鱼脊型泥石流水石分离结构强度计算方法

泥石流中大量存在的粗颗粒增强了泥石流的破坏力,对粗颗粒进行调控可以有效减小泥石流的危害。现有对粗颗粒具有调控作用的主要为各种透水型拦挡坝,大量的工程实践表明现有这些水石分离结构均存在一个普遍问题,即结构开口容易被分离的石块淤积和堵塞,从而使结构的水石分离功能不能持续发挥。一种新型的鱼脊型水石分离结构能有效解决这一问题,但是在将该结构应用于泥石流减灾实践前,我们必须确定结构的强度计算方法。通过理论分析发现：结构中引流坝的计算方法与传统重力拦砂坝类似,且泥石流荷载主要作用于水石分离格栅的肋梁上,通过简化肋梁的计算模型,将肋梁与脊梁连接处简化成铰结点,肋梁与基础之间的约束简化成铰支座,主要考虑泥石流重力、泥石流中石块冲击力以及泥石流体动压力三种荷载的作用,据此计算出三种荷载作用下肋梁任意截面的内力,最终建立肋梁强度的验算公式,以此作为工程设计中选取水石分离格栅合理截面型式和尺寸的依据。     

溃坝涌浪及其对重力坝影响的数值模拟

针对高坝库区滑坡涌浪对重力坝的影响问题,进行滑坡涌浪的产生、传播过程及其对重力坝的冲击作用特征研究.采用基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法的涌浪-坝体相互耦合模型模拟库区滑坡涌浪的全过程,研究滑块位移-时间曲线以及涌浪过程中不同时刻滑块位置与流体特征,分析涌浪冲击对重力坝坝顶位移、坝体应力的影响以及坝面冲击压力的分布规律.数值模拟结果表明:重力坝受到的库水冲击作用包括滑坡冲击库水产生的涌浪波和水体受到挤压产生的压缩波,2种作用均会导致坝踵和坝体下游折坡点出现较大拉应力,在库区滑坡对坝体影响的研究中应同时考虑涌浪波和压缩波的作用.     

基于光纤传感技术的泥石流冲击力测量系统与反演方法

目前水槽实验一般采用压电式压力传感器测量泥石流冲击力,这种传统测量模式的电信号易受电线阻抗效应的影响,且没有考虑测量装置受冲击变形对测量结果所产生的影响。针对以上问题,基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感技术,设计了悬臂梁式泥石流冲击力测量系统; 基于泥石流的宾汉体模型和受冲击体的本构关系,构建了包含中心波长最大偏移量、结构材料弹性模量和流深的泥石流最大冲击力反演公式。依据测量系统的力-光耦合效应设计水槽实验,开展了7组不同密度(1.8、1.9、2.0 g·cm^-3)的冲击实验工况。结果表明:①数据之间呈现较好的规律性,光纤布拉格光栅中心波长最大偏移量随着密度的增加而增大,同一密度下光纤布拉格光栅中心波长变化过程与泥石流冲击过程相吻合,从而验证了冲击力反演模型和测量系统之间具有良好的适应性; ②冲击力峰值为30.75～74.06 kPa,冲击力系数为0.92～1.95,与泥石流冲击特性相吻合,进而验证了本测量系统在克服传统压电式压力传感器自身缺陷的同时,亦能实现冲击力的稳定可靠测量。     

泥石流块石冲击下新型拦挡坝动力响应试验研究

针对泥石流灾害拦挡工程结构型式缺乏创新以及相关试验研究工作欠缺问题,本文提出了两种钢-混凝土组合式新型拦挡坝型式。利用自主设计的冲击模拟试验台对坝体结构在固体冲击作用下的动力响应进行了试验研究和对比分析。结果表明:支撑体系的加强作用和耗能元件的耗能作用有效减轻了新型坝体实体坝身的破坏程度;重力坝动力响应衰减历时至少5倍于带支撑拦挡坝实体坝身,并且后者的动力响应峰值显著低于前者,坝体结构的整体刚度得到了明显增强;耗能坝实体坝身动力响应达到峰值所需耗时是重力坝的2倍有余,并且前者的动力响应峰值相较于后者明显降低,耗能元件的缓冲和耗能作用十分显著。     

崩滑碎屑体堵江成坝研究综述与展望

堰塞坝是由崩塌、滑坡、泥石流等斜坡失稳体堵塞河流而形成的天然坝体。我国是堰塞坝的高发区,在作者统计的全世界范围内堰塞坝案例中,发生在我国的高达758例,占比59%。近年来,频发的地质构造活动和极端气候灾害(台风、暴雨、融雪等)诱发了大量的堰塞坝,严重威胁所在流域的生命财产安全。崩滑碎屑体堵江形成的堰塞坝通常结构松散、稳定性差、溃决程度大、溃决速度快,容易形成巨型洪灾,对下游生命财产造成更大危害。首先简要总结了一般堰塞坝堵江研究,阐明了崩滑型堰塞坝成坝特点。然后分析崩滑碎屑体运动及破碎机理和碎屑体堵江成坝机理研究,明确了颗粒破碎和水流条件对坝体形态特征、物质组成和稳定性的作用。崩滑碎屑体堵江通常有3种成坝模式：滑入型、爬高型和折返型,不同类型堰塞坝的稳定性具有显著差异。堰塞坝的稳定性与坝体关键特征参数(几何形态、坝体结构和物质组成)密切相关,而坝体特征参数又主要由崩滑体在运移过程中碰撞破碎和入河堵江时的固液耦合作用共同决定。考虑上述两种因素,结合物源性质、边坡地形、河谷及水流条件,本文提出了成坝影响因素与堰塞坝的空间形态、结构特征及稳定性的内在关系的研究思路,以便建立基于坝体稳定性快速评价的坝体特征预测模型。本研究的开展可为堰塞坝形成前坝体特征的事先预测以及堰塞坝形成后坝体稳定性的快速评估等方面的研究与实践提供重要理论依据。     

泥石流颗粒物质分选机理和效应

泥石流是一种由大量固体颗粒和液态水充分掺混所形成的多相流体,泥石流体内固体颗粒物质的相互作用所导致的泥石流颗粒物质的分选是引起泥石流流动性和冲击力大增的重要原因,是现阶段大型泥石流防治的重要关注方向.从基本的泥石流动力学理论出发,采用连续介质力学的方法构建泥石流运动的模型,初步分析颗粒分选对泥石流流动性的影响;进而采用离散元(DEM)数值模拟颗粒流的方法,对泥石流发展过程中颗粒间的作用方式和分选机理开展详尽的研究.研究结果表明:泥石流颗粒分选可以导致颗粒体内部孔隙水压力的重新分布,进而影响到龙头运动速度和颗粒体长度的激增;离散元数值模拟和分析进一步显示,区别于一般均匀颗粒所形成的颗粒流的边界层效应,颗粒分选能够显著地改变颗粒体内部的剪切速率的分布,从而弱化边界层效应.     

异重流体作用下的地震动水压

本文结合多泥沙河流上的水工建筑物,受其地震的影响,研究了异重流体作用下的地震动水压力。考虑具有铅在坝面的坝体在地震作用下,刚性地作垂直坝面方向的微幅简谐振动,在假定河床水平,流体不可压缩,并设流体密度沿深度按指数函数规律增加。此时可得到流体的运动方程是线性常系数的,利用分离变量法求得了动压分布的广义富氏级数解,对结果并作了定性分析。结论可供工程设计部门参考。     

泥石流内部流速分布规律实验研究

泥石流内部速度是泥石流动力学分析与防治工程设计中最重要的参数之一。本文以粘度较高的丙烯酸树脂与乙酸乙脂混合液模拟泥石流的粘性,以粒径均匀的玻璃微珠作为两相流的固相颗粒,利用PIV流场测量系统,研究了含砂水流与泥石流中颗粒运动过程、垂向流速分布规律;借助高桥堡水石流固体颗粒流速分布模型,计算了不同颗粒粒径条件下泥石流垂向流速分布,并与前人的研究成果进行比较,结果表明：流体粘性较高条件下,颗粒在整个过流断面上分布更均匀,实验中垂向流速测量结果与高桥堡模型计算值吻合良好（u/us>0.3）,而与含砂水流条件下的测量结果差异明显。两相流中固体颗粒垂线流速分布是否存在反“S”曲线分布,主要与流体的粘性及颗粒在液相中分布的均匀程度有关。     

小口径钢管桩修复加固拦砂坝坝基土的技术方法研究

坝下冲刷是拦砂坝满库后存在的主要隐患问题之一,在泥石流巨石冲击和流体冲刷作用下,以护坦、副坝、潜坝为主的常用坝下防冲消能措施逐渐损毁失效,所形成冲刷坑的溯源侵蚀作用诱发坝基悬空,极易导致拦砂坝主体失稳倾覆或冲毁失效。为解决这个难题,延长拦砂坝服役期限,提高工程经济效益,提出了一种小口径钢管桩修复加固泥石流拦砂坝坝基土的技术方法,其主要作用原理是在拦砂坝坝趾至集中冲刷区段范围以内的松散层埋设小口径钢管桩,并利用桩身孔眼注入水泥浆进行渗透扩散,将桩间松散层和钢管桩结合形成固结体,达到同时减少越坝泥石流直接冲击冲刷破坏和提高坝基土抗冲能力的目的,以防止泥石流的溯源侵蚀破坏,确保拦砂坝主体结构的安全运行。通过理论分析和简易模型试验手段,介绍了技术方法中小口径钢管桩埋设位置、埋设深度、埋设间距和埋设排列4项关键参数的设计原理和计算依据;通过实施绵竹市清平镇雍家沟泥石流工程案例示范,验证了修复加固技术的良好效果,为泥石流拦砂坝坝下冲刷缺陷问题的修复加固方案提供了技术参考。     

耗散粒子动力学的一种新的固体壁面边界条件

由于耗散粒子动力学（DPD）粒子间是软势作用,很难施加无滑移的固体壁面边界,为此提出一种新的固体壁面边界条件,该方法是通过给壁面粒子赋予相对流体粒子的虚拟速度,但壁面粒子不能移动,虚拟速度用于计算壁面粒子对流体粒子的耗散力,进而增大流体粒子的耗散阻力,实现壁面无滑移条件.利用新的边界模型模拟了微通道内的Poiseuille流动,得到的微通道内的速度分布曲线表明,该模型实现了壁面无滑移条件;得到的密度和温度分布曲线显示,壁面附近密度波动很小,但当壁面粒子密度大于8.0时,壁面附近流体粒子密度波动较大.模拟结果与Navier-Stokes方程理论解吻合很好,进一步验证了新边界的可行性和DPD程序的正确性.     

“阶梯+消力墩”型排导槽调控泥石流性能研究

排导槽在泥石流减灾防灾中扮演着重要角色,但以往的排导槽难以解决近些年出现的大比降沟道泥石流灾害治理难题,为此,提出了一种新型“阶梯+消力墩”排导槽以期解决这一难题。通过水槽实验,从泥石流流态、密度、颗粒粒径、泥深、速度和冲击力等方面评估该三种消力墩体型(正方形、梯形和三角形)排导槽调控泥石流的效果。结果表明,泥石流在排导槽内呈现波状流态,消力墩把泥石流挑向空中,虽然对泥深产生了放大效应(正方形消力墩放大效果最明显,梯形消力墩放大效应最弱),但可以显著降低泥石流流速。泥石流经过“阶梯+消力墩”结构的调控后,在出口处的密度有所降低、固相颗粒粒径减小,且梯形消力墩表现出最强的拦粗排细能力。梯形消力墩上承受的冲击压强大于三角形消力墩上的冲击压强,第一个消力墩上冲击压强最大的体型为正方形消力墩体型,而第二、三个消力墩上冲击压强最大的体型则为梯形消力墩体型。     

泥石流作用下砌体房屋破坏机理与结构优化

山洪泥石流是我国山区导致房屋损毁和人员伤亡的主要灾种。由于地形条件限制,我国山区房屋大量分布在较为平坦的泥石流堆积扇上,成为泥石流爆发时的危害对象。针对砌体结构这一山区房屋的主要结构类型,提高其在泥石流作用下的稳定性,是一个亟待解决的问题。本文分析了泥石流对房屋作用特点,提出砌体结构房屋中关键承重结构的破坏模式。以墙体弯曲应力破坏准则为基础,结合泥石流冲击力与流速流深的定量关系,建立了基于泥石流流速流深的砌体墙结构破坏模型,找出了不同砌体墙的破坏临界条件。从结果可以看出,传统砌体结构抵抗泥石流冲击能力极低。以240mm厚的墙体为例,当泥石流流速为4m/s时,一旦泥石流深度超过0.4m,受到正面冲击的墙体将会发生破坏。在考虑砌体墙结构特性的基础上,本文提出了泥石流危险区砌体房屋优化方案。进而,通过七盘沟泥石流灾害调查中的房屋破坏实例,验证了方案的可行性,为提高受泥石流作用影响的房屋的抗灾能力提供新思路。     

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。     

库水下降下土石坝瞬态渗流特性及渗流对坝坡抗滑稳定影响

库水位变化引起的瞬态渗流对土石坝坝坡稳定性影响显著,为此依托某土石坝工程,开展不同库水位下降速率和坝体渗透性下大坝瞬态渗流场计算,分析坝体浸润线滞后程度及上游坝面渗流量变化特性,进而在考虑坝体材料抗剪强度随机分布的基础上对坝坡开展瞬态渗流作用下的抗滑稳定性分析,获得坝坡稳定安全系数及失稳概率变化曲线。计算结果表明：库水位下降速率v越大,坝体渗透系数ks越小,浸润线的滞后程度越显著;v越大或ks越大,到达稳定降落水位时的外渗流量越大;库水位下降结束瞬时坝体浸润线滞后率最大,使得坝坡稳定安全系数最小,相应的失稳概率最大,随着时间延续安全系数会不断回升,失稳概率相应降低;建立的坝坡稳定安全系数和失稳概率与浸润线滞后率的拟合关系式可为综合评估大坝运行安全提供理论指导。     

两相泥石流运动过程中固体颗粒的分选

泥石流颗粒分选效应影响泥石流沿程侵蚀、运动距离、冲击力等运动和动力特性,对于泥石流的工程防治和危险性分析的研究具有重要意义。本文采用人工配制沙样,共进行了105组室内水槽实验,通过改变沟道物质组成、坡度及流量,研究泥石流颗粒物质分选规律。实验结果表明,泥石流龙头颗粒的分选性随砂粒含量、坡度、流量的上升,呈先上升后下降的趋势。为了综合考虑各因素的影响,定义分选比(R)为水流功(W)与泥沙颗粒水下重力(G＇)的函数。实验结果揭示出泥石流龙头颗粒物质的分选性随 上升,呈先上升后下降的趋势,最终建立并验证了描述泥石流龙头分选性的模型。     

汶川震区桃关沟泥石流都汶高速段动力学特征数值模拟

针对2013年“7.10”桃关沟泥石流对沟口段都汶高速等建筑造成的冲击淤埋问题,通过现场调查泥石流形成条件和发育特征,采用雨洪法计算确定了泥石流的相关运动学参数,利用大型计算流体动力学软件CFX模拟再现了“7.10”泥石流泛滥过程,得到了泥石流通过研究区过程中流速、流量等动力学参数变化情况及相应的危险区范围,分析了泥石流速度场分布及其对沿沟建筑物的影响。重点研究了泥石流对都汶高速桥梁段桥墩的冲击力及危害性,模拟结果与规范公式计算得到的整体冲击力误差仅为5.8%。     

弹性理论法计算Hardfill坝坝体应力

为清楚地描述Hardfill坝的坝体应力分布情况,运用弹性理论法推导了Hardfill坝在自重、上游水压力及扬压力等主要荷载作用下的坝体应力计算公式.基于无限楔体的标准解,利用圣维南原理和迭加法推导出Hardfill坝在自重及水压力下的应力计算公式;并在辛克维兹所解决的三角形渗透压力所引起的坝体应力问题的基础上,推导Hardfill坝在渗透压力作用下的应力计算方法.通过与有限元法计算结果的比较,验证了弹性理论公式对Hard-fill坝坝体应力分布描述的可靠性.     

考虑地基非线性的混凝土高坝地震损伤研究

针对传统的线弹性模型不能准确模拟强震区碾压混凝土重力坝的地震响应问题,本文分析了坝体和地基同时考虑材料非线性时的鲁迪拉碾压混凝土坝地震损伤特性,其主要结论如下:地基岩体和坝体均采用非线性材料时,与坝趾相接处的地基产生损伤开裂,并随着地震动的持续,损伤裂缝逐渐向地基深度方向扩展,从而使得坝体应力重新分布,坝基交界处的应力集中释放,导致坝基交界处不会产生地震损伤。因此,坝体产生的地震损伤区域和损伤程度均有所减小,使坝体更偏安全,其结果更接近实际。     

不同水深水下爆炸数值及离心试验研究

重大水利工程是国家重要的基础建设,其在水下爆炸作用下的毁伤值得关注.为此,分别采用离心机模型试验和有限元模拟,研究蓄水位变化对坝体响应的影响.通过数值模拟验证超重力场下缩比模型与原型的相似性.然后,基于 50g下的离心机模型试验,对数值模拟的有效性进行验证.在此基础上,采用数值模拟系统分析不同蓄水位下水下爆炸对大坝振动及变形的影响.结果表明:在炸药当量及位置不变的条件下,增加蓄水位高度会导致坝体速度、位移等响应增大;当水深超过25 m时,坝体多个部位的速度峰值将超过规范给出的安全速度峰值,坝体可能产生损伤;蓄水位变化将引起坝体所受冲击能量的变化,影响坝体的动能及应变能,采用球面波冲击因子可以描述坝体能量变化.     

考虑水体压缩性与不考虑水体压缩性坝水系统基频及振型的比较

本文利用有限元离散坝体与水体，给出了一种考虑水体压缩性时坝水系统基频的数值解法。对考虑水体压缩性与不考虑水体压缩性两种情况下坝水系统的基频及振型进行了比较。