泥石流灾害演变数值模拟及减灾防治研究

摘要

泥石流是一种频发在山区的地质灾害，对人民的生命和财产安全造成极大危害。泥石流灾害演变机理及减灾防治研究，是工程领域中的重要研究课题。近年来，离散元方法在岩土工程领域应用愈加广泛，尤其在泥石流演变数值模拟研究中的应用前景极为广阔，它避免了连续体或有限元方法在求解泥石流的大变形问题以及考虑颗粒-流体相互作用时难以得到精确解答的弊端。本文在综述国内外研究现状的基础上，采用理论分析与数值模拟相结合的方式开展了相关研究，主要内容如下:
　　1、泥石流演变机理模型构建。为了从宏观与微观角度解释泥石流演变机理，更好地揭示各物理量之间的关系，本文在一定假设条件下，推导建立了泥石流流速、剪切力本构模型，获得Bingham模型改进公式;建立了降雨诱发泥石流启动本构模型与颗粒分选模型;考虑新型拦挡坝与泥石流的耦合作用，推演了泥石流流速与剪切力控制模型，并获得Bingham模型的改进公式、拦挡坝高度计算公式。
　　2、泥石流灾害演变数值模拟。本文以甘肃省宕昌县大地沟泥石流为研究对象，通过图形建模软件Pro/E与CATIA建立泥石流沟谷三维模型。在EDEM平台上，模拟泥石流灾害演变过程，从宏、微观角度分析了沟道弯曲度与表层松散物质、降雨作用下的泥石流演变机理，探究了颗粒形态与粒间作用对整体运动的影响。降雨通过减弱土体的抗剪强度引发土体失稳从而形成泥石流，降雨强度越大，启动速度越大，坡面径流的流通速度也越大。沟道表层松散物质引起的摩阻变化是泥石流产生明显“龙头效应”的主要原因。S系列弯道能够改变泥石流流向、削弱泥石流能量，沟道弯曲度越大，减速越明显，发挥了类似拦挡坝的功能。在物源体积及其他参数相同的情况下，不同粒径基本单元对泥石流整体运动过程有一定影响，但不是很明显。对于整体来说，基本单元粒径越小，前期加速越快，后期减速越慢;对于单个颗粒单元来说，粒径越小，最大位移量越大，能量损失越小。
　　3、泥石流减灾防治工程设计。本文根据现场勘探数据计算确定相关参数，设计了三类拦挡工程:重力坝组合、单独新型坝、混合组合坝。在三维沟谷模型上加入拦挡坝模型，在EDEM平台上，模拟拦挡坝对泥石流的拦挡、缓冲与排导作用，比较分析三类工程的减灾防治效果，基于分析结论对研究区泥石流灾害提出减灾防治建议。研究表明，拦挡坝能够影响泥石流的流通路径，重力坝组合主要起拦挡缓冲作用，先后实施的两次拦截，能够降低流速、削弱冲击力，阻止绝大部分泥石流体进入水平地带，从而保护下游区域。新型拦挡坝主要起到排导作用，在安全高度下，大坝下游能够形成安全区域。混合组合坝能够在拦截的基础上发挥排导作用，经过拦截后的泥石流能量被削弱，更容易被引向指定地带，从而形成安全区域，起到综合拦挡的效果。相比而言，泥石流对组合坝中的二次拦挡结构的破坏程度较低，能够延长其全寿命周期。因此，不同的组合坝类型，其造价和功能亦有所不同，应根据实际情况选择最佳的组合方式。
　　本文的研究结论将为泥石流灾害演变理论、数值模拟及减灾防治研究工作提供有效地借鉴，具有较好的理论意义与实际应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 泥石流灾害演变机理研究现状

1．2．2 泥石流减灾防治工作研究现状

1．3 研究内容

1．3．1 泥石流灾害成因研究

1．3．2 泥石流灾害演变机理研究

1．3．3 泥石流灾害演变数值模拟研究

1．3．4 泥石流减灾防治工程设计

1．4 研究方法

1．4．1 主要研究方法

1．4．2 技术路线

1．4．3 本文的创新点

第二章 基于离散单元法的泥石流颗粒构建

2．2．2 Hertz-Mindlin粘结接触模型

2．2．3 线性粘附接触模型

2．2．4 线弹性接触模型

2．3 硬球模型

2．4 软球模型

2．5 颗粒替换模型

2．5．1 获取填充颗粒相对坐标

2．5．2 颗粒替换API模型

2．6 EDEM软件

2．6．1 EDEM软件概述

2．6．2 EDEM软件模块介绍

2．6．3 EDEM软件分析问题的主要过程

2．7 本章小结

第三章 大地沟泥石流灾害成因分析

3．1 大地沟概况

3．1．1 流域位置

3．1．2 地形地貌

3．1．3 地层

3．1．4 地质构造

3．1．5 气候与水文

3．2 大地沟泥石流特征

3．2．1 泥石流规模

3．2．2 泥石流形成、运动、堆积特征及搬运模式

3．2．3 泥石流分区

3．2．4 泥石流堆积物特征

3．3 大地沟泥石流形成条件

3．3．1 地貌地质条件

3．3．2 水文气象条件

3．3．3 固体松散物质条件

3．4 本章小结

第四章 泥石流灾害演变模型构建

4．1 泥石流容重

4．2 降雨诱发泥石流起动本构模型

4．3 瞬时流速

4．4 泥石流流量

4．4．1 瞬时流量

4．4．2 过程总量

4．5 泥石流冲击力

4．6 颗粒分选模型

4．7 泥石流拦挡坝作用模型

4．7．1 拦挡坝安全高度

4．7．2 新型拦挡坝作用下泥石流演变模型

4．7．3 改进粘塑性模型(Bingham模型)

4．8 本章小结

第五章 泥石流灾害演变数值模拟

5．1 基于EDEM的泥石流模型构建

5．1．1 建模思想

5．1．2 假设条件

5．1．3 创建API模型

5．1．4 创建沟谷模型

5．1．5 参数设置

5．2 泥石流演变机理分析

5．3 沟道影响下泥石流演变机理

5．3．1 沟道弯曲度影响下泥石流演变机理

5．3．2 减速区松散物质影响下泥石流演变机理

5．4 颗粒运动机理(考虑破碎)

5．4．1 颗粒粒径作用下颗粒运动机理

5．4．2 颗粒形状作用下颗粒运动机理

5．5 降雨作用下泥石流演变机理

5．6 本章小结

第六章 泥石流减灾防治工程设计

6．1 泥石流减灾防治工作简介

6．1．1 主要防治措施

6．1．2 主要工程措施

6．2 拦挡坝设计

6．2．1 重力式拦挡坝设计

6．2．2 新型拦挡坝设计

6．3 拦挡坝工程数值模拟

6．3．1 重力坝组合对泥石流的拦挡缓冲作用

6．3．2 新型拦挡坝对泥石流的排导作用

6．3．3 混合组合坝对泥石流的综合作用

6．3．4 拦挡坝减灾防治效果比较

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况

附表