| 题名 | 窗口坝调控粘性泥石流的拦淤性能研究 |
| 作者 | 周文兵 |
| 答辩日期 | 2019-07-01 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 成都 |
| 导师 | 柳金峰 |
| 关键词 | 窗口坝 粘性泥石流 水槽试验 拦淤性能 数值模拟 |
| 其他题名 | Study on sand trapping and deposition performance of window-frame dam in controlling viscous debris flow |
| 学位专业 | 建筑与土木工程 |
| 英文摘要 | 窗口坝是近年来新发展的一种透过型拦砂坝型，它是在实体坝上设置一些大开口，通过实体部分进行泥石流的拦挡，坝身大开口用于泥石流的排导，是一种兼顾有拦挡和排导作用的综合型拦砂坝，已在我国（特别是汶川地震灾区）得到广泛使用。然而目前有关窗口坝的相关研究仍然较少，其坝体开口参数的设计也仍然主要是依据工程经验，为此，需要对窗口坝拦挡粘性泥石流的调控性能开展深入研究。本研究采用水槽模型试验和数值模拟相结合的方法，通过改变窗口坝的坝体开口参数（开口宽度、高宽比、开口率）以及泥石流容重、沟道纵坡等相关参数分析了窗口坝对粘性泥石流的拦淤性能，并对窗口坝拦挡粘性泥石流的调控机理进行了初步分析，主要得出以下结论：1. 通过开展水槽模型试验，得到了窗口坝拦挡粘性泥石流的闭塞表现：（1）基于试验结果，得到了窗口坝开口闭塞度与各因数之间的经验公式；（2）提出了一种综合考虑窗口坝坝体开口尺寸，泥石流容重等因素的窗口坝闭塞临界综合判据。试验结果表明：当F＜3.7时，窗口坝表现为全闭塞类型；当F≥8.3，窗口坝表现为不闭塞类型；当3.7≤F＜8.3时，窗口坝表现为部分闭塞类型。2. 通过对窗口坝上下游泥石流的过流参数以及所取样品进行分析得到了窗口坝对粘性泥石流的拦砂调控效果：（1）窗口坝对粘性泥石流容重的调控效果主要受窗口坝的开口宽度、高宽比以及泥石流容重所影响，通过数据拟合，建立了泥石流容重降低率与各因素之间的关系式；（2）不同开口参数的窗口坝对不同性质的泥石流的颗粒粒径都能起到一定的粒径调节效果。通过建立泥石流综合平均粒径比，可确定窗口坝对粘性泥石流的分选效率，并通过回归分析可得到泥石流综合平均粒径比与各影响因素之间的经验公式；（3）窗口坝对粘性泥石流流量的调控不仅表现对泥石流峰值流量的调节上，还表现在窗口坝对粘性泥石流的延时效果上。基于试验结果，得到了泥石流峰值流量削减率与各影响因素之间的关系式。3. 通过对窗口坝库内泥石流的淤积参数进行分析，得到了窗口坝库内泥石流的回淤形态和回淤规律：（1）窗口坝库内泥石流淤积形态主要受窗口坝坝体开口参数和泥石流容重所影响。在纵向淤积形态上，泥石流主要表现为“直线型”和“勺型”分布，按其纵断面淤积形态分为四个区段：接触段淤积、稳定段淤积、过渡段淤积，残留段淤积。接触段淤积是泥石流过窗口坝的出口段，按其横向淤积形态又可将其分为三种淤积类别：凹曲面型淤积、凸曲面型淤积、直线型淤积。（2）窗口坝库内泥石流的回淤坡度、回淤高度与窗口坝坝体开口参数、泥石流容重以及水槽坡度具有较高的相关性，基于试验结果，给出了窗口坝库内泥石流回淤坡度和相对淤高与各影响因子之间的关系。4 . 通过数值模拟研究了坝体开口参数等因素对流速的影响规律，并对泥石流通过窗口坝时的断面横向流速、沿程流速等进行了讨论分析。（1）窗口坝坝体开口参数越大，泥石流越先通过窗口坝，且随着窗口坝开口宽度、高宽比的增加，窗口坝对泥石流流速的降低效果整体呈降低趋势，但泥石流过流流速受窗口坝开口率的影响较小。（2）窗口坝开口参数对开口断面流速横向分布影响较大，开口断面流速总体表现为中间大两间小的趋势，且窗口坝开口宽度、开口高宽比越小，流速的“消峰”作用越显著。（3）泥石流通过窗口坝是一个流速先急剧减小，随后增大，然后经窗口坝消能流速降低，最后通过窗口坝后流速增大的过程，按泥石流在窗口坝位置处的流速过流特征可将其分为碰撞段、聚流段、消能段、自由段。（4）窗口坝调控粘性泥石流是一个复杂的动力学过程。分析认为，窗口坝对粘性泥石流的调控过程是窗口坝实体部分和开口部分共同作用的结果。窗口坝通过其实体部分拦挡泥石流，能减低泥石流流速，分离泥石流龙头，形成过流时差，并使泥石流于窗口坝库内发生流速“重分布”，最后再利用开口对泥石流进行有控制的排导，从而发挥窗口坝对粘性泥石流的流量调控效果和延时效应。5. 根据本文研究成果，通过结合野外泥石流防治工程的实地考察资料，进行了窗口坝对粘性泥石流防治工程的效果评价，并结合实际工程背景，开展了泥石流窗口坝防治工程的设计，最后并总结了窗口坝防治效果评价方法以及坝体开口参数设计的思路、方法。 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/33982]  |
| 专题 | 成都山地灾害与环境研究所_山地灾害与地表过程重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 周文兵. 窗口坝调控粘性泥石流的拦淤性能研究[D]. 成都. 中国科学院大学. 2019. |
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