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。     

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。     

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.     

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。     

泥石流防治工程设计的若干问题初探

本文以南靖县帮科泥石流防治工程设计工作为例,选取了影响该泥石流形成的10项因子,利用模糊数学综合评判法对该泥石流危险程度进行了评价,为福建省泥石流预测预报及防治提供了定量的数学分析方法,有利于福建省科学防灾工作的进一步开展。此外,本文还对帮科泥石流防治工程中拦挡坝的设计方法进行了初步探讨,明确提出设计中坝体的稳定性演算可以简化为抗滑稳定演算等三个注意事项,并针对福建省的气候、土壤条件,提供了泥石流生物治理措施中的几种优势树种及其基本种植方案。相信本文对福建省其他泥石流防治工程设计具有借鉴意义。     

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。     

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。     

基于增量加载法的泥石流拦挡坝抗冲击力数值模拟

为提高泥石流重力式拦挡坝的设计安全和避免资金投入过大而造成浪费,选择合理的泥石流冲击力作为设计依据尤为重要。文章结合舟曲县三眼峪沟灾后重建防治工程相关数据,利用有限元软件ABAQUS进行计算分析,采用增量加载的数值计算方法,分别求得2种工况下重力式拦挡坝的抗冲击力。根据三眼峪沟治理工程运行至今的反馈情况,证明在泥石流治理工程设计中,冲击力选择工况1和2的平均值较合理,同时说明该方法与经验公式结合使用,其结果更加精确可靠,在泥石流工程设计和研究中具有良好的应用前景。     

关家沟流域泥石流灾害风险评价及治理措施探析

关家沟位于甘肃省文县,平面形态呈葫芦型,流域总面积38.13 km~2,支沟12条,多有黄土披覆,沟谷发源区和上游区,是主要耕地所在地带,为滑坡多发区;地形由陡向缓转折处,稳定性差,也是崩塌多发区。根据关家泥石流的形成、发育特征,采用分级赋值、灰色统计分析方法,对关家沟泥石流各特征元相应类别的综合值进行计算,在此评价的基础上进行风险评价,并根据关家沟各沟段不同的地形地貌、沟床比降以及滑坡、崩塌的规模等特点,按照沟道的风险性,布设不同高度的拦挡坝19座对关家沟泥石流进行治理,拦挡坝建成后,主沟内补给泥石流的固体物质来源大幅减少,拦挡坝淤满后,减缓了沟床比降,削弱了水动力条件,控制了泥沙的侵蚀、搬运和冲刷能力,限制了泥石流的进一步发展。     

后头沟泥石流灾害及治理措施

通过对唐山市迁西县干柴峪村后头沟泥石流的形成条件,发育机制及特征的研究,探讨该沟泥石流的严重性和治理的必要性,提出以拦挡为主,结合排导沟的治理措施,在泥石流沟原有简易谷坊坝相邻处设计修建4处谷坊坝,并另修导流堤。     

泥石流流速横向分布特征与防治工程结构优化

以往研究表明,泥石流流速在沟道横断面上分布不均,但目前尚无理论依据,国内现行相关规范暂时建议在泥石流拦挡坝、排导槽等防治工程设计时,流速、荷载按均布考虑,这与实际的受荷情况有所差别,从而导致防治工程局部稳定性偏小,极易发生工程失效。为此,基于冲淤平衡原理、流体均质假设及沟道横断面形状的合理简化,结合雨洪修正法与形态断面法相关原理,演绎了沟道横断面任意位置流速计算公式的推导过程,并获取了泥石流流速的横向分布的非线性特征。通过四川省地震灾区理县甲司口沟泥石流防治工程的实例分析,发现横向上泥石流的中泓线流速与两侧流速相差达到300%。据此对拦砂坝进行了结构优化设计,在确保功能的前提下,提高了坝体稳定性系数约20%,节约了工程造价约5%。     

Comprehensive hazard assessment and protection of debris flows along Jinsha River close to the Wudongde dam site in China

The occurrence of debris flows close to a hydropower dam not only threatens human lives and structures, but also affects the stability of the dam. Therefore, hazard assessment and protection of debris flows close to the dam are particular and important. In this paper, 3 S (Geographic Information System, Global Positioning System, and Remote Sensing) technologies are applied to determine the characteristics of debris flows. Characteristics that can affect debris flow assessment are classified and extracted. Based on the determined characteristics, the extension theory, which is used for solving incompatibility and contradiction problems, is applied to hazard assessment. In this paper, the idea of self-protection is proposed for debris flow gully protection. The prevention procedures are detailed, including filling of lower reaches and design of drainage works.     

Variational Laws of Debris Flow Impact Force on the Check Dam Surface Based on Orthogonal Experiment Design

Debris flow impact force is an important factor for controlling structural damage, and it is the key factor for engineering design and risk assessment. Variation laws of debris flow impact force play an important role in preventing check dam impact damage and providing technology, data and support for check dam construction. Many influencing factors exist in debris flow impact force with different influencing magnitudes. The three main factors, i.e. the debris flow bulk density, the drainage channel slope and the upstream surface gradient of the check dam, were selected to be analyzed. The purpose of the study was to analyze the influencing degree of the three factors. Three levels were set for each factor and nine text schemes were established based on the theory of orthogonal experimental design. What is more, the related miniaturized flume experiment was carried out to measure impact force of debris flow. Finally, taking the impact force mean values of key point as the evaluation index, the flume experiment results were analyzed in detail by extreme difference analysis and variance analysis. Research results indicate: among the three factors, the drainage channel slope has the most significant influence, the upstream surface gradient of the check dam is in the second place and the debris flow slurry density is the third. The form of impact force mean with the maximum value: the drainage channel slope is 15°, the debris flow bulk density is 18.1 kN/m³ and the upstream surface gradient of the check dam is 1:0.     

新型悬挑式泥石流网格格栅坝及其应用

悬挑式网格格栅坝是从工程实践中在传统网格格栅坝的基础上演变而来的一种新型的格栅坝体类型,该种坝型继承了网格格栅坝的各种优点,并且通过悬挑格栅的独特设计,更具突出在非排导泥石流时对河流沟谷地的常态水流进行非拦截性排流,使河流沟谷内常态水流更为通畅,不会干扰河流沟谷的正常流通,是传统网格格栅坝的优化坝型,均适用刚性和柔性网格材料筑坝。目前国内还没有该种坝型的研究成果和相关技术资料,文章通过阐述其在以水流为主的稀性泥石流和挟带大量推移质的高含沙洪水的泥石流治理工程中的应用研究,得出该坝型的优缺点和相关技术成果,作为进一步工程实践和研究提供基础技术依据,从而进行悬挑式网格格栅坝在泥石流防治工作中的应用和推广。     

四川泸沽铁矿大顶山矿区泥石流及其防治

大顶山支沟为一典型矿山泥石流沟。其根本原因是由于人为开矿弃渣所造成。流域面积1．8km^2，支沟长2km，沟床平均纵比降38．5％。松散固体物质储量在700万m^3以上，一旦遭遇强暴雨，极易形成泥石流。50年一遇设计频率的泥石流流量为364m^3／s，100年一遇设计频率的泥石流流量为419m^3／s。拦砂坝设计高度20m，最大基础埋深8m，高出原沟床面12m，可拦挡松散固体物质32万m^3。在设计频率下发生的泥石流，拦砂坝可以有效拦挡，不会对盐井沟3号拦砂坝造成直接危害。大顶山支沟泥石流防治工程的日常维护需按设计书的要求进行。此外，建议在汛期加强巡查，人工爆破沟内直径大干1m的石块，禁止在沟内及山坡上，特别是排土场上乱挖滥采矿石，以免加速废石矿渣向下游输送运移。同时继续实行封山育林，努力恢复植被覆盖，增大排土场人工堆石坡的稳定性。     

Formation conditions of outburst debris flow triggered by overtopped natural dam failure

Natural dams formed by landslides may produce disastrous debris flows after dam outburst. However, studies on the critical conditions required for the formation of outburst debris flow resulting from natural dam failure are still at an early stage. In this paper, we present the results of a series of laboratory tests that assessed three different materials, five different flume bed slope angles (2°, 7°, 9°, 10°, and 13°), two in-flow rates, and four types of dam geometric shapes. The results showed that the unit weight of downstream fluid increased with increasing bed channel slope. Additionally, a critical flume bed angle was found for debris flow formation. Furthermore, the combination of lake volume and flume bed angle was found to influence the formation of debris flow. A nonlinear trend was observed between the unit weights of debris flow and the uniformity coefficients of solid material. Based on the theory of stream power, a critical condition for debris flow formation from natural dam failure was established. Based on two case studies, the results indicate that the condition that was established for debris flow formation following natural dam failure agrees well with reality.     

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。