泥石流冲击作用下拦砂坝基底扬压力机理研究

Debris dam is the key to control debris flow movement and widely used in controlling debris flow hazards. Uplift pressure acting on dam foundation has significant effect on stability of debris dam. But now, there is still no reliable method to calculate the uplift pressure, as make it become the most uncertain force acting on debris dam when the dam is designed. It is important to intensive study the formative mechanism of the uplift pressure and to set up its calculation method. Based on principles of rheology and hydraulics and soil mechanics, this proposed research program will focus on the study of uplift pressure acting on debris dam foundation using the integrated research methods of field surveys, modeling experiments, numerical simulations and theoretical analyses. First, the research is conducted that the influence of types of debris dams and debris flow gully materials on the uplift pressure under the condition of impact effect of different types debris flows. On that basis, the relation between the uplift pressure and its key control factors is determined and a numerical model is developed for simulating the uplift pressure with debris flow impact loads. Then, based on analyses of the test data from model tests and numerical simulations, the distribution and change rules of uplift pressure with debris flow impact loads are revealed and the formative mechanism of the uplift pressure is studied. Finally, the calculation formula of uplift pressure acting on debris dam foundation will be set up. The research results will provide theory basis and technical support for design of debris dams.

拦砂坝是调控泥石流运动的关键工程，在泥石流灾害治理中广泛使用。基底扬压力对拦砂坝的稳定性有重要影响，但目前仍没有可靠的计算方法，使之成为泥石流拦砂坝设计中最不确定的参数。深入研究泥石流拦砂坝基底扬压力的形成和作用机理,构建扬压力的计算方法,对泥石流灾害治理具有重要意义。 本项目拟采用流变学、水力学和土力学的基本原理，利用野外调查、模型试验、数值模拟和理论分析的综合研究方法，针对泥石流拦砂坝基底扬压力开展研究。通过系统研究在不同性质泥石流冲击作用下，拦砂坝结构形式和泥石流沟床物质类型等对拦砂坝基底扬压力的影响，探寻基底扬压力与关键控制因素的关系，构建泥石流冲击作用下拦砂坝基底扬压力数值试验模型；在模型试验和数值试验数据分析的基础上，探讨泥石流冲击作用下拦砂坝基底扬压力的分布和变化规律,揭示扬压力的形成和作用机理，建立泥石流拦砂坝基底扬压力的计算公式，为泥石流拦砂坝设计提供理论依据和技术支撑。

拦砂坝底扬压力对其稳定性有重要的影响，由于以前没有可靠的计算方法，使之成为拦砂坝设计中最不确实的参数。本项目以泥石流拦砂坝底扬压力为主要研究对象，通过野外考察、室内实验和数值模拟等手段，系统地研究了拦砂坝底扬压力的分布规律、形成机理，和泥石流冲击作用下扬压力的变化规律等。在此基础上，提出了泥石流拦砂坝底扬压力折减系数的计算方法。研究成果对认识和理解扬压力的形成机理，以及扬压力的设计计算都具有重要的理论和现实意义。.本项目的研究主要取得以下成果：①分析了宽级配砾石土渗透性及其结构特征。扬压力与土体的渗透性密切相关；影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径为0.1mm，且细颗粒含量与渗透系数呈负指数关系。根据土中粗细颗粒的相对含量和粗颗粒接触关系，把宽级配砾石土结构划分为：接触式堆积结构、最紧密堆积结构和基底式堆积结构三种类型。②弄清了扬压力的分布规律。扬压力的分布随距坝踵距离的增大而线性减小。这种变化与坝底有效水头密切相关，受沟床物质的渗透性、坝前堆积物渗透性、沟床坡度和泥石流的性质等影响。③探讨了泥石流冲击作用下扬压力变化规律及其形成机理。泥石流冲击作用下，扬压力峰值从坝踵到坝趾呈线性减小，但较静水压力下明显增大，越靠近坝踵扬压力增量越大。这种变化规律与冲击作用导致的超孔隙水压力密切相关。④研究了泥石流坝前沉积和水力扩散规律。稀性泥石流沉积过程中粗细颗粒分层明显；粘性泥石流整体沉积，不具颗粒分选性。泥石流水力扩散过程受颗粒沉积过程影响，而且与细颗粒体积浓度密切相关。⑤提出了扬压力折减系数的计算方法。利用固体颗粒浓度和细颗粒质量占比，确定了泥石流体中细颗粒体积浓度。利用体积浓度构建了扬压力折减系数的计算方法。在数值模拟方面，建立了求解泥石流模型的特征线算子分裂有限元法。利用该有限元法模拟研究了泥石流对拦砂坝的冲击作用。