泥石流地区涵洞毁损机理及其结构设计研究

发布时间：2017-06-24 10:03

  本文关键词：泥石流地区涵洞毁损机理及其结构设计研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：泥石流灾害是造成山区公路沿线桥涵及其结构物毁损的最主要原因之一。随着我国“一带一路”发展战略的逐渐实施和西部大开发战略持续深入推进,西部地区人为活动度不断增长加上特殊的地域环境和地貌地质条件孕育着泥石流灾害的频繁发生,公路泥石流区涵洞受冲蚀毁损成为当下公路行业亟待解决的问题。本文通过实地调查和分析东川泥石流区桥涵的毁损状况及泥石流发育特征。以东川黑水河为研究对象,运用理论分析、野外试验、数值计算与数值仿真相结合的方法,从泥石流冲击、掏蚀方面研究泥石流对路基涵洞毁损机理,完成U型涵洞设计,分析并提出泥石流公路涵洞区综合防治技术措施,主要结论如下:(1)通过分析东川区内泥石流发育的时空分布特征,计算得出功山至小江口段泥石流分布线密度为0.81条/km,功山至东川段项目区分布线密度为1.25条/km。(2)通过分析认为东川泥石流公路区涵洞毁损原因主要由泥石流的冲刷、磨蚀造成,分析得出区内公路涵洞的毁损率达51%左右;区内使用盖板涵的数量最大,占全线涵洞的53%,其毁损率占毁损涵洞的49%;圆管涵的毁损率最高,达68%。(3)泥石流直接冲击变形阶段主要包括泥石流冲涨施加荷载、反复冲击和拖拽三个阶段。通过泥石流直接冲击洞门侧墙二维应力和位移分析得出主要应力集中在墙脚处,最大受力值为0.91MPa,最大水平位移值为3.93mm;泥石流冲蚀涵洞过程中,泥石流的涨落使得涵洞处应力及位移明显产生变化,涵洞接触面随着泥石流冲蚀峰值的出现应力变得愈加集中,侧墙右下脚出现最大应力为0.738MPa。(4)通过三维应力场和位移场分析得出入口0~1m区域侧墙下部区域和铺底处应力表现集中最大,受冲蚀、掏挖最为严重,最大应力为0.717MPa,最大水平位移为48.22mm。三维模型能够更加详细全面展现泥石流冲蚀和掏挖涵洞过程中泥石流流态变化和涵洞的毁损过程,二维模型和三维模型中涵洞受冲蚀过程都先后表现出冲蚀、掏挖、磨损至毁损从微观局部变形至宏观毁损的演绎机理过程。(5)通过详细计算并比较了平底矩型、圆底铺底型、半椭圆铺底型、尖底V型及梯型等5种涵洞最佳水力要素,充分考虑施工工艺、工程造价等条件综合评价得出半椭圆型铺底型涵洞最佳,最佳铺底厚度为0.6m,并完成U型涵洞设计。(6)伴随泥石流冲蚀峰值的出现,泥石流流态变化最剧烈,此时涵洞铺底、侧墙下部及接缝处应力最为集中,随后位移发生最大变化,应力集中处局部剥离。总体上涵洞的应力和位移变化与泥石流冲蚀变化成显著正相关;泥石流、车辆荷载、地震的叠加改变涵洞应力场及位移场,泥石流作用过程中,车辆荷载、地震作用使得涵洞所受应力和位移增加。比较矩型和U型涵洞应力和位移,U型涵洞应力集中程度和最大位移场峰值明显下降,U型涵洞能有效缓解涵洞的毁损程度。(7)通过比较等U型涵洞常用式、波浪式、挑流式等三种铺底结构消能抗冲方式,得出挑流式消能率最佳;分析得出水工混凝土加入钢纤维和钢筋都能增加其抗裂性能和韧性,泥砂适合于铺底与地基缓冲层。通过系统分析泥石流区泥石流沟时空分布特征和动力特性,深入研究泥石流区涵洞毁损机理,开展新型涵洞设计,探究多重荷载条件下新型涵洞的受力特点,不仅有助于深入理解泥石流冲蚀涵洞过程中泥石流流态变化和涵洞应力位移变化规律;更重要的是U型涵洞设计为泥石流区高等级公路跨越中小型泥石流沟提供一种合理适用的垮沟方案,为公路泥石流地区涵洞建设提供设计依据和技术支持。
【关键词】：公路泥石流区 涵洞结构设计 冲蚀 毁损机理 分布密度 数值仿真 泥石流防治技术
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U449.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 研究背景、目的及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状及评述13-19
• 1.2.1 国内外泥石流研究现状14-15
• 1.2.2 国内外桥涵水毁毁损研究现状15-17
• 1.2.3 东川小江流域公路泥石流水毁研究现状17-18
• 1.2.4 国内外研究成果存在的不足之处18-19
• 1.3 本文研究的思路、内容及技术路线19-21
• 1.3.1 本文研究思路及主要研究内容19-20
• 1.3.2 本文研究技术路线20-21
• 第二章 东川泥石流发育及涵洞毁损状况21-41
• 2.1 项目简介21-22
• 2.1.1 项目特点21
• 2.1.2 研究意义21-22
• 2.2 项目区泥石流发育时空分布特征22-26
• 2.2.1 地理位置22
• 2.2.2 地层岩性22-23
• 2.2.3 地质构造23
• 2.2.4 地形地貌23
• 2.2.5 新构造运动23-24
• 2.2.6 地震活动24
• 2.2.7 气象条件24-26
• 2.2.8 水文特点26
• 2.3 小江流域泥石流分布26-28
• 2.4 公路涵洞概述28-30
• 2.4.1 涵洞定义28
• 2.4.2 涵洞分类和选择28-29
• 2.4.3 涵洞构造29-30
• 2.5 东川项目区涵洞毁损调查及分析30-40
• 2.5.1 区内涵洞调查目的30-31
• 2.5.2 调查的主要内容31
• 2.5.3 现场涵洞毁损调查和分析31-36
• 2.5.4 区内涵洞毁损统计及分析36-39
• 2.5.5 泥石流区与非泥石流区涵洞毁损比较分析39-40
• 2.6 小结40-41
• 第三章 项目区泥石流特征及运动力学特性41-59
• 3.1 东川区域泥石流静力学特征41-44
• 3.1.1 区内泥石流物质特征41
• 3.1.2 区内泥石流容重特征41-43
• 3.1.3 区内泥石流流变模型和特征43-44
• 3.2 泥石流动力学特征值分析44-57
• 3.2.1 内泥石流流量计算分析44-46
• 3.2.2 泥石流流速研究和计算46-52
• 3.2.3 内泥石流冲击力研究和计算52-54
• 3.2.4 泥石流对涵洞内磨蚀力作用54-56
• 3.2.5 区内泥石流爬高和冲起过程分析56-57
• 3.3 区内工程实例57-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第四章 泥石流作用下涵洞毁损机理有限元数值仿真59-83
• 4.1 泥石流模型连续控制方程59-62
• 4.1.1 引言59
• 4.1.2 泥石流体连续控制方程59-60
• 4.1.3 基于不可压缩泥石流体的k-ε 紊流模型60-62
• 4.2 泥石流与涵洞结构耦合有限元数值仿真62-82
• 4.2.1 ADINA软件简介62-63
• 4.2.2 泥石流冲蚀涵洞的流固耦合原理63-64
• 4.2.3 泥石流与涵洞耦合物理模型及力学模型64-65
• 4.2.4 泥石流-涵洞模型假定及设定65-66
• 4.2.5 基于泥石流直接冲击作用下涵洞毁损机理有限元二维仿真66-72
• 4.2.6 基于泥石流穿过涵洞过程中涵洞毁损机理有限元二维仿真72-76
• 4.2.7 泥石流作用下涵洞毁损机理有限元三维仿真76-82
• 4.3 泥石流作用涵洞过程中二维、三维数值仿真比较分析82
• 4.4 本章小结82-83
• 第五章 泥石流地区新型涵洞结构设计83-109
• 5.1 新型涵洞结构设计来源及构想83-85
• 5.1.1 渡槽83-84
• 5.1.2 东川槽84-85
• 5.2 新型涵洞结构型式及水力要素比较分析85-89
• 5.2.1 新型涵洞布置型式85-86
• 5.2.2 新型涵洞结构最佳水力断面86
• 5.2.3 新型涵洞结构最佳水力要素比较86-89
• 5.3 U型涵洞铺底结构设计计算理论89-90
• 5.4 U型涵洞结构参数尺寸计算及其设计90-98
• 5.4.1 U型涵洞布置原则90-91
• 5.4.2 U型涵洞主要结构尺寸计算及结构设计91-98
• 5.5 U型涵洞结构受荷载模式及内力计算98-104
• 5.5.1 U型涵洞汇流段侧墙内力计算98-100
• 5.5.2 U型涵洞结构涵身荷载及内力计算100-104
• 5.6 多项荷载作用下U型涵洞毁损有限元数值模拟104-108
• 5.6.1 荷载组合104-105
• 5.6.2 U型涵洞计算网格模型105
• 5.6.3 应力场数值仿真结果及其分析105-106
• 5.6.4 位移场数值仿真结果及其分析106-108
• 5.7 本章小结108-109
• 第六章 公路泥石流区综合防治技术研究109-117
• 6.1 公路泥石流区U型涵洞耗能抗冲磨研究109-111
• 6.1.1 U型涵洞进出口消能抗冲方式109-110
• 6.1.2 U型涵洞铺底材料耐磨损特性和缓冲性110-111
• 6.2 公路泥石流区综合防治技术研究111-116
• 6.2.1 公路泥石流区上游拦挡结构型式及选择111-114
• 6.2.2 公路泥石流区排水工程114-115
• 6.2.3 公路泥石流预报预警技术115-116
• 6.2.4 公路泥石流区生物水土保持措施116
• 6.3 本章小结116-117
• 第七章 主要结论和展望117-120
• 7.1 主要结论117-118
• 7.2 展望118-120
• 致谢120-121
• 参考文献121-125
• 学位申请人在攻读学位期间科研及论著情况125

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