Experimental and numerical investigation of debris flow interception using multiple stepped flexible barriers
01摘要
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柔性挡土墙是一种环境友好、易于施工的挡土墙结构。由于柔性屏障材料的可变形性和有限的强度，这些屏障只能用于中小型泥石流沟道。本文针对传统柔性屏障在泥石流控制应用中的局限性，提出了一种改进的多阶柔性屏障布置方案。采用实验与数值相结合的方法，研究了多级柔性屏障在固体堆积物中达到最大储存量后的分离效应及其应力应变分布。结果表明，随着泥石流密度的增加，多级柔性屏障对大颗粒的分离能力逐渐降低，这意味着多级柔性屏障的泥石流调节能力随着泥石流密度的增加而降低。当泥石流密度超过2200 kg/m3时，多级柔性屏障将完全丧失降低泥石流密度的能力。固体堆积体的厚度在上游呈先增大后减小的趋势;固体堆积体厚度随泥石流密度的增大而增大。数值模拟结果表明，每个柔性屏障底部附近存在较大的剪切应力和剪切应变。当柔性屏障纵向间距增加到其高度的1.6倍时，上层堆积层传递给下层的内应力逐渐减弱或消失。在这种情况下，柔性屏障的土压力相对较小。研究结果可为宽断面泥石流沟壑区多级柔性屏障的设计与施工提供指导。
02图表
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03结论
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通过水槽试验和数值模拟，研究了多级柔性屏障模型的分离效果，以及不同柔性屏障纵向间距下泥石流沉积物的应力-应变分布。研究结果可以总结如下:
1对于直径大于或等于柔性屏障栅格尺寸的固体颗粒，多级柔性屏障的分离效率超过93%，并随着泥石流密度的增大而降低。说明多阶柔性屏障对稀、中泥石流具有较好的分离效果，不适用于泥石流频繁发生的地区。
2. 泥石流密度对小于柔性屏障栅格的固体颗粒的分离效果有显著影响。在相同流速范围内，随着泥石流密度的增加，多级柔性屏障拦截直径小于5mm固体颗粒的比例增加。这意味着多级柔性屏障对细颗粒的排出能力随着泥石流密度的增大而减小。
3. 在多级柔性屏障作用下，泥石流密度变化率在3.00% ~ 24.00%之间，随泥石流密度的增大而逐渐减小。当泥石流密度超过2200 kg/m3时，多级柔性屏障不再能够降低泥石流的risflow密度。这也说明多级柔性屏障不适合粘性泥石流的分选和截流。
4. 在多级柔性屏障的拦截下，泥石流的固体物质逐渐积聚。堆积厚度在纵向上先增大后减小。随着泥石流密度和多阶柔性屏障纵向间距的增加，同一位置的堆积厚度略有增加。这是固体颗粒在多级柔性屏障的分离作用下积累的结果。
5. 有限元模拟结果表明，第2和第3步障碍物的应力集中程度较高。当多台阶柔性屏障的纵向间距较小时，上层堆积的内应力转移到下层，使柔性屏障承受较大的土应力。当柔性屏障纵向间距为其高度的1.6倍时，相邻堆积层之间的应力传递影响显著减小。结果表明，多级柔性屏障各台阶上的土应力应变均有所减小。研究结果可指导宽泥石流沟道多级柔性屏障的研究和设计。
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