冲击作用下新型泥石流格栅坝结构可靠性分析及试验研究

In recent years, the debris flow disaster in the western region has occurred frequently, resulting in a considerable loss of people's lives and property. The damage of the structure is often caused by the impact of large stones in the debris flow, so the calculation of the impact of large stones in the debris flow control engineering design is particularly important. Debris flow is a non-constant mountain disaster, its occurrence and development process is an uncertain random process, the role of prevention and control works is uncertain. If the traditional safety factor method based on the most unfavorable situation cause a greater project waste, so the choice of reliability theory of debris flow control structure research and design is imminent. Aiming at the randomness of the impact of the debris flow, based on the gradualness of damage process, complexity of the destruction form and the randomness of destruction path of the control structure, the reliability, the impact load identification and reconstruction method of the new debris flow grille dam under impact are studied. The main content include: (1)the identification and restruction of the impact load of debris flow;(2)the search of the incremental failure mode of the new debris flow grille dam structure under the action of impact;(3)the reliability calculation of system of the new debris flow grille dam structure under multiple failure modes;(4)the indoor impact trial of the new debris flow grille dam structure.

近年来西部地区泥石流灾害频频发生，造成的人民生命财产损失相当严重。而构筑物的破坏往往是由泥石流中的大块石冲击所致，因此大块石冲击力的计算在泥石流防治工程设计中尤为重要。泥石流是一种非恒定的山地灾害，其发生和发展过程是一种不确定的随机过程，对防治工程的作用也是不确定的。如果用传统的安全系数法按最不利情况设计将会造成较大的工程浪费，因此选用可靠性理论对泥石流防治结构进行研究和设计已迫在眉睫。针对泥石流大石块冲击作用的随机性，考虑防治结构破坏过程的渐进性、破坏形式的复杂性和破坏路径的随机性，研究新型泥石流格栅坝结构冲击作用下的可靠性，冲击荷载识别和重建的方法。具体内容有：（1）泥石流冲击荷载的识别和重建；（2）冲击作用下新型泥石流格栅坝结构渐进失效模式搜索；（3）多失效模式相关下新型泥石流格栅坝结构体系可靠度计算；（4）新型泥石流格栅坝结构室内冲击试验。

项目以新型地锚扶壁式泥石流格栅坝为研究对象，采用试验、理论和数值分析相结合的手段，开展的主要内容及成果包括：重点研究了格栅坝在大块石冲击作用下的动力响应，阐释了影响坝体动力响应的因素；建立了浆体-大块石-拦挡坝的流固耦合三维模型，分析了格栅坝和重力坝的动力学行为和多级拦挡坝在泥石流冲击作用下的动力响应和能量耗散机制，并定量判断其防治效果；建立了横梁承载能力极限状态方程和正常使用极限状态方程，求解了抗弯剪和最大裂缝宽度可靠度指标；构建了横梁竞争失效模型，给出了其可靠度的计算公式；推导了变截面格栅柱在块石冲击下的动力微分方程，得到变截面格栅柱抗倾覆稳定性功能函数和极限状态方程，利用验算点法计算了变截面格栅柱抗倾覆可靠度指标和失效概率。考虑横梁和拉锚体系的失效模式，分别建立了横梁在块石冲击作用下的抗弯、抗剪和拉锚体系抗拉承载能力的极限状态方程，基于失效模式相关的可靠度理论，研究了格栅坝结构体系的可靠性；自主研发了泥石流多点冲击试验装置，开展了新型泥石流格栅坝结构室内单点和多点冲击新试验；基于“主动耗能”理念，提出了地锚张弦梁式和阻尼耗能式泥石流格栅坝，并利用Python语言和Qt Designer开发了设计计算软件；研究成果为新型地锚扶壁式泥石流格栅坝的推广应用提供了理论和技术支撑，为泥石流灾害治理提供了新理念和新技术；自主研发的泥石流多点冲击试验装置和开发的设计计算软件为后续课题研究和学科发展奠定了基础平台。项目资助发表论文5篇，EI和SCI刊源4篇，CSCD收录1篇，7篇论文正在审稿；申请发明专利5 件，授权发明专利4件；软件著作权1项；获甘肃省科技进步一等奖1项，培养博士研究生1名（第二导师），硕士研究生2人，在读硕士研究生12人。