川西北某泥石流沟发育特征及易发性评价

川西北某泥石流沟位于汶川“5.12”8级地震中心影响区域岷江河谷,该区域地质构造复杂,新构造运动强烈,强震频发,加之受岷江河谷深切,地形陡峻,出露地层以软质岩为主,沟道及两侧物源十分丰富,强降雨条件下易引发泥石流灾害。通过收集区域地质资料、遥感解译、现场地质勘察和力学计算等方法相结合,从地形、物源和水动力条件等方面,研究了该区域某泥石流沟的发育特征并开展易发性评价,提出了相应的工程防治对策。研究结果表明:(1)川西北某泥石流沟为暴雨崩滑沟谷型泥石流,泥石流沟流域面积20.8 km^(2),固体物质总储量约258.9×10^(4) m^(3),可能的动储量约64.5×10^(4) m^(3);(2)100年一遇的泥石流重度为1.74 t/m^(3),平均流速为5.12 m/s,最大峰值流量为535.4 m^(3)/s,泥石流最大冲起高度为1.34 m,预测100年一遇的泥石流淤积厚度为4.8 m,具有中度易发性风险;(3)针对工程区的泥石流发育特征及易发性程度,建议以桥梁工程形式并留足净空通过泥石流沟,提出了泥石流防治对策与建议。研究成果对川西北山区铁路勘察设计和施工建设具有一定借鉴价值。

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3843 kN,远大于无防护时纯泥石流浆体对桥墩冲击力1840 kN和有防护时的1452 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。

碎屑流冲击桥墩的最大冲击力影响因素试验研究

通过物理模型试验探究碎屑流对桥墩的冲击效应,研究碎屑流冲击距离、体量对桥墩最大冲击力的影响规律。试验再现了碎屑流起动加速、持续冲击、稳定堆积三阶段过程。试验结果表明:最大冲击力随冲击距离的增加呈指数函数负相关,随碎屑流体量的增加而呈指数函数正相关。对比冲击力试验值与半经验理论公式的预测值发现,基于流体动力学模型的理论公式能够较好地预测碎屑流冲击桥墩时的最大冲击力,理论公式预测值比试验值平均高18%,最大预测误差23%。研究结果可为山区桥梁碎屑流灾害防治提供参考。

考虑桥墩作用黏性泥石流淤埋特征试验研究

淤埋是泥石流破坏桥墩的主要方式之一,是影响桥墩安全的关键因素。为研究泥石流体容重、沟床坡度、黏性颗粒含量3个因素对桥墩影响下的黏性泥石流淤埋特征,通过水槽试验的方法研究了不同泥石流体容重、不同黏性颗粒含量、不同沟床坡度对泥石流流速和淤埋泥深的影响。对泥石流运动形态、淤埋过程和淤埋特征进行分析,结果表明:黏性泥石流在桥墩作用下随着泥石流容重的增加依次呈现出飞溅型、爬高型、平缓型3种运动形态,淤埋泥深随时间呈“先增大,后减小,最后稳定”的变化规律;泥石流黏性含量、容重与流速呈反比关系,流速与坡度呈正比关系,黏性泥石流容重的增加对泥石流动力的影响弱于对黏度的影响;黏性泥石流容重较低时,泥石流黏度对流速变化的影响弱于坡度对流速变化的影响,黏性泥石流容重较高时,泥石流黏度对流速变化的影响强于坡度对流速变化的影响;坡度较低时,高容重泥石流对坡度改变更敏感,坡度较高时,低容重泥石流对坡度改变更敏感;泥石流黏性含量、容重与淤埋泥深呈反比关系,淤埋泥深与坡度呈正比关系;泥石流流速与淤埋泥深为开口向下的二次函数关系,通过拟合得到二者之间的函数关系式,为估算桥墩影响下的泥石流流速提供科学依据。

基于重叠网格的桥墩防撞浮箱流场特性数值研究

为了揭示桥墩加装防撞浮箱后的水动力性能及流场特性,基于重叠网格方法,以典型的圆形自浮式浮箱-桥墩系统为例,采用雷诺应力(RSM)湍流模型,利用VOF方法捕捉自由液面,同时考虑浮箱升沉位移,建立了三维数值计算模型。通过与实验数据对比,验证了数值仿真方法的合理性和结果精确度;以重叠网格技术实现浮箱的升沉垂荡运动,研究了水流流速和水深变化对防撞浮箱的升沉垂荡、动力响应和流场特性的影响。研究结果表明:水流流速主要影响防撞浮箱的升沉位移值,而水深主要影响防撞浮箱的垂荡历程;防撞浮箱在3个方向上的力系数基本都是随水深的增加而下降,但较低流速时,力系数随水深的增加下降趋势较为平缓,纵向力系数随水深的增加先略微上升后再下降;防撞浮箱的垂荡与垂向力有关,较低流速下浮箱垂向力的变化周期随水深的增加而增大,较高流速下,防撞浮箱产生强烈的垂荡,周期变化规律完全消失。

泥石流堆积体隧道支护体系优化效果模拟分析

以国道318线林芝—拉萨段娘盖村隧道为工程背景,针对钢架锚喷网支护在泥石流堆积体隧道施工中存在的不足,提出了三条优化措施并建立完全对应的数值模型,对比分析各项优化措施的作用效果。结果表明:(1)三条优化措施对于控制拱顶沉降和周边收敛均是有效的,其作用效果由大到小依次为壁后注浆、锚杆优化和加密双层钢筋网;(2)壁后注浆容易导致仰拱部位隆起变形,应严格控制注浆量和注浆压力;(3)取消系统锚杆后锁脚锚杆轴力增大为原设计的110.3%,初期支护正、负弯矩分布更加均匀,结构受力更加有利;(4)采取双层加密钢筋网后支护弯矩增大为原设计的1.63倍;(5)壁后注浆使得洞室周边更大范围的围岩参与共同承载,支护弯矩和锚杆轴力减小为原设计的67.6%和79%。研究结果可为隧道穿越泥石流堆积区支护方法的选择提供借鉴。

超高墩斜拉桥地震反应分析及抗震措施研究

为研究超高墩斜拉桥地震反应,以墩高184.6m高墩双塔斜拉桥为研究对象,建立全桥动力有限元模型,分析结构的动力特性,研究超高墩斜拉桥在两种设防水准下的抗震性能,并根据结构动力响应对墩、塔及桩基截面进行验算,提出了适用于该桥型的合理有效的抗震措施。

川西高原山区公路典型灾害原因分析及防灾措施

为了研究高原山区公路沿线典型地质灾害的致灾原因,以2016年—2020年四川省甘孜、阿坝、凉山等高原山区公路典型灾害为研究对象,对比分析了不同灾害与公路断道的关系,得出了该地区典型灾害发生频率由高至低为洪水水毁、崩塌、泥石流、滑坡,断道风险由高至低为泥石流、崩塌、滑坡、洪水水毁的结论,并揭示了高原山区地形地貌高原山区地形地貌、地质、地震及次生地质灾害提供的物源条件与降雨耦合是诱发公路典型灾害的主因,且断道多发生在雨季5月—9月,灾害频繁爆发时段较雨季延迟。基于此分析,从灾害防治、防治管理及监测预警等方面提出了高原山区公路防灾措施。

泥石流灾害下峨祁公路桥梁重建方案分析

以峨祁公路深水槽大桥为例,采用全过程分析方法对桥梁在泥石流灾害下破坏原因、灾后恢复重建方案以及建设过程进行分析。结果表明:桥梁在泥石流宜发生区域规划设计时,桥梁泄洪能力一定要满足;在路线方案研究时,尽量避免在泥石流堆积区穿越;对于灾后原桥位重建工程,设计人员需要进行多方案比较,在工程安全性满足的前提下,择优选择建设方案以达到预期效果;公路管理养护部门需重视泥石流易发生区域桥涵构造物的日常清淤、养护,以提高桥梁结构耐久性。

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。

泡沫铝夹芯板加固山区跨泥石流桥墩抗冲结构优化研究

在山区跨泥石流桥墩外表面覆盖一层缓冲防护结构可有效减小泥石流冲击危害,达到保护桥墩的目的。为此,将泡沫铝作为一种耗能缓冲材料引入桥墩抗泥石流冲击领域,并将其与钢板组合为复合夹芯结构,采用静力压载试验对五种不同结构形式夹芯板的力学性能进行分析。结果表明:泡沫铝夹芯结构在进入屈服强度后有宽而平的耗能缓冲应力平台,可吸收大量的冲击能量;对比五种夹芯结构的耗能性能,确定未加入竖向钢板的双层泡沫铝夹芯结构为最优化的结构形式。在此基础上开展优化结构在跨泥石流桥墩上的示范应用,工程应用效果显著。

泥石流冲击桥墩绕流过程模拟与试验分析

泥石流与桥墩动力相互作用包括泥石流对桥墩的冲击淤埋作用及桥墩对泥石流运动过程的反向影响,其中涉及复杂的流固耦合,是学术界关注的热点问题。为研究泥石流绕流桥墩过程,在纳维斯托克斯方程的基础上结合深度平均理论,考虑泥石流固液两相的特点,构建了泥石流-桥墩流固耦合物理模型,并基于有限体积法建立时间和空间尺度上具有2阶精度的高效数值算法,实现了泥石流绕桥墩运动全程模拟,与室内试验成果进行了对比验证。结果表明:不同粘度的泥石流冲击桥墩绕流过程有显著不同,相同初始条件下粘性泥石流堆积厚度较大,运动速度较小,堆积范围较小;反之,稀性泥石流堆积厚度较小,运动速度较大,堆积范围也较大。数值模拟结果与室内模型试验非常接近,验证了物理模型的适用性。

烧房沟滑坡型泥石流工程治理及效果分析

国内对泥石流治理措施谷坊坝、格栅坝的作用和效果研究较多,而对滑坡型泥石流的综合治理措施和效果研究较少。2010.8.14强降雨过程导致汶川震区映秀镇烧房沟滑坡型泥石流暴发,通过分析其运动过程和现状沟道特征,结合滑坡堵点和沟道深切的特点,治理工程采用"防堵防切"综合工程结构形式:"上游谷防群+中游抗滑桩、挡土板和肋板护脚护底+下游3座格栅坝+渡槽明洞跨越G213",并分析各分项工程作用:"减弱龙头动能"+控制LS01堵点、保护"鞋尖"+"拦粗放细"、"顺畅排导"。最后利用"2010.8.14"与"2013.7.10"的历史降雨量和固体参与量对比、工程治理前后动储量对比和各分项工程治理前后的沟道特点对比,验证了烧房沟滑坡型泥石流综合治理工程的效果良好。为今后震区滑坡型泥石流工程防治提供参考。

泥石流危害桥隧工程易损性评价

为将泥石流灾害损失评价由宏观价值评判提升至可为工程服务,曾提出了基于结构损毁程度评判的工程易损性概念。然而,诸如桥隧工程在遭受泥石流危害时,仅靠结构损毁程度无法正确判定实际灾情,会导致对功能完全损失而结构受损较轻的受灾工况"轻"判、功能尚可而结构损毁较重的受灾工况"重"判。鉴于此,在原有结构损毁程度评判的基础上,通过增加承灾特征、线路规格、恢复成本等桥隧工程使用功能的影响因素,形成了既关注"结构损毁",又重视"功能损失"的泥石流危害桥隧工程易损性评价方法。实例分析表明,该方法克服了单一结构评判的不足,与现场灾情更为相符。这丰富并发展了工程易损性评价的内涵,使评价结果更为全面、合理,对正确预判或验证桥隧工程遭受泥石流危害受灾情况,合理妥善地准备或及时准确地启动应急预案,具有重要意义。

泥石流冲击桥梁2019年度研究进展

随着中国经济建设的发展,山区公路、铁路桥梁越来越多,其中有很大一部分位于不良地质区。泥石流灾害及其诱发的次生灾害是山区桥梁主要灾害之一,即将开建的川藏铁路桥梁工程也面临泥石流的威胁。当前,对泥石流冲击桥梁结构方面的研究相对较少,为促进对该方向更加深入的研究,综述了近两年关于泥石流冲击桥梁研究的新进展,从研究方法、泥石流冲击力以及桥梁防灾3个方面进行回顾总结。研究发现,在泥石流冲击桥梁研究方面,应跨学科联合研究,对多个泥石流损坏桥梁的案例进行研究,结合试验和数值模拟制定简化的泥石流冲击桥梁结构的荷载分布形式,并进一步研究大块石对桥梁结构的作用,加强对泥石流中块石冲击作用的研究。

高速铁路高墩极值温度变形研究

为研究极值温度作用模式下高墩-梁轨体系的温度变形,需要获得混凝土高墩在日照作用下产生极值温度分布规律。基于昌赣铁路客运专线某高墩桥梁一年的温度监测数据,采用广义帕累托模型和时间序列加法模型分别对高墩100年重现期的极值温差分量和均匀温度分量进行了估计,并采用负指数函数对沿壁厚方向的温差进行拟合,获得了高墩极值温度组合。然后,采用热-力耦合的三维有限元模型计算了极值温度组合下的温度变形。结果表明:桥墩的地理位置东西侧温差为23.62℃,南北侧温差为6.91℃,且沿壁厚方向满足负指数函数分布时,为温度作用最不利情况;年均匀温度方程可获得每日均匀温度取值,并得到100年重现期内最大均匀温度可达51.2℃,最低为-9.8℃;通过极值温差和均匀温度分量的组合,可计算高墩在极值温度作用下的温度变形,为高速铁路桥梁设计和运营期内温度变形计算提供参考。

基于流固耦合理论的泥石流冲击桥墩的动力响应分析

以双柱式桥墩结构为研究对象,基于流固耦合分析理论,采用ANSYS+CFX建了泥石流与双柱式桥墩的耦合分析模型,分析了在不同泥石流速度冲击时桥墩的响应情况。分析结果表明:该方法可以很好地模拟泥石流从进口到墩位处再到出口过程中整个流场的发展和分布情况;在泥石流冲击作用下,墩柱底部承受较大的横向冲击力,导致桥墩根部出现较大的负弯矩、拉应力和压应力,其值均随速度的增加而增大;上游立柱冲击力大于下游立柱的冲击力,而且进口流速越大其遮流作用也越大;由于双柱式桥墩结构横向刚度大,泥石流冲击产生的墩顶横向位移却很小;泥石流中的块石对桥墩的冲击影响较大,不可忽视。研究结果对双柱式桥墩预防泥石流冲击具有一定的参考价值。

低速风洞引射短舱动力模拟技术新进展

引射短舱可以模拟发动机短舱的喷流影响,并部分模拟进气影响,能用于研究发动机短舱与机翼及增升装置的气动干扰特性,且具有研制周期短、造价低等特点,是在风洞中开展飞机/发动机一体化设计研究的一种重要试验技术。本文介绍了气动中心低速所在引射短舱设计技术和试验技术方面的新进展。采用商业软件对引射短舱进行了三维流场数值模拟,获得了引射短舱性能和三维流场信息。对引射短舱内部流场进行了分析和研究,对引射喷嘴数量、位置进行了优化,增加了引射短舱的进气流量,改善了尾喷口流场均匀度,明显提高了引射短舱性能。发展了空气桥技术,采用有限元方法进行了优化设计,对空气桥和天平进行一体化设计,并进一步发展了空气桥影响修正技术,解决了供气管路对天平测力的影响问题。发展了高精度流量测量控制技术,采用了数字阀、流量控制单元、短舱内部测量耙等技术,提高了流量的控制测量精度及测量不确定度,流量控制精度达到了0.1%,流量测量不确定度达到了0.3%,引射短舱落压比控制精度优于0.01。研制了短舱移动支撑装置,能够实现引射短舱的独立支撑,并实现短舱前后和上下位置的变化,用于开展短舱位置优化研究。最后,介绍了引射短舱的地面性能测试及风洞试验应用,给出了性能测试与数值模拟的对比结果和典型的风洞试验结果,试验结果表明动力影响使得飞机0°迎角升力减小,升力线斜率增大,失速迎角推迟。

高墩桥梁地震响应分析研究

汶川地震震害结果表明,在我国西部山区普遍存在的高墩桥梁震害严重,不少高墩桥梁在高于设防烈度的大震作用下出现了上部结构落梁、桥墩倒塌或压溃等严重破坏,直接影响到抗震救灾工作的顺利开展.因此,应对其抗震设计提出更高要求.通过对一座高墩三跨连续箱梁桥的地震响应进行数值模拟计算,分析了高墩桥梁的地震响应特点,提出了高墩桥梁在大震作用下应采取防止落梁及墩柱压溃破坏的构造措施.

扎墨公路泥石流灾害特征及防治措施研究

西藏扎墨公路沿线地势陡峭、降水充沛、岩体破碎,造成沿线泥石流频发,公路结构损毁严重,对公路交通安全和区域经济发展造成严重影响。对扎墨公路沿线泥石流等地质灾害开展调查研究,得到了沿线泥石流的分布规律;公路泥石流密度平均为0.69处/km,泥石流分布密度和危害程度最大的是中段,从中段向公路的南端和北端逐渐减小,降水对泥石流密度和强度影响明显。通过对比及结合扎墨公路新改建工程的实际情况,推荐了单排抗滑桩或桩板墙方案作为滑坡防治方案。