文摘

柔性支护结构被证明是一个有效的在山区泥石流预防措施,可有效分离水和石头,减少粒子质量,消散动能。为了探索冲力和柔性围护结构动态响应影响固液两相泥石流,已经建立了一个复杂的动态交互模型particle-fluid-structure采用SPH-DEM-FEM耦合数值分析方法。在目前的研究中,这一过程中,脉冲力,和一个灵活的围护结构动态响应不同斜坡下遭受泥石流调查,分别。数值结果与计算公式的峰值半经验的泥石流的冲力。与此同时,验证了耦合数值模拟的有效性。仿真结果表明,该耦合SPH-DEM-FEM数值分析方法可以想象固液两相的影响泥石流柔性支护结构,繁殖的影响,保留,water-stone分离、攀爬、淤塞,泥石流沉积过程。的动态时程曲线柔性支护结构耦合数值分析方法与现有文献的结果一致。灵活的围护结构的泥石流评价结果影响固液两相泥石流是一个数量级的经验公式的结果。此外,结果是可靠的。结果研究有一定参考价值的冲力和灵活的围护结构的动态响应影响固液两相泥石流和柔性支护结构的工程设计。

1。介绍

泥石流是一种固液两相混合流体含有大量粗石和沉积物,显示运动粘性层流或削弱湍流的特点。它是地形共同作用的结果,气象、水文、土壤和植被的盆地(1]。泥石流的特点是快速的流速,流速大,突然爆发,惊人的破坏力。它是一种特殊的流固耦合材料由降雨形成的融合。受限于一定的斜率槽,它倒下来积累区域明显速度快,可对各种建筑物造成很大伤害一路上[2]。泥石流灾害是广泛分布在世界各地,而中国是一个多山的国家,山区约占总土地面积的69%。天山、昆仑山,喜马拉雅山脉,秦岭山脉、横断山脉,和在中国的长白山都是高危地区的泥石流。泥石流分布的总面积是430万公里²,其中130万公里²是一个强烈的活动区域(3]。在中国,有很多重大泥石流灾害,其中,最著名的一个是8月8日甘肃舟曲泥石流灾害,与1481人死亡的严重后果,1824人受伤,284人失踪,和近20000人受到影响3]。数据显示,泥石流颗粒和流体组成的巨大的动能和冲力,会造成毁灭性的破坏结构(4]。

泥石流研究相对比较复杂,以往的研究通常被简化为纯颗粒物质和液体。例如,Ashwood和Hungr5]石英砂和瓦砾中用于执行物理模拟试验研究泥石流的影响。Ng (6)等人研究了干砂的影响性能和粘性流体进行离心测试。然而,一些学者研究固液混合物的泥石流。哈斯商学院(7]等人研究了固液混合物由碎石、沙子、泥土和水。结果证明,固液混合物的性能明显不同于单相流。泥石流的固体颗粒与流体相互作用将显著改变泥石流的运动特征和冲力。是具有挑战性的描述和量化,形成运动的影响,和沉积过程的固液两相泥石流由于固液相互作用,一直是研究的难度。

除了形成、运动影响,泥石流和沉积过程,泥石流的预防和控制措施也主导了至关重要的作用在保护生命和财产8- - - - - -10]。至于泥石流围护结构的设计,应考虑泥石流的影响;否则,结构性破坏将造成生命和财产的安全将会严重威胁下游(11- - - - - -13]。围护结构一般可以分为刚性支护结构和灵活的围护结构(14),和泥石流峰值冲力的挡水坝的设计中扮演着重要角色。目前,它通常是基于流体静力学模型,流体动力学模型,或混合模型15]。特别是,流体动力学模型被广泛应用于工程设计数据的可靠性。然而,由于不同的条件,经验系数的值在不同学者之间的差异极大,严重影响峰值脉冲力的准确预测泥石流的16]。

近年来,柔性挡水坝变得越来越受欢迎,因为它简单的安装,施工效率高,经济好,和对环境的影响小17]。与刚性支护结构相比,柔性支护结构能产生大变形的影响下,导致一个更好的能量耗散机制,从而降低峰值脉冲力(18]。然而,颗粒流体之间的动态耦合柔性支护结构复杂,这取决于水动力机制、粒子运动特性,和灵活的围护结构的变形和力学特性,以及它们之间的能量转换和耗散。它仍然是一个高度挑战性的话题。目前,没有合理的理论依据柔性支护结构的设计。因此,有限的测试和数值模拟和工程仅仅是通过经验设计和建造。虽然灵活留住大坝下的失效分析泥石流影响很少讨论,这是工程设计的关键问题19]。

的一个主要方面研究的泥石流和灵活的支撑结构的耦合效应数值模拟方法,主要分为连续环境计算方法,离散环境方法,混合环境的方法(17,20.,21]。连续环境计算方法依赖于物体的质量连续分布和变形研究。建立了描述动态特性的方程。这些方程在计算离散域基于网格或粒子和解决结合初始和边界条件18,22]。主要的连续介质计算方法是有限元法和光滑粒子运动学方法,换句话说,泥石流和灵活的保留结构模拟的有限元方法或SPH方法。这种方法更加成熟,在理论和实验验证。离散介质方法分析泥石流和灵活的围护结构主要是离散单元法(19,23]。Leonardi et al。24)采用DEM方法研究泥石流的耦合效应和灵活的围护结构和比较实验结果。结果表明,DEM方法能更好地反映泥石流和灵活的围护结构之间的交互,并接近实验结果,从而验证了数值分析方法的有效性。

为了充分利用不同方法的优势,泥石流的耦合数值分析方法和支护结构已成为近年来的研究热点。Leonardi et al。25- - - - - -27)使用LBM-DEM方法解决泥石流的影响在结构和采用了耦合数值分析方法进行一系列的分析和数值验证,证明该方法在各种情况下的鲁棒性。对泥石流的影响不同的灵活的固定结构,和灵活的围护结构的失效模式探索。李,赵28,29日CFD-FEM]采用了耦合方法模拟泥石流,对刚性的影响以及灵活的挡水坝。该模型显示的实际模拟泥石流需要考虑固液相互作用。此外,侵蚀对泥石流的冲力的影响考虑在内。结果表明,泥石流冲力明显受坡度和固液比的影响。灵活的法律和失效模式的影响保留研究大坝采用耦合数值分析方法。刘等人。30.,31日),分别用SPH-FEM和DEM-FEM调查泥石流的影响特点,巨大的石头,和留住大坝以及泥石流的耦合效应和灵活的围护结构。结果表明,耦合数值方法很可能再现impact-climbing-silting泥石流和柔性支护结构的影响问题。李等人。32)使用SPH-DEM方法研究泥石流的动态性能和冲击力刚性支护结构。虽然耦合数值分析方法提供了基础,为本文的理论和方法参考,没有研究和讨论柔性支护结构的力学性能和冲动的力量。泥石流的流动过程如图1(3]。

总之,没有合理的理论依据柔性支护结构的设计。相反,项目的设计和施工,只有依靠经验,也没有相应的规范防治泥石流的灵活的挡水坝已经制定了在不同的国家。很少有研究对围护结构动态响应分析,灵活的影响泥石流。目前,这项研究只集中于支护结构受到很大的岩石,泥石流流体,或泥石流流体在大岩石。只有一些数值分析方法用于分析泥石流的耦合效应和灵活的围护结构。SPH-DEM-FEM数值分析方法应用于研究支护结构的动态响应影响泥石流,泥石流防治工程实践提供了一定的参考。

2。数值计算理论

SPH-DEM-FEM数值模拟,采用ls - dyna代码中使用SPH模拟液体泥石流,民主党是用来模拟固体颗粒,使用有限元法来模拟柔性支护结构和泥石流通道。采用SPH-DEM-FEM耦合分析方法建立一个复杂的动态交互模型particle-fluid-structure,可真正模拟实际泥石流和灵活的围护结构之间的动态交互。的实现原理和控制方程数值模拟了这一章。

2.1。民主党控制方程

泥石流固相中的粒子由DEM建模。一个弹性模型是采用固相之间的接触泥石流颗粒(33- - - - - -36]。

的表达力粒子显示如下:

其中,和代表正常的重叠距离方向和切向方向,分别和分别表示正常刚度和切向刚度。

由此产生的外力和由此产生的外部时刻粒子表示如下:

其中,代表了颗粒之间的摩擦。

一个弹性材料模型采用粒子之间的相互作用力,和材料的本构模型如下所示:

其中,代表了弹性模型和粒子是粒子弹性应变。

2.2。SPH控制方程

在本文中,使用SPH模拟碎片在液相的流动。这种方法的基本概念是将液体或固体连续,描述它的粒子相互作用组。每个粒子点携带各种物理参数,包括质量和速度(37- - - - - -40]。

粒子的近似函数如下公式所示: 在哪里是内核函数。

核函数可以通过函数 ,和他们的关系如下公式所示: 在哪里d空间维度和吗h的光滑长度随时间和空间。

本文显示了光滑核函数如下: 在哪里C是一个广义常数取决于空间维度。

SPH方法基础上移动粒子的积分公式 , ,其中是粒子的空间位置向量 ,沿着速度场 。

此时,近似函数的粒子可以通过以下公式表示: 在哪里 ,和粒子的重力液体的散度比例的变化。

2.3。SPH-DEM-FEM耦合控制方程

DEM-FEM耦合方程是用来描述复杂的固相粒子之间的相互作用的动态和灵活的控制结构,可以发现在下列方程(18,41- - - - - -43]: 在哪里和代表正常和切向接触力。

DEM-FEM耦合方程如下所示:

SPH-DEM耦合控制方程是用来描述复杂的动态粒子间相互作用的固相碎屑流和泥石流的流体在液相中(18),提出了以下方程: 在哪里和彼此的力量和吗 , ,和表示力。

3所示。计算模型

本文选择Nanjiaogou原型。崎岖的地形在沟里锋利,沟壑可以在任何地方找到,和主沟的形成区域的斜率是19°∼47°,属于一个巨大的泥石流沟。Nanjiaogou的详细地质信息可以在找到32]。

为了研究柔性支护结构的冲力和动态响应影响泥石流,一个复杂的动态交互模型建立了particle-fluid-structure在目前的研究。考虑到泥石流冲击力和动态响应的柔性支护结构主要是研究和实际沟基本上是梯形分布,为了便于研究,泥石流沟是简化为梯形,并留住和治理措施进行主沟的形成与陡坡区域。考虑到主沟的形成区域的斜率是19°∼47°,主沟的形成区域的平均斜率是确认在30°。摘要冲力和灵活的围护结构动态响应分析,当沟的斜率是15°,20°30°,40°,50°。

3.1。几何模型

泥石流的几何模型如图2的几何模型,提出了柔性支护结构在图3。的具体参数几何模型显示在表中1。参数,如泥石流通道和民主党粒子密度、弹性模量和泊松比文献所示(32),灵活的特定力学参数保持净和支持有线电视文献所示(24,28,29日]。

本文的研究对象是主要的冲击力和动态响应灵活的围护结构。然后,根据实地调查,英吉利海峡大致梯形分布和冲沟的底部和侧面被简化为梯形部分根据现场情况。此外,在视图的主沟的形成区域的斜率是19°∼47°,平均值30°选择;泥石流是由固体颗粒和液体,这影响柔性支护结构在重力作用下,繁殖风景的影响,屏蔽的灵活的围护结构,爬在灵活的围护结构和水岩分离过程中影响泥石流。和本文研究柔性支护结构的冲力和动态响应影响固液两相泥石流。

灵活的柔性支护结构由固定电缆网和支持。四个支持电缆编号为1号,2号,3号,4号从底部到顶部。支持电缆之间的距离是0.5米。灵活的围护结构的几何模型如图3。直径20毫米,灵活的固定钢丝网是由绕组。保持网络的六边形边长是0.1米,可顺利排出泥石流和有效地防止泥石流颗粒流出。支持电缆是由钢丝圈直径20毫米,当量直径0.1米。灵活的保留网络和支持电缆固定连接在一个更好的方法。灵活的特定力学参数保留网络和支持有线电视文献所示(24,28,29日]。

3.2。材料本构模型

摘要由于通道岩体相对保持稳定,泥石流通道模拟刚性外壳材料。本文采用刚性材料模型,总共有6056壳元素。泥石流通道的参数采用数值模拟参数在文献[19]。

根据现场取样试验,测量固体颗粒的平均密度泥石流来源是2650公斤/米³。根据实地调查和实验室测试,我们测量粒径范围的出处是0.2∼0.4米。民主党粒子的尺寸范围由我们与现场试验结果是一致的。泥石流的固液比施加很大的影响泥石流的特点。在这篇文章中,固体,液体的比例是1:1。本文运用离散单元粒子模拟。采用ls - dyna弹性模型材料本构,采用ls - dyna DE_BY_PART接触模型的粒子之间的相互作用,以及使用ls - dyna DE_SURFACE_COUPLING模型粒子和通道之间的联系。此外,使用ls - dyna DE_TO_BEAM_COUPLING模型颗粒之间的接触和灵活的围护结构,共有2236个粒子在上述模型。

本文的目标是低速移动稀释泥石流,不考虑粘性力的作用。水的密度是1000公斤/米³和液体之间的摩擦力是0.12。摩擦系数的值将被详细描述部分3.3。是SPH模型用于分析和本构模型采用零材料模型、粘性系数为0.001。水的本构模型是参与,虽然本构模型使用EOS_MURNAGHAN模型,和状态方程的常数伽马是7.0,K₀150000股。总之,完全有4351粒子模型中。SPH_DE_COUPLING接触模型采用SPH粒子之间的相互作用和民主党的粒子,和AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE模型采用SPH粒子和渠道之间的联系。液体采用数值模拟参数的参数在文献[19]。

柔性支护结构建模的支持有线电视电缆元素,密度为7850公斤/米³和屈服强度1770 MPa。因为柔性支护结构的动态影响,材料的本构模型采用PLASTIC_KINEMATIC模型,0.05的极限应变。灵活的保留网络由梁单元模拟,密度为7850公斤/米³和屈服强度1380 MPa。因为柔性支护结构的动态影响,材料的本构模型采用PLASTIC_KINEMATIC模型。灵活的固定网和支持的特定力学参数电缆可以在文献中找到(24,28,29日]。

3.3。边界条件

通道和柔性支护结构与地面连接。底部和两边的碎片通道完全固定和限制。灵活的保留网络和支持有线连接通过锚索与地面。因此,灵活的固定网和支持电缆完全固定。

泥石流固体之间的摩擦系数一般是0.1 - -0.5 (16- - - - - -18)通过分析和比较实验和仿真结果在大量相关文献。根据类似的研究,试错的方法通常被用来探索和数值模拟的结果与实际情况进行比较。当泥石流数值模拟的峰值速度数据接近实验或实际数据,参数被认为是更准确的。采用试错法和后评估类似的文献,可以发现模拟结果接近实际结果,当泥石流固体之间的摩擦系数和通道和挡土墙之间的摩擦系数是0.3和泥石流流体通道和柔性支护结构是0.12。

我们使用LS-DYNA代码的动态显式方法进行分析。分析步骤时间是10秒。泥石流开始滑的初始速度0 m / s²。重力加速度的泥石流流体和泥石流固体颗粒是9.8 m / s²。完全,计算得到1974743增量的步骤。CPU时间是22 h 3分43秒。

4所示。建立计算模型

4.1。影响过程

的影响,保留、分离水岩和沉积过程柔性支护结构影响泥石流在图所示4。当t= 0.9 s,泥石流开始移动,在这个时候,“龙头,龙的身体,和龙的尾巴”已经基本成形。泥石流流体和固体颗粒产生复杂的动态耦合交互。当t固液两相泥石流= 2.3年代,达到灵活的围护结构的底部。这时,泥石流的最大速度达到10.52 m / s,和particle-fluid-structure联合被迫产生复杂的动态交互和柔性支护结构的影响。同时,泥石流影响的“龙头”灵活的围护结构,攀登高水岩和分离,固体颗粒保持底部的围护结构支护结构的作用下。同时,大部分的流体退出固定结构。当t= 3.5年代,“龙的身体”影响柔性支护结构。大部分的泥石流固体颗粒被保留在底部,并排放液体。泥石流将继续影响柔性支护结构。在这个时候,因为爬的效果,灵活的围护结构的底部产生一个静负荷由于粒子沉积,在顶部仍影响的动态影响泥石流。SPH方法可以极大地处理液的飞溅和扩散粒子和参与复杂的动态交互与灵活的围护结构和泥石流颗粒。数值模拟particle-fluid-structure反映出复杂的动态交互。当t= 5.2年代,泥石流淤积,粒子最终存款保留大坝的底部产生静负荷。液体是缓慢释放。

4.2。攀爬和淤积过程

攀爬和淤积过程的柔性支护结构影响泥石流如图5。当t= 2.5 s,泥石流颗粒达到柔性支护结构的底部,开始影响泥石流保留大坝和爬很高。此时,水岩分离已经成形,通过围护结构流体排放。灵活的围护结构变形。此外,最丑陋的部分是中间和底部的灵活的围护结构。当t= 3.0 s,泥石流颗粒继续攀升高,有的甚至淤泥在某些部分。在这个时候,它可以观察到particle-fluid-structure形状复杂的动态交互,以及当前的攀爬高度是1.3米。当t= 3.5年代,“龙的身体”影响挡水坝,和泥石流粒子爬到最高水平,与明显的回淤和粒子飞溅。攀爬高度高达2.1米。当t= 5.2年代,泥石流淤积,最后产生一个静负荷保持大坝的底部。这时,淤积的高度是围护结构的高度。

4.3。分析柔性支护结构的位移变化

中间位置的位移随时间变化的四个支持电缆(1号,2号,3号和4号)柔性支护结构在不同斜坡监控图6。研究结果表明,当斜率是50度t= 3 s, 4号的中间位置的位移支持有线柔性支护结构达到最大,最大值是0.265。然后,它迅速降低到0.160后达到峰值。当斜率是15度,20度,30度,40度,峰值位移值的中间位置,支持灵活的围护结构的电缆是0.0283米,0.071米,0.164米,0.221米,分别。随后,所有减少死位移,0.0146米,0.055米,0.122米,0.170米,分别。当斜率是15°,20°,30°,40°,50°,之间的区别的最大位移和静态位移峰值灵活屏障结构是0.0137米,0.016米,0.042米,0.051米,0.105米,分别。此外,仿真结果是相同的数值模拟和测试结果由Leonardi et al。24- - - - - -27),表明上述方法适用于模拟柔性支护结构影响泥石流。

4.4。分析脉冲力随时间变化的

灵活保留结构的冲力变化与不同斜坡(15°20°30°,40°,和50°)显示在图7。从图可以观察到,当斜率是50度t= 2.9 s,泥石流的冲力留住大坝达到峰值,6089 kN,然后迅速降低到3832 kN。斜率是15°时,20°,30°,和40°,冲力的高峰值保留大坝987 kN, 1983 kN, 3690 kN,和4625 kN,分别,随后所有死去的负荷降低。增加的斜率,泥石流冲击力的开始时间是3.4,3.2,3 s, 2.5年代,和2 s,分别。此外,泥石流冲击力的高峰时间是4.9,4.7,3.9,3.2,和2.9 s,分别。

我们比较数值计算结果的半经验的公式冲力峰值的泥石流关颖珊[提出的基于水动力理论44]: 在哪里 动态压力系数,代表了密度,是冲动的速度,是宽度,h₀是泥石流的高度。

数值计算方法的计算结果得到了本文和现有经验公式如表所示2。计算误差范围从12.1%到27.4%。比较本研究中采用的数值计算方法和经验值,脉冲力两种方法的结果比较接近。然而,实证方法不考虑水岩分离和particle-fluid-structure的复杂的动态交互。因此,数值分析方法比经验更合理的方法。

4.5。最大的柔性支护结构变形

灵活的围护结构的最大变形与不同斜坡(15°20°30°,40°,和50°)可以在图中找到8。积极灵活的围护结构的最大变形与频道相关斜率,和最大变形位置位于柔性支护结构的中间,这是在实践中观察到的结果一致。当斜率是15°,20°,30°,40°,50°,最大峰值位移值中间的柔性支护结构是0.0283米,0.071米,0.164米,0.221米,0.265米,分别。显然,可以看出,支持有线可以抑制变形的柔性保持净。因为灵活保留网络和支持电缆是固定的,两者的变形是一致的。此外,变形之间的灵活保留网络支持电缆的变形大于支持电缆,显示一个凸形状。

5。讨论

根据结果,SPH-DEM-FEM耦合数值分析方法生动地模拟复杂的动态交互particle-fluid-structure,繁殖的影响,保留,water-stone分离、攀爬、泥沙淤积和泥石流沉积过程。SPH方法可以极大地处理液的飞溅和扩散粒子和参与复杂的动态交互与灵活的围护结构和泥石流颗粒。water-stone分离现象可以重现真正的泥石流阻断过程中,这是很难被其他数值分析方法反映,也可以建立一个良好的基础更好的评估泥石流影响评估的准确性灵活的围护结构。灵活的围护结构的位移变化随着时间进行了分析。此外,仿真结果和法律与现有的研究结果是一致的。

分析脉冲力随时间变化的。虽然分析结果类似于现有的经验公式,经验公式没有考虑水岩分离和particle-fluid-structure之间的复杂的动态交互,以及数值模拟结果之间的误差和经验公式的范围从12.1%到27.4%。因此,数值分析方法比经验更合理的方法。泥石流的峰值力呈正相关频道的斜率,斜率越大,峰值越大泥石流的冲力。然后,泥石流的冲力是静负荷减少,与巨大的下降幅度。当斜率很小,泥石流的脉冲峰值部队接近恒载。泥石流的冲力将在后期慢慢地减少,这是由于流体从柔性支护结构由于水岩分离。它不能提出采用经验公式法和传统的数值分析方法。耦合数值分析方法的结果比经验公式方法更有说服力。

柔性支护结构的最大变形分析和变形与通道的斜率呈正相关。这是因为当通道的斜率是夏普,泥石流的重力势能是相对较大的,一旦泥石流成形,泥石流产生的动能和冲力将远远大于当斜率很小。李等人。32]探索刚性支护结构的冲力和动态性能影响泥石流采用SPH-DEM-FEM方法。通过比较冲动的力量和灵活的围护结构的动态性能影响固液两相泥石流本文所讨论的,灵活的围护结构的动态性能和影响特点和刚性支护结构有很大的不同。因为水岩分离和卓越的吸收能量的能力,灵活的冲力围护结构远小于刚性支护结构。这也表明,传统的泥石流冲力公式并不适用于柔性支护结构,这也是本研究的研究意义。结果表明,柔性支护结构的力学性能比刚性支护结构更合理。

由于柔性支护结构的刚度远小于刚性支护结构,它们之间的动态特性是明显不同的。之间的位移随时间变化的灵活的围护结构和刚性支护结构是由两个不同的数量级。灵活的围护结构的变形后恢复能力远低于刚性支护结构,相应地要求我们监控柔性支护结构的变形以防止大坝崩溃给下游带来破坏。最大变形位置位于中间的灵活的围护结构,两边逐渐减小。支持有线电视发挥了明显的作用在抑制柔性保持净和作为轴承的主要载体和传播力。数值模拟的结果与实际柔性支护结构的变形相比,显示出良好的一致性。

在这篇文章中,地形条件简化,既不考虑运动路径的不均匀的影响泥石流的运动特征和灵活的围护结构的动态特性,也不影响松散累积层的运动路径的冲力泥石流和柔性支护结构的动态特性。所有上述问题研究困难,未来的研究可以进一步研究。

6。结论

(1)耦合数值方法的基础上,本文认为particle-fluid-structure复杂的动态交互,复制的整个过程柔性支护结构受泥石流的影响,如影响,保留,水岩分离、攀爬、淤积和沉积。(2)我们比较灵活的围护结构的动态响应分析泥石流的影响在不同的山坡,中间位置的监测位移变化四个支持电缆(1号,2号,3号和4号)柔性支护结构。它可以发现,仿真结果和法律与现有的研究结果是一致的。(3)我们比较的变化规律不同斜坡下泥石流的冲力。然而,经验公式没有考虑水岩分离和particle-fluid-structure的复杂的动态交互,因此,经验公式结果的误差和数值模拟结果范围从12.1%到27.4%。结果,数值分析方法比经验更合理的方法。(4)我们分析的最大变形柔性支护结构,总结变形是与通道的斜率呈正相关。最大变形位于中间的灵活的围护结构,和支持电缆能明显抑制柔性保持净。

数据可用性

本研究的数据都可以在请求相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国自然科学基金(批准号41972267)。