泥石流柔性防护系统耦合作用数值模拟
Coupled Numerical Simulation of Flexible Debris Flow Barrier
- 防灾减灾工程学报 2022年42卷第3期 页码：606-613
- 作者机构：
西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031
- 作者简介：
赵雷（1990—），男，讲师，博士。主要从事防灾减灾与防护工程研究。E-mail: zhaolei@my.swjtu.edu.cn
- 基金信息：国家重点研发计划课题(2018YFC1505405);国家自然科学基金(51678504);四川省应用基础研究重点资助项目(2018JY0029;2019YJ0221)
DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.202001036
中图分类号： X43收稿：2020-01-31，
修回：2020-06-28，
纸质出版：2022-06-28
- 稿件说明：
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赵雷,张丽君,余志祥等.泥石流柔性防护系统耦合作用数值模拟[J].防灾减灾工程学报,2022,42(03):606-613.
ZHAO Lei,ZHANG Lijun,YU Zhixiang,et al.Coupled Numerical Simulation of Flexible Debris Flow Barrier[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(03):606-613.
赵雷,张丽君,余志祥等.泥石流柔性防护系统耦合作用数值模拟[J].防灾减灾工程学报,2022,42(03):606-613. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.202001036.
ZHAO Lei,ZHANG Lijun,YU Zhixiang,et al.Coupled Numerical Simulation of Flexible Debris Flow Barrier[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(03):606-613. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.202001036.
摘要
柔性防护系统近年来被广泛应用于交通沿线地质灾害的防治，但目前的相关研究主要集中在落石冲击作用下的力学响应，而遭受泥石流冲击作用的相关研究较少。泥石流与柔性防护系统的相互作用包括泥石流运动和柔性防护系统冲击大变形两个复杂的力学过程，目前尚无有效的耦合计算方法。为此，基于LS-DYNA程序，采用ALE方法，利用Drucker-Prager模型模拟泥石流的运动，并通过流固耦合算法，建立了考虑泥石流与柔性防护系统相互作用耦合计算方法。通过与既有野外足尺试验数据对比，包括泥石流流经沟槽不同位置时的速度、流深以及柔性防护系统钢丝绳内力、变形，验证了耦合计算方法的有效性。在此基础上，进一步研究了泥石流冲击作用下，冲击能量的平衡转换关系，结果表明：柔性防护系统消耗的能量占泥石流冲击总动能的比例不到25%，将近60%冲击能量转换为泥石流内能，这进一步说明了采用耦合方法进行泥石流柔性防护系统分析与设计的必要性。
Abstract
In recent years， flexible barriers have been widely used in the prevention and control of geological disasters along railways， but the researches are mainly focused on the impact of rockfall， and few related studies focus on the impact of debris flow. The interaction between debris flow and flexible barrier includes two complex mechanical processes： debris movement and large deformation of the flexible barrier. At present， there is no effective coupled numerical simulation method. Therefore， in this paper， a coupled method to simulate the interaction between debris flow and the flexible barrier is established based on ALE method using LS-DYNA. In this method， Drucker-Prager model is adopted to describe the movement of debris flow. Compared with the existing full-scale test， including the flow velocity and flow depth of debris flow， as well as the internal force and deformation of flexible barrier， the validity of the coupling method is verified. Then， the transformation of the impact energy of debris flow is further studied. The results show that only 25% of the impact energy of the debris was dissipated by the flexible barrier， and there was about 60% of the impact energy transferred to the internal energy and dissipated by the debris flow itself. The results further explain the necessity to analyze and design flexible debris barriers by the coupling method.
关键词
Keywords
references
崔鹏 ， 庄建琦 ， 陈兴长 ， 等 . 汶川地震区震后泥石流活动特征与防治对策 ［J］. 四川大学学报（工程科学版） ， 2010 ， 42 （ 5 ）： 10 - 19 .
Cui P ， Zhuang J Q ， Chen X C ， et al . Characteristics and countermeasures of debris flow in wenchuan area after the earthquake ［J］. Journal of Sichuan University （Engineering Science Edition） ， 2010 ， 42 （ 5 ）： 10 - 19 . （in Chinese）
李睿祺 ， 胡桂胜 ， 陈宁生 ， 等 . 川藏铁路沟谷型泥石流形成运动特征与工程危害研究 ［J］. 防灾减灾工程学报 ， 2021 ， 41 （ 3 ）： 432 - 440，462 .
Li R Q ， Hu G S ， Chen N S ， et al . Study on formation and motion characteristics and engineering hazards of gully type debris flow in sichuan tibet railway ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2021 ， 41 （ 3 ）： 432 - 440，462 . （in Chinese）
王秀丽 ， 冉永红 ， 李俊杰 . 带连续防撞墩的新型泥石流拦挡坝抗冲击性能分析 ［J］. 防灾减灾工程学报 ， 2017 ， 37 （ 3 ）： 474 - 480 .
Wang X L ， Ran Y H ， Li J J . Analysis of shock resistance of new debris flow dam with continuous crash bearers ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigationg Engineering ， 2017 ， 37 （ 3 ）： 474 - 480 . （in Chinese）
王根龙 ， 张茂省 ， 赵成 ， 等 . 对三眼峪泥石流以往防治措施的反思 ［J］. 西北地质 ， 2011 ， 44 （ 3 ）： 115 - 121 .
Wang G L ， Zhang M S ， Zhao C ， et al ． Post-thinking of the former mitigation measures for the Sanyanyu debris flow ［J］. Northwestern Geology ， 2011 ， 44 （ 3 ）： 115 - 121 . （in Chinese）
陈晓清 ， 游勇 ， 崔鹏 ， 等 . 汶川地震区特大泥石流工程防治新技术探索 ［J］. 四川大学学报（工程科学版） ， 2013 ， 45 （ 1 ）： 14 - 22 .
Chen X Q ， You Y ， Cui P ， et al . New control methods for large debris flows in Wenchuan earthquake area ［J］. Journal of Sichuan University （Engineering Science Edition） ， 2013 ， 45 （ 1 ）： 14 - 22 . （in Chinese）
陈剑 ， 王全才 ， 王浩 ， 等 . 基于Hertz理论的泥石流块石冲击力修正系数研究 ［J］. 振动与冲击 ， 2017 ， 36 （ 16 ）： 26 - 31 .
Chen J ， Wang Q C ， Wang H ， et al . A study on the modified coefficient for impact force of boulders conveyed in debris flow based on the Hertz theory ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2017 ， 36 （ 16 ）： 26 - 31 . （in Chinese）
贺咏梅 ， 成铭 . 柔性防护技术在泥石流防护中的应用及研究进展 ［J］. 水土保持研究 ， 2007 （ 3 ）： 292 - 294， 299 .
He Y M ， Cheng M . Research on the application of flexible system to mitigation of mudflow ［J］. Research of Soil and Water Conservation ， 2007 （ 3 ）： 292 - 294， 299 . （in Chinese）
Sze E H Y ， Koo R C H ， Leung J M Y ， et al . Design of flexible barriers against sizeable landslides in Hong Kong ［J］. HKIE Transactions ， 2018 ， 25 （ 2 ）： 115 - 128 .
Volkwein A ， Wendeler C ， Guasti G . Design of flexible debris flow barriers ［C］∥ 5Th International Conference Debris‐Flow Hazard Mitigation . Italy ： Mechanics， prediction and assessment ， 2011 ： 1093 - 1100 .
Denatale J S ， Iverson R M ， Major J J ， et al . Experimental testing of flexible barriers for containment of debris flows ［R］. United States ： U.S. Geological Survey ， 1999 .
Bugnion L ， Brian W M ， Bartelt P ， et al . Measurements of hillslope debris flow impact pressure on obstacles ［J］. Landslides ， 2011 ， 2 （ 9 ）： 179 - 187 .
Brighenti R ， Segalini A ， Ferrero A M . Debris flow hazard mitigation： A simplified analytical model for the design of flexible barriers ［J］. Computers and Geotechnics ， 2013 ， 54 ： 1 - 15 .
Wendeler C ， Volkwein A . Laboratory tests for the optimization of mesh size for flexible debris-flow barriers ［J］. Natural Hazards and Earth System Sciences ， 2015 ， 15 （ 12 ）： 2597 - 2604 .
Song D ， Choi C E ， Ng C W W ， et al . Geophysical flows impacting a flexible barrier： effects of solid-fluid interaction ［J］. Landslides ， 2018 ， 15 （ 1 ）： 99 - 110 .
Song D ， Zhou G G D ， Choi C E ， et al . Debris flow impact on flexible barrier： effects of debris-barrier stiffness and flow aspect ratio ［J］. Journal of Mountain Science ， 2019 ， 16 （ 7 ）： 1629 - 1645 .
Tan D Y ， Yin J H ， Feng W Q ， et al . New simple method for calculating impact force on flexible barrier considering partial muddy debris flow passing through ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2019 ， 145 （ 9 ）： 04019051 .
Leonardi A ， Wittel F K ， Mendoza M ， et al . Particle- fluid- structure interaction for debris flow impact on flexible barriers ［J］. Computer-aided Civil and Infrastructure Engineering ， 2016 ， 31 （ 5 ）： 323 - 333 .
Lee K S ， Cho S H ， Kim J H ， et al . Impact force assessment of flexible debris-flow barriers using small-scale model test ［J］. International Journal of Mechanical and Production Engineering ， 2017 ， 5 （ 12 ）： 46 - 50 .
Li X Y ， Zhao J D . A unified CFD-DEM approach for modeling of debris flow impacts on flexible barriers ［J］. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics ， 2018 ， 42 （ 14 ）： 1643 - 1670 .
Kwan J S H ， Sze E H Y ， Lam C . Finite element analysis for rockfall and debris flow mitigation works ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 2019 ， 56 （ 9 ）： 1225 ‑ 1250 .
夏春兰 . 被动柔性防护网在泥石流灾害治理中的应用研究 ［D］. 成都 ： 西南交通大学 ， 2017 .
Xia C L . Study on the application of passive flexible protection to debris flow disaster management ［D］. Chengdu ： Southwest Jiaotong University ， 2017 . （in Chinese）
王鸿 ， 杨中福 ， 周灵 . SNS柔性防护系统在泥石流治理工程中的探讨 ［J］. 山西建筑 ， 2008 （ 3 ）： 129 - 130 .
Wang H ， Yang Z F ， Zhou L . Discussion of the SNS flexibility protection system in debris flow treatment project ［J］. Shanxi Architecture ， 2008 （ 3 ）： 129 - 130 . （in Chinese）
刘成清 ， 许城杰 ， 陈鑫 ， 等 . 泥石流柔性防护系统破坏原因分析与设计对策 ［J］. 水利与建筑工程学 ， 2017 ， 15 （ 5 ）： 6 - 11 .
Liu C Q ， Xu C J ， Chen X ， et al . Failure cause analysis and countermeasures design of flexible debris flow protection system ［J］. Journal of Water Resources and Architectural Engineering ， 2017 ， 15 （ 5 ）： 6 - 11 . （in Chinese）
Kwan J S H ， Cheung R W M . Suggestions on design approaches for flexible debris-resisting barriers ［R］. Hong Kong ： Geotechnical Engineering Office， the HKSAR Government ， 2012 .
EOTA， EAD 340020-00-0106 Flexible Kits for Retaining Debris Flows and Shallow Landslides/Open Slope Debris Flows ［S］. EU ： European Organisation for Technical Approvals ， 2016 .
赵世春 ， 余志祥 ， 赵雷 ， 等 . 被动防护网系统强冲击作用下的传力破坏机制 ［J］. 工程力学 ， 2016 ， 33 （ 10 ）： 24 - 34 .
Zhao S C ， Yu Z X ， Zhao L ， et al . Damage mechanism of rockfall barriers under strong impact loading ［J］. Engineering Mechanics ， 2016 ， 33 （ 10 ）： 24 - 34 . （in Chinese）
齐欣 ， 余志祥 ， 许浒 ， 等 . 被动柔性防护网结构的累计抗冲击性能研究 ［J］. 岩石力学与工程学报 ， 2017 ， 36 （ 11 ）： 2788 - 2797 .
Qi X ， Yu Z X ， Xu H ， et al . Cumulative impact resistance of passive flexible protective structure ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2017 ， 36 （ 11 ）： 2788 - 2797 . （in Chinese）
Yu Z X ， Zhao L ， Liu Y P ， et al . Studies on flexible rockfall barriers for failure modes， mechanisms and design strategies： a case study of Western China ［J］. Landslides ， 2019 ， 16 （ 2 ）： 347 - 362 .
Koo R C H ， Kwan J S H ， Lam C ， et al . Back-analysis of geophysical flows using three-dimensional runout model ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 2018 ， 55 （ 8 ）： 1081 - 1094 .
Zhao L ， Yu Z X ， Liu Y P ， et al . Numerical simulation of responses of flexible rockfall barriers under impact loading ［J］. Journal of Constructional Steel Research ， 2020 ， 167 ： 105953 .
Xu H ， Gentilini ， Yu Z X ， et al . An energy allocation based design approach for flexible rockfall protection barriers ［J］. Engineering Structures ， 2018 ， 173 （ 10 ）： 831 - 852 .
LS-DYNA Keyword User's Manual Volume I ［R］. Livermore Software Technology Corporation （LSTC） ， 2018 .
Bugnion L ， Wendeler C . Shallow landslide full-scale experiments in combination with testing of a flexible barrier ［C］∥ 3rd International Conference on Monitoring， Simulation， Prevention and Remediation of Dense and Debris Flows . Italy ： Univ Milano ， 2010 ： 161 - 173 .
Bugnion L ， Boetticher A ， Wendeler C . Large scale field testing of hillslope debris flows resulting in the design of flexible protection barriers ［C］∥ 12th Interpraevent congress ， France ： International Research Society INTERPRAEVENT ， 2012 ： 59 - 66 .
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