,最大拉伸位移为0.24 mm,在弹性区由于卸载径向拉伸应力的作用促使其聚积的应变能沿径向释放,使弹性区形成新的损伤破坏,损伤破坏区厚度为0.03 m。随着爆腔半径和裂隙区半径的增大,动态卸载释放的能量和损伤破坏区的厚度也将随之增大。     

碎石垫层对碎屑流冲击棚洞的缓冲效应研究

棚洞常用于保护山区道路免受山体滑坡或崩塌而形成的碎屑流的冲击破坏,为了进一步明确缓冲垫层对棚洞的防护作用,通过室内模型实验研究碎屑流对棚洞的冲击机制以及利用碎石作为缓冲垫层的缓冲效应。实验中记录的高速影像显示碎屑流冲击过程中碎石缓冲垫层有明显的变形,测力元件测得冲击力沿法向和切向在棚洞上的分布。实验结果揭示在没有碎石垫层的情况下,棚洞上的最大法向力和切向力分量作用在受冲击侧的拱脚位置,增加碎石垫层后,最大冲击力的值变小,并且最大法向力和切向力分量从受冲击侧的拱脚偏移30°~45°,这表明缓冲层不仅能减小冲击力的大小,还能改变其分布模式。以冲击力作为输入对棚洞运用力法分析其结构内力,发现碎石垫层可以有效减少结构最大弯矩和最大剪力并增加最大轴力,增加了结构的安全性。同时根据冲击过程中能量的变化,发现颗粒粒径较细的碎石垫层耗散冲击能量的效果更好。实验结果充分表明,碎石垫层在碎屑流冲击棚洞时发挥了显著的缓冲和耗能作用。     

基于DEM方法的滑坡堰塞坝几何特征分析

基于离散元法(DEM)对滑坡堰塞坝的几何特征进行了数值模拟,考虑沟道断面形态、滑坡速度以及沟床坡度三种因素的影响,共27种组合。结果表明:沟道断面形态、滑坡速度对堰塞坝横向、纵向几何形态都有影响,而沟床坡度只对堰塞坝纵向几何特征产生影响;滑坡速度增大,堰塞坝纵剖面顶宽和底宽的比值减小,堰塞坝的有效厚度减小;沟床坡度增大,堰塞坝下游坝坡内角减小,上游坝坡内角增大,两者的比值减小,堰塞坝坝坡倾角的变化规律与内角的变化规律相反。