基于FLO-2D的矿山泥石流运动特征及危险性评价——以甘肃省岷县簸箕沟矿山泥石流为例

岷县簸箕沟金矿因人类开采活动引发了矿山泥石流灾害. 采用FLO-2D软件模拟分析了降雨强度重现期50 a及100 a条件下的簸箕沟泥石流运动特征, 进行危险性评价和分区, 并结合实际发生情况做了精度验证. 结果表明: 簸箕沟泥石流的堆积扇范围、堆积深度以及平均流速等运动特征参数随着降雨重现周期的变长而增大, 堆积扇中部的堆积深度及流速明显大于两翼及前端. 泥石流的危险区集中分布于泥石流沟道以及沟口一定范围内. 随着降雨重现周期的变长, 高危险区面积比例由48%升高至54.0%. 通过精度验证得出模拟结果与实际情况基本相符, 可信度较高.     

基于数值模拟的群发性泥石流危险性评价

岷县是甘肃南部泥石流频发地区。岷县泥石流多分布于洮河干支流两岸,为群发性泥石流。为了研究群发性泥石流的运动及堆积特征,选取了甘肃岷县麻路河流域为研究区域,以流域内2012年“5·10”暴发泥石流造成重大损失的6条泥石流沟作为整体研究对象,并考虑主河对泥石流堆积物的冲刷携带,运用FLO-2D模拟降雨前主河流动情况及不同降雨频率条件下主河及泥石流的流动情况。根据野外调查结果对比2%降雨频率条件下泥石流模拟结果,验证模型的可靠性。基于模拟结果用ArcGIS进行危险性评价,识别流域内高危险泥石流沟并划定高危险居民区,统计受冲击范围,为泥石流防治和预警工作提供科学依据。     

基于FLO-2D模型的泥石流治理工程效益评价

泥湾沟为白龙江一级支沟,沟内地质构造发育,固体松散物质丰富,历史上曾爆发多次大规模泥石流灾害,属典型暴雨型黏性泥石流。为更好的对该工程效益进行评价,本次采用FLO-2D模型对其治理前后不同频率的泥石流运动、堆积情况及危险性进行模拟对比。研究结果表明,防治工程的布设能有效拦截流域内松散物质,拦截方量约为3.97×10~4 m~3,回淤反压稳固坡体效果更加明显;泥石流流速控制作用明显,1%降雨频率下到达沟口处流速为2.7m/s,且呈沿拦挡工程逐级减小的趋势。在松散物质及流速得到有效控制的情况下,泥石流冲出方量减少,堆积范围缩小,缩小比例最大达84%。该方法不仅有利于评价泥石流治理效益,也对泥石流治理方案的提出提供有效的数据支持,是值得借鉴与参考的一种评价方法。     

黏性泥石流拦挡工程数值模拟

运用计算流体动力学技术对泥石流中的Bingham黏性泥石流流体对拦挡坝的冲击进行了数值模拟,所用软件为通用CFD软件CFX,使用CAD软件AutoCAD和Unigraphics（简称UG）建立了泥石流沟谷三维地形及拦挡坝模型,计算出泥石流的速度场及泥石流流体对拦挡坝的冲击力的大小与分布。     

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。     

基于FLO-2D的都江堰市龙池镇黄央沟泥石流数值模拟

利用HEC-HMS软件结合ArcGIS技术模拟都江堰市龙池镇黄央沟2010年8月13日泥石流的清水流量过程线,然后生成的清水过程线输入到FLO-2D软件中模拟了黄央沟泥石流的运动和堆积过程,计算了堆积的深度和分布范围。文中分析比较了模拟结果与实际调查结果,误差较小。可见基于FLO-2D的泥石流规模预测具有一定的应用意义,预测结果可以为泥石流的防治和预警提供依据。     

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。     

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。     

非匀质泥石流运动特征与峰值流量关系研究

对非匀质泥石流运动变化特征进行预测评价是泥石流防治工程规划和预警预报系统建设的重要内容,也是目前泥石流领域亟需完善的重点问题。通过对泥石流泥位和流速实测资料整理和分析,构建了非匀质泥石流运动特征值预测模型,该模型在前人成果的基础上,利用较少因子就能够判别研究区泥石流运动变化特征,并以陇南地区礼县下胡杨沟泥石流为例,通过FLO-2D流体模型对50年一遇(2%频率)和20年一遇(5%频率)降水条件下泥石流运动特征进行模拟。结果表明泥石流容重为1. 83 t ·m-3时,下胡杨沟20年一遇的泥石流运动特征值最小且差异性不大;当泥石流容重为1. 97 t ·m-3时,下胡杨沟50年一遇的泥石流运动特征值最大且差异性悬殊;当不同规模泥石流流量达到峰值时均产生较大的泥位深度。进一步将泥石流运动特征值模拟结果与实测断面相结合检验分析,并反推已发生泥石流事件的峰值流量,与实际情况都具有较好的一致性,表明采用本文预测模型计算的结果具有一定的可靠性,可为泥石流防灾减灾和泥石流监测预警示范区建设提供参考。     

Assessment of dynamic impact force of debris flow in mountain torrent based on characteristics of debris flow

Landslides and debris flows that occur around residential areas are considered, globally, as significant disasters that cause damage to human life and property. With terrain slope defining the flow characteristics of debris flows, flow depth, flow velocity, and impact force vary by time and distance. In particular, when a structure is located in the flow path of debris flows, the flow characteristics of debris flows vary by terrain slope and direction angle. To simulate the flow characteristics of these debris flows, the simulation results obtained by FLO-2D were analyzed with six-stage conditions for the research area. In the analysis, the flow depth, flow velocity, and impact force were estimated on the basis of the outlet of the research area in the presence and absence of structure(s) at certain distances. With this, the variation of the impact force in accordance with the variation of the flow depth of the debris flows was highly similar to the simulation results obtained by FLO-2D, when the correction index (α) of the suggested dynamic impact force equation was 0.3–0.4. There were sections where the estimated value of the impact force was overestimated near the outlet, and it was judged that the fixed values of the terrain factors (width, roughness coefficient, slope, etc.) caused the impact force to be overestimated. However, the correlation analysis showed that the correlation index was above the normal ranges in the suggested dynamic impact force equation for debris flows with the application of the terrain factors.     

基于数值模拟的耳阳河流域泥石流灾害危险性评价

洮河流域中游位于甘肃省南部,属泥石流高发区。耳阳河是洮河流域中游的一条重要支流,泥石流灾害尤其严重。为研究甘肃省南部小流域泥石流灾害的危险性,以耳阳河流域为研究对象,选取流域内居民相对集中的6条泥石流沟,用FLO-2D模型模拟了2012年5月10日实际降雨条件下的泥石流运动特征和堆积特征,得到了泥石流流量随时间的变化曲线、泥石流流体深度和流速在沟谷不同地段的空间分布,对“5·10”泥石流灾害过程进行了重现。模拟结果表明:泥石流爆发15～30 min后达到洪峰,约3 h后流量逐步回落;泥石流流动速度在流通区快,到沟口迅速下降,固体物质淤积阻塞河道。通过野外现场调查和遥感解译,发现模拟得到的泥石流发生过程、堆积区分布、泥石流影响区与现场调查和访问得到的实际情况基本相符。进而,采用相同的方法和参数,对2.0%和0.2%降水频率下泥石流的堆积范围、深度和流速进行了模拟分析,分别制作了上述工况下的泥石流危险性分区图,圈定了潜在威胁较大的人口聚集区,为耳阳河流域泥石流灾害的预防和治理提供了依据,也为类似泥石流提供了一种危险性分析的技术方法。     

基于FLO-2D数值模拟的工布江达县城泥石流灾害危险性评价

工布江达县位于藏东地区,雨季区内泥石流频发,对人民基本生活和区域经济建设与发展造成了严重影响。为研究藏东地区中—小型泥石流灾害对城镇居民聚集区的危害特征和潜在危险性,运用FLO-2D软件,以西藏自治区工布江达县县城周边居民分布较为集中的5条泥石流沟为研究对象,通过模拟泥石流泥深和流速等方面的冲淤特征,以县城典型泥石流沟模拟冲出结果为基础,确定泥石流强度并划定危险性分区,分析泥石流危险分区与居民聚集区之间的拓扑关系,评估县城周边泥石流危险性,为工布江达县城的城镇规划和防灾减灾提供技术参考。      

基于数值模拟的暴雨泥石流暴发频率计算模型

在缺失可靠降雨数据的地区,为解决泥石流暴发频率这一现实问题,从泥石流形成机理出发,由泥石流堆积特征反演形成条件,构建了基于数值模拟的泥石流暴发频率计算模型。该模型利用泥石流固体物质量估算模型和流域洪水流量推算模型,确定固体物质量、洪水流量、泥沙体积浓度后,通过FLO-2D流体模型计算得到与实际情况最符合的模拟情景,即可反推出已发泥石流事件的暴发频率。并以7 4石棉县马颈子沟和熊家沟泥石流为例,计算出两处泥石流的暴发频率皆为100年一遇,案例研究表明,该模型具备定量确定泥石流暴发频率的能力,对于泥石流预警预报和防灾减灾具有较强的理论和实践意义。     

河北太行山区木作沟泥石流形成条件及特征分析

通过对太行山区木作沟泥石流实地勘查,分析并总结了该沟泥石流形成条件及发育特征.在此基础上,采用经验公式法计算了木作沟泥石流运动特征参数值,即4条主要支沟典型断面处泥石流流速、峰值流量、整体冲击力等参数,进一步分析了泥石流活动及发展趋势,最后计算得到泥石流最大危险范围.研究结果表明：木作沟具有利于泥石流形成的地形条件、气象水文条件及物源条件;泥石流易发程度为易发,发展阶段为壮年期,并逐步向衰退期过渡.综合判断木作沟具备再次发生泥石流的条件,对沟内居民仍具有严重威胁.建议在泥石流形成区设置谷坊坝,在流通区修建排导渠.     

德钦县城直溪河泥石流成灾模式及运动过程模拟

云南省德钦县曾多次暴发较大规模的泥石流,是云南遭受地质灾害最严重的地区之一。根据直溪河泥石流的分区、物源、流体和堆积等特征,首先确定了直溪河泥石流的5种成灾模式:崩塌-碎屑流、岩质滑坡-碎屑流、土石混合体滑坡-碎屑流、松散堆积层-基岩接触面滑坡-碎屑流和松散堆积层内滑坡-碎屑流;其次,采用FLO-2D模型对直溪河在10年、20年、50年和100年一遇暴雨周期下发生泥石流时的运动情况进行模拟,定量分析了不同降雨重现期的最大流速、最大堆积深度、冲出沟口堆积距离和体积规模。结果表明:该泥石流暴发时具有启动加速度大、流速快、破坏力强、流通区长的特点;当100年一遇的泥石流发生时,其最大流速达到了3.07 m/s;最大泥深为2.27 m;泥石流冲出方量为84419 m3;致灾面积达到91600 m2。研究结果可为直溪河泥石流灾害防治与治理提供数据参考,为德钦县防灾减灾工程设计提供依据。     

柳杨沟泥石流特征及其工程影响分析

2001年7月11日晚11点至12日凌晨,位于小天都水电站下闸址以下约600 m的柳杨沟爆发泥石流,造成数十万元的经济损失,对小天都电站下闸址造成了一定影响。通过现场调查和室内计算,研究了柳杨沟泥石流的发育特征和运动特征,并分析在各种设计概率下发生泥石流对水电工程可能造成的影响。