坝后淤积条件下泥石流冲击拦挡坝动力响应研究

拦挡坝有效库容和泥石流冲击力是泥石流实体拦挡坝设计的重要指标,现有实体拦挡坝在泥石流反复冲击作用下淤积甚至填满,会对坝体调控能力产生重要影响.为此,基于理论分析和物理模型试验,开展坝后淤积条件下泥石流冲击实体拦挡坝动力响应研究,推导坝后淤积条件下泥石流速度衰减率、坝体拦挡率的无量纲计算公式,并建立考虑空间分布特性的坝后淤积条件下泥石流冲击力计算模型.结果表明：泥石流速度衰减率和坝体拦挡率与淤积体高度/淤积长度比值和泥石流相对容重呈正相关;泥石流冲击力静动荷载组合计算模型能较好反映坝后淤积条件下泥石流冲击力的组成和分布特征.上述研究可为泥石流实体拦挡坝工程设计提供理论及技术支持.     

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。     

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...     

泥石流拦挡坝研究现状及发展趋势

拦挡坝已大量应用于泥石流治理工程中。它不仅能拦蓄部分泥石流固相物质,减小泥石流规模,还能稳定沟坡、控制沟道侵蚀,抑制泥石流发育。本文梳理了泥石流拦挡坝的研究成果,分析总结出工程设计中拦挡坝存在以下问题:(1)相关泥石流运动特征参数的计算问题;(2)拦挡坝修建级数与设计库容的选取问题;(3)拦挡坝的结构型式与坝体材料选取问题;(4)拦挡坝的清淤问题;(5)与格栅坝设计相关的问题。基于以上问题,提出今后拦挡坝应重点发展以下研究方向:(1)拦挡坝设计方法改进和结构型式创新;(2)基于水土分离的泥石流防治理念;(3)基于物质和能量调控的泥石流减灾技术。     

泥石流拦挡坝优化设计

拦挡坝设防高度决定着库容,因此确定合理的设防高度在拦挡坝的设计中极为重要。在坝址确定的情况下提高拦挡坝的设防高度可以加大库容,增强防治工程的抗灾能力,但其泄洪能力会受到影响,因此拦挡坝的库容与其泄洪能力是矛盾的。既有设计理论中泥石流峰值流量按照全流域面积汇水输沙总量计算,该理论认为每个拦挡坝的设计洪峰流量是相同的,而实质上对于流域面积大的泥石流沟,设置在上游、中游及下游的拦挡坝由于汇水面积的差异而导致泥石流峰值流量相差较大,本文作者提出了按有效汇流面积计算泥石流峰值流量的优化设计方法,用该方法设计的拦挡坝的溢流断面面积较小,从而达到提高设防高度,增大库容,提高拦挡坝的容灾能力。     

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。     

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。     

泥石流防治对策与新方法

基于云南地质灾害防治历程和云南高原泥石流防治面临的问题,提出了资源与环境理念的泥石流防治对策与新方法。泥石流防治的基本对策是实施泥石流全流域地质灾害链的系统防治;其目标既要减灾防灾,同时保护土壤资源,兼顾实现砂石料与土壤资源的开发利用,还要避免形成堰塞湖及河湖淤积等新的环境问题;泥石流防治一是通过水土保持工程技术改善流域生态环境,减缓泥石流蓄势速度(可流动松散物质的积蓄速度),二是科学分离和处理泥石流固体物质,变“拦挡、疏排”为“拦淤、清淤”,将泥石流泥沙作为资源开发利用,将“固床、护岸,拦挡、疏排”改进为“保土、稳坡,固床、护岸,拦淤、清淤”。     

泥石流重力拦挡坝稳定性验算方法探讨

在工程设计时,重力式泥石流拦挡坝稳定性验算多采用验算软件进行验算,但其验算理论方法及验算过程并不易掌握。为了能更好地掌握验算理论知识和步骤,根据《泥石流灾害防治工程设计规范》提出的重力式泥石流拦挡坝稳定性验算公式和坝体受力情况分析进行手动验算,并从工程实例出发,采用江西漂塘钨业有限公司漂塘矿区猪斗窝至漂塘河泥石流治理工程中某一处重力式拦挡坝,假定满库工况下陈述其演算方法和过程。该验算方法适用于重力式拦挡坝每种工况运行状态,但仅适用于泥石流物源以矿山废石等粗颗粒为主的物质。为推动防治泥石流工程设计方法和技术论证方法不断进步,为国家在矿山地质灾害防治工作中取得良好的成效,应大力推广该验算方法的运用。     

饱和黏土中抗拔桩上限承载力分析及土塞效应

构造了抗拔桩上限分析机构,对饱和黏土中闭口桩与开口管桩抗拔承载力进行了上限计算,通过与弹塑性有限元、下限法及API方法进行对比说明了其合理性,并与实测资料对比验证了此方法的可靠性。研究了长径比、桩壁粗糙程度、土体强度非均匀性和土塞高度对抗拔承载力的影响,拟合出了闭口桩的抗拔净承载力预测公式。主要结果表明：对于闭口桩,归一化的抗拔净承载系数和单桩长径比之间近似呈线性关系。对于开口管桩,开口管桩抗拔净承载力系数与闭口桩抗拔净承载力系数的比值随长径比的增大有增大的趋势;管桩抗拔净承载力系数随着土塞高度的增加而增加,土塞对管桩的抗拔承载力有不可忽略的影响。     

泥石流冲击弧形拦挡坝动力响应研究

Dam foundation is subjected to a larger impact force when debris flow runs up, causing stress concentration and local impact failure. To address this problem, in this study the vertical structures are optimized into arc-shaped dams. Based on the principle of momentum and energy conservation, the theoretical calculations of the impact process of debris flow and arc-shaped dam are carried out, and the formulas of impact force and maximum run-up height of debris flow are deduced. The theoretical formulas are verified through a series of physical model tests of debris flow impact arc-shaped dam. The results show that the results of the physical model are highly consistent with those of the theoretical calculations, indicating that the proposed theoretical formulas are applicable in the calculation of the impact of debris flow on arc-shaped dam. The debris velocity, impact force and the maximum run-up height are proportional to the flume slope of debris flow. The impact force and the maximum run-up height are mainly controlled by Froude number(Fr), flume slope(?), and arc-shaped radius(R). Both the impact force and the maximum run-up height have quadratic relationships with the Froude number, and are inversely proportional to the cosine of the flume slope. Compared with the rigid vertical structures, the arc-shaped dams have no signicicant influence on the maximum run-up height, but it can reduce the normal impact force on the dam considerably, and the structure strength can also be enhanced by the strengthening of local structure. This study provides a theoretical and technical support for the dam structure design.     

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.     

无水滑的水下泥石流运动速度的实验研究

水下泥石流阻力与陆面中泥石流运动阻力的不同点在于上表面的掺混阻力和剪切阻力。由一系列的室内无水滑的水下泥石流和陆面泥石流实验研究得出:水下泥石流运动速度与相同条件下陆面泥石流运动速度之比随不同性质的泥石流,如粘性和稀性泥石流,由于其屈服应力的巨大差别,有很大的不同。由实验得到的由泥石流体的容重和量纲为一的泥石流屈服应力表达的水下无水滑泥石流运动速度和陆面泥石流运动速度用于无水滑水下泥石流运动速度计算较好。     

Geophysical flows impacting a flexible barrier: effects of solid-fluid interaction

Flexible barriers undergo large deformation to extend the impact duration, and thereby reduce the impact load of geophysical flows. The performance of flexible barriers remains a crucial challenge because there currently lacks a comprehensive criterion for estimating impact load. In this study, a series of centrifuge tests were carried out to investigate different geophysical flow types impacting an instrumented flexible barrier. The geophysical flows modelled include covered in this study include flood, hyperconcentrated flow, debris flow, and dry debris avalanche. Results reveal that the relationship between the Froude number, Fr, and the pressure coefficient α strongly depends on the formation of static deposits called dead zones which induce static loads and whether a run-up or pile-up impact mechanism develops. Test results demonstrate that flexible barriers can attenuate peak impact loads of flood, hyperconcentrated flow, and debris flow by up to 50% compared to rigid barriers. Furthermore, flexible barriers attenuate the impact load of dry debris avalanche by enabling the dry debris to reach an active failure state through large deformation. Examination of the state of static debris deposits behind the barriers indicates that hyperconcentrated and debris flows are strongly influenced by whether excessive pore water pressures regulate the depositional process of particles during the impact process. This results in significant particle rearrangement and similar state of static debris behind rigid barrier and the deformed full-retention flexible barrier, and thus the static loads on both barriers converge.     

泥石流运动衰减动力学初步研究

我国公路泥石流病害严重，泥石流淤埋公路构建筑物是一类常见的公路泥石流病害类型。泥石流衰减动力学是防治泥石流淤埋病害的重要关键技术，也是泥石流运动学、动力学研究的核心问题之一。本文作者运用泥沙运动力学及流体力学原理，初步建立了泥石流固相颗粒和液相浆体的能量衰减条件，把泥石流衰减模式概化为两类，即能量抑制衰减和能量自由衰减；通过泥石流沉积模型试验，得到了不同粘度泥石流体的沉积扇变化形态，随着泥石流体粘度的增大，沉积扇边缘变陡、扩展范围变小、纵轴线长度减小等结论与实际情况吻合；初步建立了泥石流能量衰减速率计算方法。研究成果为防治公路泥石流病害奠定了基础。     

沟岸侧蚀对泥石流形成和运动过程的影响

沟岸被侧蚀掉的松散物质会通过动量交换将能量传递给龙头,从而影响泥石流的形成和运动过程。前人建立了许多模型来研究泥石流的侵蚀过程对泥石流形成和运动过程的影响,但是模型中大多以底蚀作用为前提条件。通过侧蚀模型和底蚀模型两种水槽实验的对比,针对泥石流的形成和运动过程展开研究。实验发现侧蚀作用更有利于泥石流的形成和运动,泥石流的龙头高度和速度都有波动特征,但侧蚀作用使得这种波动特征更加明显。侧蚀作用使得泥石流的龙身速度更快于龙头速度,龙身颗粒源源不断地堆积于龙头,使得龙头有较大的高度和附加坡降,因此,侧蚀条件下龙头的速度更快。     

Transformation of debris flows into turbidity currents: mechanisms inferred from laboratory experiments

Three sets of lock exchange experiments were run to look at the generation of turbidity currents from debris flows. The flows ranged from reasonably dilute (4% volumetric concentration) to dense (40% volumetric concentration) with cohesive, non-cohesive and mixed cohesive/non-cohesive sediment. Concentration was measured at one height using an Ultrasonic High Concentration Meter. Velocity was measured using Ultrasonic Doppler Velocimetry Profiling at 10 different heights in each run. The resulting flows range from plug flows to well mixed flows. Comparison of the concentration profiles, velocity time–height plots and vertical profiles of downstream velocity and root mean square velocity showed several different transformation mechanisms. Depending on the concentration and composition of the flow, transformation took place through one or more of the following processes: erosion of material from the dense mass, breaking apart of the dense underflow, breaking of internal waves and turbulent mixing. The extent of transformation depends on the viscosity and density of the flow. Initially very dense and viscous flows experience minor transformation only at the surface, resulting in a dilute turbidity current. Flows that are initially not so dense and viscous are churned up entirely, undergoing the different transformation processes. For these flows, transformation processes work throughout the entire flow, not just at the surface. Transformation of the less-dense flows is efficient with all or most material ending up in the resulting turbidity current.     

浊流和泥石流的异重流初期潜入点的实验研究

潜入点的水流泥沙条件是异重流的发生条件和持续条件,受到了国内外学者的广泛关注。初期潜入点Fr代表异重流的发生条件,而稳定潜入点Fr则代表异重流的持续条件。通过一系列的低浓度浊流和高浓度浊流及泥石流的异重流潜入点的实验研究,分析对比低浓度浊流和高浓度浊流及泥石流的异重流的关系,得到在均匀顺直水槽中的异重流初期的潜入点Fr规律。提出在一定的水槽宽度、泥沙浓度条件下,异重流的初期潜入点Fr与头部流速成正比。与其它文献不同研究条件的实验结果对比有很好的一致性,说明该研究结论有很好的可靠性。该研究结论的适用范围为初期潜入点,不适用于稳定潜入点和初期潜入点与稳定潜入点之间的过渡阶段。但高浓度浊流和泥石流的异重流初期潜入点Fr与其稳定潜入点Fr很接近,粘性泥石流的异重流更接近。     

磨西河泥石流堵断大渡河物理模拟与早期识别

历史记录与堆积区证据显示,四川泸定磨西河泥石流历史上堵断大渡河事件易发、频发,为泥石流堵河的典型案例。为了深入剖析磨西河泥石流相关物理参数对其入汇主河运动过程的影响,本文采用1∶500几何相似模型进行了物理模拟试验,结果表明:1)泥石流密度、流量比对泥石流堵河影响程度大,其均与泥石流堵河程度显著正相关,密度、流量比越大,堵河程度越严重,且存在发生堵河事件的临界点;2)流速比对堵塞影响程度小;3)磨西河堵断大渡河的早期识别指标为,当磨西河泥石流流量大于2 000 m3/s,泥石流物质组成为漂卵石混中粗砂、少含水时,磨西河泥石流易发生堵断大渡河的危害。磨西河泥石流堵断大渡河事件具有很强的偶然性与不确定性,本文仅选取磨西河与大渡河交汇区开展物理模拟试验,通过试验获取影响堵河发生的单因子临界值进行堵河早期识别,可能存在一定误差,但不失为堵河判别方法的创新,具有一定的实践意义,也为相关泥石流入汇主河早期识别理论与试验研究提供了技术方法。     

基于弯道超高计算泥石流流速的探讨

泥石流流速是难以实测和准确推算的重要参数。在分析既有各类弯道超高计算公式的基础上,探讨适用于各类泥石流的弯道超高计算模式,进而改进基于弯道超高的粘性泥石流、稀性泥石流和泥流的流速计算公式,用实例加以验证。