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。     

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。     

泥石流防治措施与冲击力研究进展

泥石流是一种世界范围内各个历史时期均普遍发生的地质灾害现象,尤其频发于地震多发的山地地区,每年均给人民的生命财产造成重大损失.为了应对这种暴发突然,来势凶猛,破坏力强的泥石流灾害,一系列防治措施应运而生.系统总结泥石流的防治措施.泥石流的防治措施可分为结构化措施和非结构化措施.其中结构化措施包括拦挡坝、拦挡网、导流渠、沉淀池和植被防护措施等,其设计依据可通过泥石流冲击力模型获取.泥石流冲击力模型可分为静力模型、动力模型.非结构化措施即建立泥石流预警和预报系统体系.      

基于光滑粒子流体动力学方法的泥石流冲击桥墩试验模拟EI北大核心CSCD

采用Bingham流体模型描述泥石流的动力学行为,将桥墩视为地形条件,在光滑粒子流体动力学(smoothparticle hydromechanics,简称SPH)方法的框架上引入边界斥力改进边界条件,构建了泥石流冲击桥墩的三维数值计算模型。基于水槽试验对不同黏性的泥石流冲击桥墩的堆积过程及冲击力时程曲线特性进行了分析,根据水槽试验建立物理模型,实现了不同流变参数和重度的泥石流冲击桥墩的三维动力演化过程模拟,并对不同流变参数的泥石流堆积过程及冲击力时程曲线模拟结果进行了分析。从流体力学的角度对模拟结果进行分析,指出忽略湍流形成的能量耗散是导致稀性泥石流运动过程模拟与试验结果差异的主要原因,并讨论了不同黏性条件下泥石流冲击桥墩的防护措施。研究成果为泥石流冲击桥墩三维数值计算模型的进一步优化提供了理论支撑。     

品字形桩林防护结构对泥石流冲击桥墩作用的影响

减缓和消除泥石流对桥墩的冲击作用对大桥安全至关重要。以品字形桩林作为防护结构,结合泥石流运动特征参数和桥墩宽度等因素,提出了一种桩林结构尺寸的设计原则。先通过模拟泥石流中大块石对不同型式桩林结构的冲击作用获得了桩林结构的最佳布置方式,然后采用SPH(光滑粒子流体动力学)-FEM(有限元)结合的方法分析了含大块石泥石流对设置品字形桩林结构情况下桥墩的冲击作用。结果表明：大块石与泥石流浆体共同撞击桥墩的冲击力为3 843 kN,远大于无防护时纯泥石流浆体对桥墩冲击力1 840 kN和有防护时的1 452 kN;桩间距3.0 m、桩排距1.0 m是品字形桩林结构最为合理稳固的布置方式;设置防护结构时桥墩所受泥石流浆体的冲击力峰值、墩底应力峰值和数值模拟t=8.0 s时墩底位移峰值相比于无防护状态下分别减小了约21.1%、79.0%和29.4%。采用品字形桩林防护结构对于桥墩受泥石流冲击破坏有相当显著的防护作用。     

邓池沟泥石流某些特征值研究

邓池沟位于四川省宝兴县境内，在历史上曾发生过几次大规模的泥石流。为了合理地评价邓池沟泥石流对宝兴水电站闸坝的影响，文章在调研基础上，根据国内外有关研究成果，结合邓池沟泥石流的具体特征，对邓池沟不同位置选择了不同的计算公式与评价方法，计算了表征泥石流运动特征的流速、流量和冲击力。结果表明邓池沟再次爆发泥石流将具有较高的流速、较大的流量和冲击力，将会对宝兴水电站闸坝产生严重的危害。     

泥石流的运动规律分锨防治建议——以湘南白岭沟泥石流为例

文章以湖南省南部白岭沟泥石流灾害为例，对其运动规律进行了计算分析，提出了有针对性的综合治理措施，对历史上没有观测资料的泥石流灾害的治理具有一定的指导意义。     

桥墩影响下冰塞水位变化规律的试验

采用聚乙烯颗粒为天然冰模拟材料,对桥墩影响下的冰塞水位变化规律进行了探索性试验研究.试验发现,有桥墩时,冰塞演变可分为冰塞越过桥墩和未越过桥墩两种情况;冰塞动态演变过程中,桥墩附近冰塞底部存在冲刷现象,由此产生的冲刷输冰流量会引发较为复杂的冰塞水位演变过程.研究表明,有桥墩条件下,水力及来冰量条件对平衡冰塞时的水位增值影响规律与无桥墩时基本一致;水流条件和来冰流量相同条件下,当冰塞能越过桥墩达到平衡时,墩径较大时水位增值也较大,在断面阻塞程度相同条件下,双墩水位增值大于单墩.     

泥石流冲击弧形拦挡坝动力响应研究

泥石流冲击过程中,坝基位置处承受了较大冲击力,易引起该位置出现应力集中而导致局部冲击破坏。为此,将竖向拦挡坝结构优化为弧形拦挡坝,并基于动量及能量守恒开展泥石流冲击弧形拦挡坝理论计算研究,推导泥石流对弧形拦挡坝的冲击力及爬升高度计算公式。为验证理论公式的正确性,进一步开展泥石流冲击弧形拦挡坝物理模型试验。研究结果表明:物理模型试验结果与所推导的理论公式计算结果具有较高的拟合度,该理论公式可适用于泥石流对弧形拦挡坝的冲击计算;泥石流流速、冲击力、爬升高度与泥石流沟道纵坡坡度呈正相关关系;冲击力及爬升高度主要受弗洛德数Fr、泥石流沟道纵坡坡度α、拦挡坝弧形半径R控制,并与Fr呈二次方正相关,与泥石流沟道纵坡坡度α的余弦值成反比;与竖向型拦挡坝结构相比,弧形拦挡坝结构在爬升高度上无显著影响,然而可较大程度降低泥石流对坝体的法向冲击力,局部结构增强也使得坝体结构强度得到提升。该研究可为泥石流拦挡坝工程的结构设计提供理论及技术支持。     

藏东南部泥石流堵河试验研究

通过模型试验对泥石流入汇主河后堵塞坝形成过程以及堵塞坝体溃决后主河河床形态特征进行了研究。实验历时3个月,共13组试验。在支主沟交汇角为90°的情况下,通过改变支沟泥石流容重、支主沟的流量比和动量比,建立了泥石流堵河的判别公式,当r>1 001.16时容易发生堵河现象,并对培龙沟两次泥石流堵河事件进行了判定;定义了主河的束窄率S与主河流速变异系数Fv,并发现了主河的束窄率与支主沟动量比之间存在线性关系;主河稳定后的平均宽度与流速变异系数之间存在幂的关系。该实验能够较好地模拟泥石流堵塞坝形成的过程,结果比较合理,并为泥石流灾害的防治提供了相应的理论基础。     

开口柔性防护网调控泥石流性能试验研究

柔性防护网是防治泥石流灾害的重要工程措施之一,现有防治结构以闭口防护网形式为主,易发生堵塞且调控能力欠佳。为此,提出一种开口柔性防护网结构,并基于理论分析、物理模型试验开展了开口柔性防护网对泥石流的调控性能研究,推导泥石流速度衰减率、爬升高度和柔性防护网拦挡率的理论公式。结果表明：与闭口柔性防护网结构相比,该结构起到了良好的自清洁作用,且可有效调控泥石流速度峰值;所推导的无量纲理论公式计算结果与物理试验结果具有较好的一致性;速度衰减率、爬升高度和拦挡率主要由相对开口高度、无量纲流深、泥石流相对密度和弗罗德数控制;速度衰减率和拦挡率与相对开口高度呈负相关,与泥石流相对密度呈正相关,爬升高度与相对开口高度、相对密度均呈负相关。上述研究可为开口柔性防护网在泥石流防治工程中的应用提供理论及技术支持。     

国内外泥石流活动关键指标估算方法之比较

泥石流流体容重、流速、冲击力是表征泥石流活动特征众多指标中的三个关键指标.本文在分析国内外对这些指标评估现状的基础上,总结了应用较普遍的估算公式,对比了不同公式的特点及其适用性.比较结果认为:由于泥石流组成和运动状态的复杂性以及影响因素的多样性,对于这三个指标,目前的估算公式都不具有普适性.在当前的认知水平下,建立基于各个地区泥石流特点的指标估算经验公式是最为实用的途径.在各个指标经验公式的建立方法上,考虑各个粒组的多变量容重统计分析方法相对较为合理;泥石流流速估算公式的建立途径在我国、前苏联和欧美国家之间有显著差异,前二者基于曼宁公式,后者基于强迫涡流公式、以弯道超高为主要参数;泥石流冲击力的估算方法国内外都以动量理论为基础,区别主要体现在经验系数取值上,巨石冲击力的计算则都考虑了拦挡建筑物的特点.     

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。     

颗粒粒径对滑坡碎屑流动力特征及能量转化的影响——以四川省三溪村滑坡为例

滑坡碎屑流的能量演化机制涉及复杂的碰撞、摩擦和能量转化,对滑坡灾害的防治具有重要意义。以四川省三溪村滑坡为例,采用离散元法建模,研究了不同土颗粒粒径下滑坡的运动堆积特征、能量演化过程及其对建筑物的影响。结果表明,在不同粒径条件下,滑坡的堆积特征变化不大,但它们对能量转换和建筑物的冲击力有显著的影响。粒径越大,滑坡启动速度越快,峰值动能速度越高,碰撞耗散能量越大,摩擦耗散能量越少。粗粒土中颗粒间距越大,颗粒间的碰撞效应越明显,有利于能量传递,因此,对房屋的冲击力越大。因此,在模拟过程中不能忽视颗粒粒径对滑坡碎屑流动力学特征的影响。这些研究结果揭示了不同粒径土粒在滑坡运动过程中的能量演化机制,为能量演化对建筑冲击的影响提供了初步的认识,可为滑坡碎屑流的防治提供指导依据。