汶川震区泥石流防护工程损毁特征及破坏机制研究

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本文在汶川震区泥石流沟防护工程调研基础上,收集泥石流的勘察、设计等基础资料,分析汶川震区震后地爆发的典型泥石流沟的发育特征及特征参数。根据野外调查的泥石流防护工程损毁特征,进行泥石流防护工程损毁的分类统计;研究各类防护的破坏机理,并结合数值模拟反演分析泥石流防护结构受泥石流块石冲击破坏的过程及机制,将研究成果反馈到设计。通过深入的研究,对其破坏机制有了较深的认识,通过数值模拟,再现了震区排导槽、拦挡坝受泥石流块石冲击损毁过程,并对其应力、应变及损毁特征进行了一定的研究。主要得出以下结论:(1)汶川震区泥石流排导槽的损毁模式主要为:基础淘蚀—倾倒型、基础淘蚀—错(座)落型、块石冲击—碎裂型、块石冲击—溃散型和土压力—倾(推)覆型五种模式;其损毁特征统计表明,基础淘蚀—错(座)落型破坏的比例为29%,块石冲击—溃散型损毁的的比例为30%,基础淘蚀—倾倒型损毁比例为18%,块石冲击—碎裂型损毁比例占12%,土压力—倾(推)覆型损毁比例为11%,其中块石冲击—溃散型与基础淘蚀—错(座)落型为主要的两种损毁模式;(2)汶川地震灾区泥石流拦挡坝的损毁模式主要为:坝基淘蚀—倾倒型、坝基淘蚀—错落型、渗透—侵蚀型、块石冲击—碎裂型和冲击—溃决型五种模式;其中坝基淘蚀—倾倒型的破坏比例为17%,坝基淘蚀—错落型的损毁比例为29%,渗透—侵蚀损毁的比例为13%,块石冲击—碎裂型损毁比例为15%,冲击—溃决型损毁比例为25%;坝基淘蚀—错落型和冲击—溃散型是泥石流拦挡坝主要的损毁模式;(3)分析结果表明排导槽基础淘蚀—倾倒型与错(座)落型的损毁机理是沟道以及排导槽基础受泥石流的冲刷侵蚀后,排导槽受力发生变化,导致结构发生倾倒或错落破坏;块石冲击—碎裂(溃散)型是由于泥石流块石的冲击作用,导致结构表面拉裂或碎裂、产生大变形,形成凹坑等,受块石的撞击损毁的过程;排导槽土压力—倾(推)覆型损毁机制的致损因素是沟道两侧斜坡土压力,结构的损毁机制类似重力式挡墙的损毁机制,是土压力的推挤变形破坏;(4)排导槽受块石冲击损毁的数值仿真结果表明,结构表面受撞击的变形在瞬间完成,接触冲击力的大小为法向冲击力最大,切向冲击力次之,Z向最小;节点位移特征是受直接撞击的强烈变形区较一般变形区大;排导槽损毁过程为:撞击变形—达到破坏失效的变形—块体掉落、形成凹坑;(5)泥石流拦挡坝损毁机制是受泥石流性质与结构受力共同决定的,泥石流坝基淘蚀—倾倒型与错落型的损毁机理是沟道以及坝体基础受泥石流的冲刷侵蚀后,坝体的受力变化,导致结构发生倾倒或错落破坏;坝基渗透—侵蚀破坏是由于坝体上游高水头形成的集中渗流引起的渗透变形,导致渗流通道不断扩大,携带走大量颗粒物质,导致坝基地层出现架空现象,这种架空结构的承载力降低,导致坝基破坏;块石冲击—碎裂型是由于泥石流块石的冲击作用,导致坝体结构表面拉裂或碎裂、产生大变形,形成凹坑等,受块石的撞击损毁的过程;冲击—溃决型拦挡坝致损因素主要为泥石流粘度、流速、冲击力等,是典型的力学损毁机制;(6)拦挡坝坝体块石冲击的数值仿真结果显示,块石撞击坝体过程中,动能在撞击的瞬间主要转换为变形能、内能以及剩余动能;坝体为正向冲击,接触冲击力的大小为法向冲击力最大,Y向次之,Z向最小;坝体的弹塑性变形特征表明,坝体受撞击的变形是在撞击瞬间完成的,后期变形趋于稳定;坝体受撞击的演变过程为:撞击变形——达到破坏失效的变形——块体掉落、形成凹坑。
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