高海拔地区宽级配泥石流冲击拦砂坝试验研究

在高海拔地区,由于山高谷深,坡表物质受物理风化严重,物源级配宽度范围大,泥石流的发育频率高,冲击力大,导致拦砂坝损毁严重。为研究高海拔地区宽级配泥石流对拦砂坝的冲击规律,以西藏地区发育的泥石流为原型,建立宽级配泥石流冲击拦砂坝的物理试验模型,选取泥石流容重、水槽坡度与泥石流固相最大粒径为变量,进行27组水槽试验,研究冲击力特征。结果表明:(1)宽级配泥石流在冲击拦砂坝过程中经历“冲击爬高、旋滚回流、堆积回淤”3个接触演化阶段,泥石流容重越小,爬高越大,冲淤过程的阶段性表现越明显;(2)拦砂坝的坝前冲击力随宽级配泥石流容重的增大而减小,在相同坡度和级配的条件下,容重越大,水流携带固体物源运动越困难,泥石流流速降低,泥石流的冲击力减小;(3)拦砂坝的坝前冲击力随沟槽坡度增大而增大,沟槽坡度越大,宽级配泥石流的流速和流深越大,泥石流冲击力就越大,并且泥石流固相粒径越大,坡度对冲击力的影响效果越明显;(4)拦砂坝的坝前冲击力随宽级配泥石流固相最大粒径增大而增大,且变化趋势较泥石流容重及沟槽坡度条件改变时更加显著,最大粒径与泥石流流速、流深没有明显规律关系。研究成果将为宽级配泥石流防治和研究提供一定的数据参考。

小流域拦砂坝上下游冲淤特征调查分析

极端降水诱发的泥石流具有规模大、沿程侵蚀严重、淤埋范围大等特点,需要在小流域内修建梯级拦砂坝工程进行调控。在汶川地震影响区域内选取33条典型泥石流沟道进行调查,获取了105座拦砂坝特征参数以及梯级拦砂坝作用下的沟道冲淤形态变化,总结了拦砂坝的类型及判别方式,提出了实体坝与透过性坝的4种坝型组合模式、梯级坝的坝间距下2种回淤模式。进一步分析了梯级坝的特征模式(坝型组合模式、回淤模式)对沟道的冲淤形态(回淤坡降折减系数、冲刷深度相对系数)的影响。结果表明实体坝与透过性坝的组合模式(SO、OS模式)对沟道回淤形态影响明显,两种回淤模式中的互馈式运行模式对淤积形态影响显著,回淤相互不影响的独立运行模式下的冲刷作用更强烈。研究结果可为小流域内梯级坝的坝型选择、坝间距优化提供参考。

透过型泥石流拦砂坝工程减灾效果分析

为了更好地理解透过型坝的减灾表现,通过对岷江上游、安宁河流域已建的透过型坝开展无人机航测、泥石流取样、室内分析测试等工作,将坝体开口形式分为横向开口、竖向开口、方形开口和混合开口4种类型,研究结果表明:区内透过型坝结构主要以方形开口为主,拦砂坝满库和半库工况占比分别为33.65%和40.38%;回淤纵坡经验值S dep=(0.31~0.83)S init,整体都表现出较好的回淤缓坡效果;在调控方面,透过型坝表现出一定的拦粗排细特征,但由于坝体开口较小,其对粒径的分选效果并不显著;透过型坝减灾中存在坝(群)开口参数设计不合理、坝体结构整体性较差、过流结构的磨蚀破坏、坝下游冲刷侵蚀和基础淘蚀破坏以及库内人工清淤不当等问题。研究成果完善了透过型坝的结构分类,加深了对其功能性的认识和理解,明确了工程实践中的问题与不足,可为工程优化设计提供技术支撑。

基于原位模型的泥石流冲击下拦砂坝动力响应研究

以某条泥石流沟为原型,建立了泥石流与拦砂坝的三维计算模型,开展了泥石流与拦砂坝三维模型的流固耦合研究,选取最大Mises等效应力及最大位移作为评价指标,得到了泥石流体仅会对拦砂坝迎流面一定深度范围产生较大影响,超出此范围影响较小,并给出最大Mises等效应力及最大位移沿拦砂坝竖向及横向分布规律:坝趾及坝踵节点最大Mises等效应力均与泥石流重度呈正相关;当进口泥深相同时,坝趾及坝踵节点的最大Mises等效应力与泥石流流速呈正相关;当进口单位时间流量相同时,坝趾及坝踵节点的最大Mises等效应力与进口泥深呈正相关。坝趾节点最大Mises等效应力随着时间的推移呈现先增加后基本保持不变;而坝踵节点最大Mises等效应力随着时间的推移呈现先增加出现峰值以后再减小。

组合式格栅装置解决泥石流重力式拦砂坝的淤积问题

重力式拦砂坝因坝后淤积、库容不足,泥石流拦蓄作用失效,后续翻坝泥石流坠砸下游坝基,是拦砂坝损毁的主要成因之一。采用工程措施清淤调库,提高拦砂坝淤积满库后的可持续利用,是泥石流防治工程设计中面临的实际问题。本文通过理论分析、模型实验等研究方式分析了重力式拦砂坝的满库状态,设计了鱼脊型格栅装置或组合格栅装置,构建新型拦砂坝体系,研究了泥石流的调控效果。结果表明:(1)重力式拦砂坝库容内的泥沙堆积体形成的缓坡段与组合式格栅装置共同作用可实现对泥石流的调控;在小流量的水石流情况下缓坡段的自然分选作用明显,而在流量较大的稀性泥石流条件下组合格栅的拦粗排细作用效果显著;(2)组合格栅的拦粗排细率与其作用的泥石流固体物质颗粒级配参数fc′呈先增大后减小的抛物线关系;在水石流和泥石流条件下,fc′分别达到41.5%和36.9%时,拦粗排细率达到最大,即组合格栅的拦粗排细效果最优;(3)新型拦砂坝体系对泥石流泥沙总分离率与粗颗粒分离率均与形成泥石流的固体物质颗粒级配参数fc呈正比关系;泥石流初始容重越大,调控后容重减小越明显。本研究为继续发挥满库后的重力式拦砂坝的泥石流调控作用提供了方案,具有重要的工程实践意义。

重力式拦砂坝在泥石流治理中的应用

泥石流是一种特定的(存在区域性)自然灾害,随时可能造成人民群众的生命及财产的安全,现在针对泥石流的治理越来越迫切,预防为主,能尽早治理的要尽早行动,本文将根据茶垭乡二村泥石流成因分析及设计经验,浅谈一下重力式拦砂坝在泥石流治理过程中的应用。

泥石流拦砂坝溢流口过流能力实验研究

拦砂坝溢流口过流能力的大小是工程设计中的关键参数之一,也是影响坝体安全的重要设计参数。结合泥石流过流特点,分析推导了拦砂坝溢流口过流能力的参数计算式;在此基础上,通过水槽实验建立了流量系数的经验公式。水槽实验表明,溢流口过流能力随泥石流密度的增大而减小,随沟道坡度的增大而增大,随相对沟道宽度的增大而增大,溢流口位置与沟道中心相对者大,溢流口位置与沟道中心偏离者小。与现有计算方法相比,所提通过理论推导和水槽实验建立起的拦砂坝溢流口过流能力参数计算式,计算结果更为精确可靠,可用于泥石流拦砂坝溢流口设计时的过流能力验算。

泥石流拦砂坝底扬压力分布及影响因素试验

泥石流拦砂坝底的扬压力会抵消坝体的部分有效荷重,影响其抗倾覆稳定性。为了研究拦砂坝底扬压力的分布规律及其影响因素,设计制作了拦砂坝模型和扬压力采集系统,开展了不同沟床坡度和不同坝前堆积条件下的扬压力模拟试验。试验结果表明,扬压力自坝踵至坝趾不断减小,且与渗流距离呈线性关系,当坝前有堆积物时相关系数绝对值达到0.98以上;沟床坡度明显影响坝底扬压力的分布。随着沟床坡度的增加,扬压力不断减小,且对坝踵处扬压力的影响较坝趾处更大;坝底和坝前堆积物的渗透性对扬压力的影响也很显著,它们的渗透性越差,扬压力就越小;坝前堆积物的渗透性还显著影响扬压力的分布规律,渗透性越差,其分布规律性就越强。研究成果为深入研究泥石流拦砂坝底扬压力的作用过程和作用机制奠定了基础。

非透过性泥石流拦砂坝研究现状及展望

由于泥石流动力过程的复杂性和理论研究的不完善,拦砂坝防治工程中关键参数计算与拦砂坝结构设计仍然存在诸多不足。首先,简要介绍了拦砂坝工程防治的发展历程及其重要作用。然后,从溢流口过流能力计算、坝体所受泥石流冲击力、坝后冲刷深度与基础埋深以及坝体结构稳定性4个方面详细评述了非透过性泥石流拦砂坝研究取得的主要成果及存在的问题。最后,从设计参数计算方法、新型拦砂坝结构、新型抗冲耐磨材料的研发与应用以及拦砂坝防治体系建设等方面探讨了非透过性泥石流拦砂坝研究的发展趋势。

山洪中漂木在拦砂坝前堵塞堆积实验

山洪和泥石流中夹带的漂木在拦砂坝开口处易造成严重堵塞,使坝体对后续流体的分选效果减弱或失效,甚至进一步威胁坝体安全,因此探讨漂木在拦砂坝前的堵塞堆积规律和影响因素对于工程结构设计具有重要意义。考虑漂木长度L、溢流口开口宽度b、漂木量Vw及流体流量V等因素对漂木形成堵塞的影响,通过实验研究了山洪中漂木在拦砂坝前堵塞堆积规律。实验发现漂木在拦砂坝溢流口的堵塞堆积形态主要有三种:溢流口搭桥型,交错咬合型,坝前停积型。漂木堵塞率在L/b<1时基本保持不变,在1<L/b<3时,随着L/b增大先增大后减小,在L/b=2左右达到最大;漂木拦截率在L/b<2呈线性增大,在2<L/b<3保持基本稳定。漂木大量堵塞在溢流口或滞留在库容区中后部都能形成较高的漂木拦截率。漂木体积含量Vw/V在L/b<1时对漂木堵塞率和拦截率基本无影响,在1<L/b<3时,对漂木堵塞率和拦截率的影响呈增大趋势,随着L/b的增大,增大趋势越明显,在L/b=2时基本呈线性增长。

束流型拦砂坝溢流口及其关键参数确定

为进一步优化拦砂坝溢流口体型,确定溢流口几何参数取值,通过物理模拟实验研究了不同拦砂坝溢流口体型条件下泥石流过坝的流态、坝后冲刷深度、消能率变化规律,并根据拦砂坝埋深设计标准与松散体水下临界平衡关系,探讨了溢流口收缩率的合理取值范围,结果表明：采用斜面或者大倾角的反弧型溢流口时,坝后泥石流落点与坝脚的距离近、冲刷深度大,而采用无倾角的反弧型溢流面时,不仅可以在一定程度上减小冲刷深度,而且大大增加了坝后泥石流落点与坝脚的距离;在泥石流规模与溢流面曲率半径相同情况下,适当增大侧向收缩率,有利于增强泥石流体与坝后动床之间的相互作用,提高泥石流通过坝后冲刷坑的消能率;当溢流口收缩率在0.2～0.6之间时,冲刷深度满足设计要求,且泥石流跌落点距坝脚较远,冲刷坑发展不会危及坝体安全。

泥石流拦砂坝坝前沉积与坝基扬压力实验研究

泥石流在坝前堆积固结的过程发生泥石流浆体中固体颗粒沉降和孔隙水压力消散,它直接影响了坝基扬压力大小和变化,对坝体稳定性造成影响。本文通过自制实验模型装置模拟不同密度泥石流作用在坝前的沉积渗透过程,观测不同密度泥石流坝前沉积特征和浆体细颗粒沉降速率,并通过水压传感器测得坝前沉积底部孔隙水压力和坝基扬压力随沉积时间的变化过程,最后结合不同密度泥石流沉积特征分析了泥石流沉积过程对扬压力衰减过程的影响。研究结果表明:稀性泥石流沉积过程中具有明显的颗粒分选性,且浆体细颗粒沉降速率与泥石流密度表现出线性负相关性;泥石流沉积底部孔隙水压力随沉积时间呈指数衰减趋势,拟合指数函数系数与上部浆体细颗粒沉降速率满足线性正相关性;沉积过程中坝基扬压力与坝前沉积底部孔隙水压力具有相同的对数衰减趋势,两者呈线性正相关性。本研究着眼于拦砂坝扬压力产生机制,研究了泥石流坝前颗粒沉积和水力扩散过程对坝基扬压力变化过程的影响,为拦砂坝扬压力计算提供了新的视角,具有一定的工程和理论意义。

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。

复合型拦砂坝受泥石流大块石冲击作用的动力响应

针对泥石流发生时,大块石对拦砂坝的撞击作用往往是拦砂坝发生破坏的主要原因,提出了一种新型拦砂坝——复合型拦砂坝。以充分耗散大块石撞击坝体时产生的大量能量为目的,在坝体迎水面采用堆积粗砂土体和铺塑料泡沫板2种措施。借助ABAQUS有限元计算软件,模拟计算了大块石不同冲击速度下,复合型拦砂坝及普通混凝土拦砂坝坝体对大块石冲击作用的动力响应,得到复合型拦砂坝坝体-大块石体系动能的动态演化规律及拦砂坝表面所受冲击力时间历程曲线,同时与混凝土重力拦砂坝进行比较。计算结果表明:在拦砂坝坝前堆积土体和铺塑料泡沫板可以延长大块石与拦砂坝冲击时间,减小拦砂坝接触面所受的冲击力。

黏性泥石流浆体对拦砂坝冲击规律研究

泥石流冲击力是拦砂坝发生冲击破坏的主要原因,研究泥石流对拦砂坝的冲击力,可为防止拦砂坝发生冲击破坏及拦砂坝结构优化设计提供数据和技术支撑。影响泥石流冲击力的因素众多且各因素影响程度不同,选取泥石流浆体容重、排导槽坡度、排导槽进口泥深3个主要因素进行了敏感性分析;分别对3个因素设立3个水平,运用正交试验设计原理,确立9组试验方案,分别进行数值模拟,以关键点泥石流最大冲击力为评价指标,基于试验结果,运用极差分析和方差分析对以上因素进行了分析;对泥石流浆体及块石冲击作用下拦砂坝的动力响应进行了相关数值模拟。结果表明:排导槽坡度为影响冲击力大小最显著的因素,其次为排导槽进口泥深、泥石流容重;泥石流浆体会对整个坝体产生冲击作用,而块石仅对坝体局部产生影响。

泥石流拦砂坝抗滑稳定性与剖面参数的关系

为了揭示泥石流重力式拦砂坝各剖面参数的变化对坝体稳定的影响规律,利用坝体抗滑稳定计算基本公式,在对不同性质泥石流(稀性泥石流和黏性泥石流)的两种荷载条件下(空库和满库)拦砂坝稳定性计算分析的基础上,推导出泥石流重力式拦砂坝的剖面参数与抗滑稳定系数的关系式。结果表明:当冲击力足够大时,抗滑稳定系数与拦砂坝高度和迎水面坝面坡度均呈正比,且抗滑稳定系数对迎水面坝面坡度更加敏感;其他受力状态时,抗滑稳定系数与迎水面的坝面坡度成正比,与拦砂坝高度成反比。基于推出的计算公式,提出了坝体剖面参数拟定的新方法,对坝体剖面进行优化。

切口拦砂坝的单向流固耦合数值模拟研究

运用流固耦合理论对黏性泥石流冲击切口拦砂坝坝体进行模拟。实现了从三维模型建立、流场计算到结构分析全过程。将泥石流流体计算结果传递至结构域实现坝体的分析,为解决泥石流防治工程提供理论参考。结果表明:整个泥石流流域内部流速呈现底部小顶部大的趋势,拦砂坝坝体的左右肩的变形和应力均为最大,比较坝体Mises应力云图可知,在泥石流冲击作用下的坝体与沟道接合处以上部分的应力最大。

忠武输气管道榔坪河谷拦砂坝的优化设计

本文通过对忠武输气管道榔坪河谷山洪灾害特征及已建拦砂坝损毁原因的分析,对拦砂坝进行了合理的优化设计及稳定性分析,该研究可为拦砂坝的设计及类似灾害防治提供理论依据。

边坡拦砂坝动力反应计算实例

位于露天采矿场边坡水龙山—杨桃坞的拦砂坝是一种轻型钢筋混凝土结构坝,考虑到采矿生产经常爆破产生的动力荷载对坝的作用,将坝简化为单自由度体系作结构动力分析,借助于辛普森公式对坝的动力反应进行数值计算,得出动力反应位移和弹性恢复力的近似基本参数,为该坝的结构设计和在正常使用阶段考察其耐久性提供了重要依据。

白龙江中游泥石流拦砂坝防治效果分析

为研究白龙江中游地区泥石流拦砂坝的防治效果,通过野外调查和实验分析,对该地区泥石流拦砂坝的运行现状以及拦砂坝对泥石流的调控效果进行了分析。结果表明:①该地区部分泥石流沟泥石流防治情况严峻,多条泥石流沟存在拦蓄库容不足、拦砂坝坝体破坏严重等问题;②通过对该地区拦砂坝上游泥石流回淤坡度的调查,拦砂坝有较好的回淤缓坡功能,并建立起该地区泥石流回淤坡度的经验公式,即I=(0.4~0.85)I0;③通过对泥石流堆积物的颗粒组成进行实验分析,建立泥石流堆积物的平均粒径比、计算重度比来表征拦砂坝对泥石流的调控效果,拦砂坝对泥石流有较好的分选效果,但其拦排临界粒径尚难以准确确定,且其对泥石流堆积物的重度调节作用并不显著。最后,结合该地区拦砂坝出现的一些工程问题,提出了一些防治建议。研究成果可为该地区泥石流治理工程的修建提供一定的参考。