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题名	泥石流拦砂坝过流模拟及其可视化研究
作者	焦亮
答辩日期	2020
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	柳金峰
关键词	拦砂坝 有限差分 闭塞度 过流模拟 机器学习
学位名称	硕士
其他题名	Study on flow simulation and visualization of debris flow check dam
学位专业	建筑与土木工程
英文摘要	修建拦砂坝是泥石流灾害防治中常采用的岩土工程措施之一，通过减少泥石流方量、稳固沟床来降低泥石流危害。泥石流沿沟道运动至拦砂坝时，会涉及坝体开口处闭塞、坝前堆积、满库越坝等过程，拦砂坝过流模拟能定量分析拦排效果，可视化的输出能直观的了解到坝体运行状态，更好的为工程作出科学设计。本文采取野外考察、理论分析、模型试验、工程应用等研究方法，基于泥石流动力学理论进行典型坝体过流分析，构建了稳定性较好的差分格式求解基本运动方程；泥石流运动至坝体时，针对坝体开口闭塞问题，推导了格栅坝闭塞的概率模型，并基于机器学习理论，提出了窗口坝闭塞度的非线性判别，建立不同坝型的坝前堆积模型，实现了泥石流拦砂坝过流的数值模拟，并开发模拟平台作为研究成果输出口，运用于工程设计，通过数字化的计算机辅助来提高工程设计人员的效率。初步得到以下结论：（1）求解泥石流运动模型算法的收敛性以流团模型作为控制泥石流运动的基本方程，构建有限差分格式求解运动模型，实现泥石流在沟道中的运动模拟，为保证构建差分格式算法的收敛性，论证了其相容性和稳定性，即差分格式的误差传播方程中，增长因子对于任何任何网格比都满足Von Neumann条件，保证计算过程的收敛。（2）泥石流拦砂坝开口处闭塞模型泥石流前端（龙头）附近集中了最大直径级的粒子，该部分粒子会以随机的时间间隔到达网格开孔处，格栅坝开孔处的闭塞受开口宽度与粒子直径比值的影响，在开口闭塞的数值模拟中，需要对每次泥石流中大颗粒到达时间做一个均化处理，抽象出一个平均到达时间的概念，并对每次颗粒到达做出闭塞概率估计，得到闭塞所需要平均时间的无穷级数，进而推导开口闭塞的平均时间与每次大颗粒逐层瞬间封闭概率的数学表达式，以此解决格栅坝闭塞问题；在窗口坝闭塞度的判别中，本文基于机器学习分类高准确率的特点，以室内模型试验为基础，将影响闭塞的多指标作为训练样本，通过数据高维变化处理，提高了6%的分类准确率，通过机器学习理论来建立闭塞度的多因数非线性函数模型是可行的，相比采用原始数据拟合出的经验公式更为优化，窗口坝闭塞类型判别更为准确；切口坝闭塞主要与泥石流中大颗粒直径与开口宽度的比值有关，将比值作为切口的闭塞率，可以实现切口坝过流的闭塞模拟。（3）坝前堆积速率计算实体重力坝不能及时排泄泥石流，泥石流冲击拦砂坝，粒子间的距离急剧变小，粒子间的摩擦剧增，泥石流就会突然停止，或底面附近的流速小，沟床剪切力增大，泥石流进行沉积，瞬间堆积在坝前，数值模拟中，认为在分界点处，堆积速度最快，堆积速度主要体现在大颗粒的堆积上，而实体坝坝前的快速沉积现象不能由简单的沟床堆积公式求解，需要求出坝前的大颗粒浓度，才能计算堆积速率；格栅坝工程应用中逐层设置开口，开口闭塞后才会引起堆积，堆积速率受开口闭塞的影响，因此，需要逐层计算堆积，每一层的堆积速率与泥石流泥深、格栅坝横向格子结构尺寸有关；切口坝的堆积速率与坝体开口尺寸呈反比，泥石流流量呈正比，通过闭塞率和坝体过流特点，实现了切口坝坝前的堆积速率计算。（4）坝体满库回淤模型坝体满库后，泥石流回淤高度往往高于坝高，并形成回淤坡度，拦砂坝上游的沟床高度低于坝顶高度时，设定泥石流不越坝，当高于坝顶高度，则需要计算堆积速率最快点（距离坝体观测点1/2处）的泥深、高程，将此处的回淤高度定为模拟时的回淤最大高度，并且可根据横向距离、纵向高差求出回淤坡度。（5）可视化平台的工程应用效果编译的泥石流拦砂坝过流模拟平台能满足实体坝、格栅坝、切口坝的过流模拟计算，通过设置观测点来反应坝体上游、下游的泥石流物性参数变化，更为直观的体现出拦砂坝的调控效果，数字化的计算机辅助能提高工程人员的设计效率，数值模拟的工程应用是工程防治的新兴手段，合理优化计算相关参数才能更好的科学设计拦挡性能良好的拦砂坝，保障人民生命财产安全。
语种	中文
页码	130
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/55005]
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	焦亮. 泥石流拦砂坝过流模拟及其可视化研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020.

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