泥石流作用下鋼-混凝土組合式新型攔擋壩動(dòng)力性能分析及試驗(yàn)研究.pdf

1、泥石流是斜坡上或溝谷中含有大量泥、砂、石的固液兩相流，其常常暴發(fā)突然并具有流速快、流量大、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)，是不良地質(zhì)山區(qū)常見的一種自然地質(zhì)現(xiàn)象。隨著山地環(huán)境退化、地表結(jié)構(gòu)惡變、生態(tài)平衡失調(diào)，再加之人類活動(dòng)的負(fù)面影響，全球范圍內(nèi)的泥石流災(zāi)害頻繁發(fā)生，給當(dāng)?shù)厝罕姷纳?cái)產(chǎn)及區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害。本文依托于國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目課題—白龍江流域滑坡泥石流工程防治技術(shù)研究與示范（2011BAK12B07），提出了兩種防治理念截然不同的鋼

2、-混凝土組合式新型攔擋壩，并對(duì)其在泥石流作用下的動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，為實(shí)際工程提供了技術(shù)支撐，完成的具體工作和取得的主要成果如下：
　　（1）對(duì)泥石流災(zāi)害防治工程中廣泛應(yīng)用的重力式攔擋壩作出了改進(jìn)，提出了兩種新型攔擋壩，其中一種壩體的前部為混凝土實(shí)體而后部設(shè)置鋼支撐體系，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，另一種壩體的后部為混凝土實(shí)體而前部設(shè)置耗能元件，以耗散沖擊能量。
　　（2）基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論和流固耦合分析方法，將

3、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX與結(jié)構(gòu)靜力分析模塊Static Structural相結(jié)合，對(duì)重力式攔擋壩與帶有鋼支撐體系的新型攔擋壩進(jìn)行了泥石流漿體空庫(kù)過流動(dòng)壓力作用下的單向流固耦合對(duì)比分析，得到了流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定后的泥石流漿體總壓力分布，并對(duì)攔擋壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中荷載工況的選取提出了一點(diǎn)建議，同時(shí)在結(jié)構(gòu)分析中引入了水利水電工程拱壩體型設(shè)計(jì)中的柔度系數(shù)作為一項(xiàng)重要參數(shù)，進(jìn)而給出了該新型攔擋壩的結(jié)構(gòu)方案及其適用條件。
　?。?）應(yīng)用顯式動(dòng)力學(xué)計(jì)算程

4、序ANSYS/LS-DYNA對(duì)重力式攔擋壩與帶有鋼支撐體系的新型攔擋壩在固體沖擊下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了混凝土實(shí)體厚度、支撐間距和沖擊高度三個(gè)方面的參數(shù)數(shù)值模擬及對(duì)比分析，同時(shí)，根據(jù)數(shù)值模擬研究成果，設(shè)計(jì)并實(shí)施了相應(yīng)的固體沖擊模型試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象、動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程及動(dòng)力響應(yīng)峰值的對(duì)比分析，驗(yàn)證了該新型攔擋壩的優(yōu)越性能。此外，比較了固體沖擊物最大沖擊力的試驗(yàn)推算值與某理論公式計(jì)算值，證實(shí)了該公式的正確性，從而為攔擋壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中泥石流大塊石沖擊力

5、這一重要參量的量化計(jì)算指明了可靠方法。
　?。?）選取考慮了材料損傷和應(yīng)變率效應(yīng)的混凝土HJC（Holmquist-Johnson-Cook）動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型作為攔擋壩混凝土實(shí)體材料的本構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA程序?qū)χ亓κ綌r擋壩與帶有鋼支撐體系的新型攔擋壩抗固體沖擊模型試驗(yàn)的典型工況進(jìn)行了數(shù)值模擬和對(duì)比分析，一方面進(jìn)一步支持了試驗(yàn)結(jié)論，另一方面試驗(yàn)驗(yàn)證了該本構(gòu)模型的可靠性及其各項(xiàng)參數(shù)取值的正確性。此外，就實(shí)測(cè)

6、結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果之間的誤差作出了分析和解釋，從中獲得了一些實(shí)用經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了相關(guān)試驗(yàn)工作的更加完善。
　　（5）應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA程序?qū)χ亓κ綌r擋壩與帶有耗能元件的新型攔擋壩在固體沖擊下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了沖擊物質(zhì)量、沖擊物速度、沖擊高度和彈簧剛度四個(gè)方面的參數(shù)數(shù)值模擬及對(duì)比分析，同時(shí)，根據(jù)數(shù)值模擬研究成果，設(shè)計(jì)并實(shí)施了相應(yīng)的固體沖擊模型試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象、動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程及動(dòng)力響應(yīng)峰值的對(duì)比分析，驗(yàn)證了該新型攔擋壩的優(yōu)越性