汶马高速磨子沟泥石流动力学特性及对桥墩冲击效应研究

论文摘要

为更好更快的推动“一带一路”建设和西部大开发战略的深入实施,充分发挥西部地区在资源矿产和旅游等方面的优势,以高速公路为主体基础设施建设逐渐向西部山区延伸。但受限于复杂多变的地形地貌,高速公路穿越区域不可避免的受到泥石流这一不良地质灾害的威胁。汶川至马尔康高速公路（简称“汶马高速”）就是位于地形地质复杂山区内的重要交通运输和旅游的交通干线。全线发育有大量的泥石流沟,受泥石流灾害威胁的区段占比较高。因此,对汶马高速沿线泥石流的发育特征、动力特性和灾害防治的研究已刻不容缓。本文选取汶马高速K56磨子沟泥石流和沟口穿过的克枯特大桥作为研究对象,在对磨子沟基本特征和动力特征的研究的基础上,并结合计算流体力学和流固耦合等基本理论,选取合适的数学模型和模拟参数,运用外部三维建模软件与ANSYS Workbench相结合的方法,完成了不同频率下磨子沟堆积区动力学特征三维流场分析和磨子沟泥石流对克枯特大桥桥墩的冲击作用流固耦合分析,并提出有针对性的防灾措施。主要结论有:（1）在大量现场勘察、无人机航拍和室内分析的基础上,查清了磨子沟地形地貌、地质构造、地质岩性、新构造运动与地震、气象水文和人类工程活动等基础资料,并在此基础上了从沟谷特征、物源特征和水源特征三个方面分析了磨子沟沟域内暴发泥石流的潜在条件和发展趋势。采用现场调查、试验和公式推算相结合的方法得到了磨子沟泥石流的动力特征参数。（2）磨子沟泥石流为暴雨沟谷大型低频过渡偏粘性泥石流,泥石流处于发展期,泥石流活动强度为强,泥石流易发程度为易发。磨子沟沟域内物源动储量为78.30万m3,主要受沟内H3滑坡的控制。通过现场调查发现,目前H3滑坡正处于蠕滑变形阶段,且后缘拉裂已经圈闭,在暴雨或地震等特殊工况下发生破坏可能性较大,引发泥石流灾害的几率较高。（3）通过结合AutoCAD、Rhinoceros和ANSYS ICEM CFD建立三维地质模型,并使用ANSYS CFX计算流体动力学通用模拟软件,进行了不同频率下磨子沟堆积区运动特征三维流场分析,并基于分析结果绘制了不同泥石流暴发频率泥石流危险范围预测分布图。（4）通过在流场内设置监测点,得出了克枯特大桥潜在承受泥石流冲击作用最大的桥墩为K56+304,结合现有基本理论对泥石流冲击桥墩进行了力学简化,并基于流固耦合数值模拟方法,得到了不同暴发频率下泥石流冲击桥墩的流场在不同时刻的体积分布图、速度流线分布图和桥墩表面及墩底压强分布特征,获得了泥石流冲击桥墩过程的动力特性。同时也分析了桥墩受冲击作用下的动力响应分析（位移、应力和应变）提出了桥墩受泥石流灾害的防治措施。（5）磨子沟具备再次暴发泥石流的可能性,通过分析结果发现了各工况下的最大第一主应力和位移与各工况对应的不同暴发频率下的设计最大降雨量具有较为固定的指数变动关系,得到了磨子沟泥石流对克枯特大桥造成破坏对应的警戒级别雨量阈值和危险级别雨量阈值,为监测预警提供了理论基础。

论文目录

摘要

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第1章前言

1.1 选题依据及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 泥石流运动过程数值模拟研究现状

1.2.2 泥石流危险范围预测与危险性评价研究现状

1.2.3 泥石流冲击作用研究现状

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第2章汶马高速磨子沟泥石流地质环境背景条件

2.1 地理位置及交通

2.2 研究区域地质环境条件

2.2.1 地形地貌

2.2.2 地层岩性

2.2.3 地质构造、新构造运动及地震

2.2.4 气象及水文

2.2.5 人类工程活动

2.3 本章小结

第3章汶马高速磨子沟泥石流基本特征与动力特征参数

3.1 泥石流沟谷特征

3.1.1 形成区特征

3.1.2 流通区特征

3.1.3 堆积区特征

3.2 泥石流物源特征

3.3 泥石流水源特征

3.4 泥石流动力特征参数计算

3.4.1 泥石流容重

3.4.2 泥石流流速

3.4.3 泥石流流量

3.4.4 泥石流一次冲出总量及固体物质总量

3.5 泥石流发展趋势分析

3.5.1 泥石流易发性判别

3.5.2 泥石流发展阶段

3.5.3 泥石流活动强度

3.5.4 泥石流发展趋势

3.6 本章小结

第4章基于计算流体动力学的磨子沟泥石流动力学特征分析

4.1 计算流体动力学的理论概述

4.1.1 CFD理论简介

4.1.2 基于FVM的 CFD数值计算

4.1.3 标准k-ε湍流模型

4.2 泥石流沟谷三维地质模型的建立与网格划分

4.2.1 磨子沟沟谷三维地质模型

4.2.2 沟谷模型网格划分

4.3 磨子沟泥石流动力学特征三维流场分析

4.3.1 模拟分析基本假设

4.3.2 前处理过程

4.3.3 后处理结果分析

4.4 不同暴发频率下泥石流危险范围预测

4.5 本章小结

第5章磨子沟泥石流对克枯特大桥桥墩冲击作用分析

5.1 流固耦合数值模拟基本理论

5.2 模型构建与设计工况

5.2.1 克枯特大桥结构数据

5.2.2 泥石流冲击桥墩模型的几何构建与网格划分

5.2.3 泥石流设计工况及监视控制

5.2.4 网格划分

5.3 泥石流冲击桥墩体系的简化力学模型

5.3.1 桥墩上部结构的简化

5.3.2 桥墩自身的简化

5.3.3 桥墩基础约束的简化

5.4 流固耦合数值模拟的前处理

5.4.1 固体部分的前处理设定

5.4.2 流体部分的前处理设定

5.5 流固耦合数值模拟的结果分析

5.5.1 泥石流流场分析

5.5.2 泥石流对桥墩冲击作用分析

5.5.3 基于数值模拟结果的大桥安全性分级

5.6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李桥

导师: 巨能攀,胥良

关键词: 泥石流,动力学特征,三维流场数值模拟,危险范围预测,冲击作用,流固耦合

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,公路与水路运输

单位: 成都理工大学

基金: 导师科研课题“汶马高速沿线地质灾害发育特征及监测预警研究”

分类号: P642.23;U442.32

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000134

总页数: 104

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