服役环境作用下泥石流拦砂坝结构可靠性经时演化及灾变机理研究
批准号:
52078493
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
韩征
依托单位:
学科分类:
工程建造与服役
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
韩征
中文摘要
复杂服役环境作用下拦砂坝工程全寿命可靠性的劣化问题已为共识,考虑拦砂坝结构灾变的严重后果,从长期服役的时间视角重新审视拦砂坝工程可靠性的变化机理至关重要。为解决这一科学问题,需要在明确全寿命期拦砂坝圬工材料经时性能变化规律的基础上,对泥石流-拦砂坝互作用的三维流固耦合过程分析手段等难题尝试突破,这是目前研究的薄弱环节。对此,本项目考察沟道环境作用下坝体圬工材料静动态力学性能时变过程,构建描述泥石流灾害动力过程流变特性及泥石流-拦砂坝互作用过程跨尺度特性的三维流固耦合数值计算框架,探明不同寿命阶段的拦砂坝在泥石流冲击下由结构应力应变响应发展到溃坝灾变的失效路径,并采用基于蒙特卡洛方法的工程可靠度理论查明泥石流灾害下的拦砂坝结构失效概率,进而揭示环境因素长期作用下拦砂坝全寿命可靠性经时劣化及灾变机理。研究成果有望为泥石流拦砂坝设计提供依据,并为拦砂坝实施效果后评价及减灾性能维持提供技术支撑。
英文摘要
Temporal degradation of the life-cycle structural performance of debris-flow dams has been widely confirmed at present due to the complex influence posed by the gully environment and hazard event. In view of the severe consequence of dam failure, it is critical and necessary to re-analyze and evaluate their long-term variation of the structural reliability. A key issue that expected to address this problem regards the analysis of three-dimensional, fluid and solid coupling during the interaction process between debris flow fluid and dam structures under environment variation, which remains a scientific challenge in both theoretical and numerical studies currently. In this context, this project aims at the interaction process between debris flow fluid and dam structures and explores the degradation mechanism of the dam structure as functions of environmental variations. First, the temporal variation process with respect to the degradation of dam material performance is explored by both the static and dynamic tests, under the environment of atmospheric corrosion, water soaking, and debris-flow hazard environment where sabo dams set. Second, a three-dimensional numerical model for describing the complex debris-flow rheological behavior is subsequently developed, based on which a multi-scale computational frame for the simulation fluid-solid coupling process is proposed. According to the developed numerical models, the dynamic response and discontinuous structural deformation of the dam under debris flow impact are analyzed. In this way, the temporal variation mechanism on the life-cycle performance and failure process of debris-flow dam structure under the environmental influence can be concluded, as well as the failure probability using Monte-Carlo based structural reliability analysis method. This project benefits the theoretical foundation for evaluating and maintaining the mitigation effect of debris-flow dams.
拦砂坝是调控泥石流成灾过程的关键防治工程。受泥石流流域复杂环境影响,拦砂坝圬工材料经时性能劣化,影响了拦砂坝工程全寿命可靠性。如何深入分析泥石流较强随机性和不确定性的冲击力作用下的砂坝工程可靠性及其变化机理是目前研究的薄弱环节。针对这一难题,本项目通过野外调查、数值模拟、模型实验等手段开展研究,获得了拦砂坝混凝土材料力学性能的经时劣化规律,构建了泥石流-拦砂坝互作用的流固耦合数值计算框架,揭示了泥石流冲击作用下拦砂坝工程结构全寿命期整体可靠性经时劣化机理。项目研究期间取得如下创新性成果:(1)开展了山区典型水质不同浸泡时间下的混凝土抗压力学性能试验研究,获得了不同浸泡时间下混凝土试件静力抗压力学性能,回归分析了相应的应力-应变曲线,建立了流域水浸泡环境下混凝土随机损伤本构模型,并揭示了其力学性能劣化规律。(2)提出了考虑流固耦合作用动态边界的探测算法和适应三维SPH离散粒子法的泥石流冲击力计算方法,构建了SPH-FEM、SPH-DEM的三维跨尺度流固耦合数值计算框架,实现了泥石流冲击作用下拦砂坝结构从小变形发展到大变形破坏的跨尺度过程的三维模拟,并利用泥石流水槽模型试验进行了数值反演验证。(3)进一步考虑拦砂坝混凝土材料在服役过程中力学强度劣化问题,在SPH-DEM流固耦合数值框架中改进了非线性并联平行黏结模型,提出了用于描述混凝土材料不同服务阶段力学性能的胶结强度系数,分析拦砂坝全寿命阶段在泥石流冲击作用下的整体可靠性变化及破坏机制。(4)探索了数据驱动的泥石流动力过程深度学习计算模型,利用研究中产生的数值模拟数据建立了用于深度学习神经网络训练的数据集,探索了使用数据驱动的回声状态网络RC-ESN和物理信息神经网络PINN来预测泥石流等流体流动过程的研究思路,初步实现一维流体溃坝过程中流速、流深等动力特征参数动态变化的有效预测。依托上述研究成果,项目共计形成SCI论文20篇(SCI收录18篇,CSCD收录论文2篇),新增国家发明专利申请3项,并在国内外学术会议上做特邀及分组报告5次,通过项目培养毕业硕士研究生5人,完成了项目预期目标及指标。项目研究成果为揭示复杂环境作用下泥石流拦砂坝结构可靠性经时演化及灾变机理提供了支撑。
山洪地质灾害多尺度数值计算与动力分析
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批准号:2021JJ20057
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2021
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负责人:韩征
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依托单位:
低山丘陵地区泥石流沟道精细建模与成灾过程数值模拟研究
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批准号:2018JJ3644
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2018
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负责人:韩征
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依托单位:
复杂地形泥石流动力过程物理模型及数值解析研究
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批准号:41702310
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2017
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负责人:韩征
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依托单位:
国内基金
海外基金