泥石流作用下钢-混凝土组合式新型拦挡坝动力性能分析及试验研究

摘要

泥石流是斜坡上或沟谷中含有大量泥、砂、石的固液两相流，其常常暴发突然并具有流速快、流量大、破坏力强等特点，是不良地质山区常见的一种自然地质现象。随着山地环境退化、地表结构恶变、生态平衡失调，再加之人类活动的负面影响，全球范围内的泥石流灾害频繁发生，给当地群众的生命财产及区域生态环境造成了严重危害。本文依托于国家科技支撑计划重点项目课题—白龙江流域滑坡泥石流工程防治技术研究与示范（2011BAK12B07），提出了两种防治理念截然不同的钢-混凝土组合式新型拦挡坝，并对其在泥石流作用下的动力性能进行了数值模拟和试验研究，为实际工程提供了技术支撑，完成的具体工作和取得的主要成果如下：
　　（1）对泥石流灾害防治工程中广泛应用的重力式拦挡坝作出了改进，提出了两种新型拦挡坝，其中一种坝体的前部为混凝土实体而后部设置钢支撑体系，以增强结构的整体刚度，另一种坝体的后部为混凝土实体而前部设置耗能元件，以耗散冲击能量。
　　（2）基于计算流体动力学理论和流固耦合分析方法，将计算流体动力学软件CFX与结构静力分析模块Static Structural相结合，对重力式拦挡坝与带有钢支撑体系的新型拦挡坝进行了泥石流浆体空库过流动压力作用下的单向流固耦合对比分析，得到了流动状态稳定后的泥石流浆体总压力分布，并对拦挡坝结构设计中荷载工况的选取提出了一点建议，同时在结构分析中引入了水利水电工程拱坝体型设计中的柔度系数作为一项重要参数，进而给出了该新型拦挡坝的结构方案及其适用条件。
　　（3）应用显式动力学计算程序ANSYS/LS-DYNA对重力式拦挡坝与带有钢支撑体系的新型拦挡坝在固体冲击下的动力响应进行了混凝土实体厚度、支撑间距和冲击高度三个方面的参数数值模拟及对比分析，同时，根据数值模拟研究成果，设计并实施了相应的固体冲击模型试验，通过对试验现象、动力响应时程及动力响应峰值的对比分析，验证了该新型拦挡坝的优越性能。此外，比较了固体冲击物最大冲击力的试验推算值与某理论公式计算值，证实了该公式的正确性，从而为拦挡坝结构设计中泥石流大块石冲击力这一重要参量的量化计算指明了可靠方法。
　　（4）选取考虑了材料损伤和应变率效应的混凝土HJC（Holmquist-Johnson-Cook）动态本构模型作为拦挡坝混凝土实体材料的本构模型，在此基础上，应用ANSYS/LS-DYNA程序对重力式拦挡坝与带有钢支撑体系的新型拦挡坝抗固体冲击模型试验的典型工况进行了数值模拟和对比分析，一方面进一步支持了试验结论，另一方面试验验证了该本构模型的可靠性及其各项参数取值的正确性。此外，就实测结果与数值模拟结果之间的误差作出了分析和解释，从中获得了一些实用经验，促进了相关试验工作的更加完善。
　　（5）应用ANSYS/LS-DYNA程序对重力式拦挡坝与带有耗能元件的新型拦挡坝在固体冲击下的动力响应进行了冲击物质量、冲击物速度、冲击高度和弹簧刚度四个方面的参数数值模拟及对比分析，同时，根据数值模拟研究成果，设计并实施了相应的固体冲击模型试验，通过对试验现象、动力响应时程及动力响应峰值的对比分析，验证了该新型拦挡坝的优越性能。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 课题意义及背景

1.2 国内外研究现状

1.3 泥石流灾害拦挡工程研究及设计应用中存在的主要问题

1.4 本文的主要研究内容

第 2 章 数值模拟理论及方法

2.1 流体与流动的基本特性

2.2 流体力学控制方程

2.3 计算流体动力学

2.4 流固耦合分析

2.5 显式动力学

第 3 章 泥石流浆体动压力作用下带支撑坝承载性能分析

3.1 外流场分析

3.2 结构静力分析

3.3 本章小结

第 4 章 泥石流块石冲击力作用下带支撑坝动力响应分析

4.1 数值模拟

4.2 计算结果及分析

4.3 本章小结

第 5 章 泥石流块石冲击力作用下带支撑坝动力响应试验研究

5.1 试验方案

5.2 试验结果及分析

5.3 本章小结

第 6 章 带支撑坝动力响应试验研究与数值模拟结果对比分析

6.1 几何建模及网格划分

6.2 材料参数及本构模型

6.3 计算环境设置

6.4 计算结果及对比分析

6.5 本章小结

第 7 章 泥石流块石冲击力作用下耗能坝动力响应分析

7.1 数值模拟

7.2 计算结果及分析

7.3 本章小结

第 8 章 泥石流块石冲击力作用下耗能坝动力响应试验研究

8.1 试验方案

8.2 试验结果及分析

8.3 本章小结

结论与展望

1 结论

2 展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录 B 攻读学位期间所参与的科研项目