堰塞坝漫顶破坏溃口演变机制试验研究

以枷担湾堰塞坝为原型,考虑坝料粒径、坝体高度、坝体下游坡度等影响因素,设置了4种试验工况,制备了相应的试验用坝,并在上游来流量相同的条件下(0.15 L/s),观察不同工况下各坝体的破坏过程,进而分析堰塞坝溃口演变机制。结果表明:堰塞坝的溃决主要可以分为持续时间较长、溃决过程较缓和的溃口贯穿阶段,及持续时间较短、溃决过程较剧烈的溃口拓展阶段两大阶段;溃口演变在纵向上主要体现在陡坎侵蚀和溯源推进,横向上体现在水流淘脚、边坡坍塌;堰塞坝颗粒粒径决定了坝体的抗冲刷能力,颗粒越大,坝体抗冲刷能力越强;坝高反映了水流的冲击能力,坝体越高,坝体溃决时能量越大,危害性也越大;坝体下游坡度反映了坝体的稳定程度,坡度越缓,坝体稳定性越好。     

不同填筑材料对尾矿坝漫顶溃决过程影响试验研究

选取高钛渣、山沙及河沙作为尾矿坝填筑材料,采用试验与理论分析方法研究了相同级配下的3种不同材料填筑尾矿坝在洪水漫顶作用下溃坝过程差异.研究结果表明:高钛渣填筑尾矿坝溃坝后最终溃口宽度最小,坝体侵蚀率最低.山沙和河沙填筑尾矿坝溃坝过程溃口材料损失率和下游洪水含沙率高于高钛渣填筑尾矿坝.将断面平均流速与水流表面流速比值定义为表面流速系数k,泥沙浓度和溃口尺度通过影响k值间接影响溃口流量.理论推导表明当泥沙浓度介于0.05～0.15时存在一个最小k值,当溃口尺寸增大时,k值随之增大.     

川藏公路南线滑坡泥石流坝溃决影响因素分析

川藏公路南线(西藏境内)独特而又脆弱的自然环境导致多次大型滑坡泥石流堵塞主河事件,堰塞湖蓄水溃决造成惨重的危害。在对然乌至培龙段近几十年曾经发生过的堵塞坝事件进行野外考察的基础上,运用室内试验和理论分析相结合的方法对影响坝体溃决的主要因素进行研究,认为泥石流坝溃决是主河水流与沟道特征、坝体几何形态以及坝体物质结构、坝体与主河夹角等多种因素共同作用的结果,其中关键因素为坝体高度和下游坡面坡度,影响着溃坝时机和洪水规模。     

泥石流阻塞大河机理试验研究

通过大型水槽再现了交汇角为90°时高容重黏性泥石流入汇大河的过程,在实验过程中,主要改变泥石流容重和泥石流总量。依据试验资料归纳出了泥石流阻塞大河有3种模式:潜坝壅堵、堰塞坝局部阻塞和堰塞坝全堵,并分析了各自的特点。分析了泥石流阻塞大河的影响因素,分析结果表明:容重影响着泥石流入汇运动的特点和阻塞主河的模式;主河宽度对堵河的影响表现在泥石流的运移距离和主河水力条件改变两方面,大河的河谷宽、水力条件强,难以达到全堵主河状态,常以堰塞坝形式局部阻塞主河;总量对泥石流堵河具有极大的影响,总量越大堵河越严重;当R≥0.80时,堰塞坝固体物质流失严重,上游水位壅高值与堵塞系数呈现指数相关。     

地震共振涌浪作用下冰碛堰塞坝的漫顶溃决

为了研究冰碛坝在地震共振涌浪作用下的漫顶溃决机制,设计了振动台造波模型实验. 首先,通过对比实验获取了地震共振涌浪运动规律和最大波高的影响因素,并通过量纲分析建立了共振条件下涌浪最大波高计算公式;其次,依据非均匀沙起动临界水头高度与溃坝输沙临界水量条件,建立涌浪作用下堰塞坝漫顶溃决临界条件与溃决风险评估程式;最后,以帕隆藏布流域川藏铁路交通廊道沿线34个小型冰碛堰塞湖为例说明评估程式的作业流程. 研究结果表明:地震触发小型水体共振时涌浪运动幅度远超同等条件下的非共振涌浪幅度,且地震作用停止后涌浪波幅缓慢衰减,在共振涌浪时程曲线中存在稳态幅值持续运动阶段;当考虑地震共振效应后,帕隆藏布流域危险冰碛湖数量由3增至11,并在地震动水平地震加速度（PGA）较小区域均有分布;研究可为川藏铁路等沿线堰塞湖地震溃坝风险评估提供科学依据.      

堰塞坝溯源冲刷规律研究

为了进一步认识堰塞湖泄流过程中的溯源冲刷规律,参考唐家山堰塞湖设计了室内水槽试验。结合试验结果进行纵剖面形态演变模拟,得到的冲刷初期形态与实际情况吻合较好。对比分析了入库流量和坝体级配对溯源冲刷速度和累计溯源冲刷量的影响。结果表明:溯源冲刷速度和累计溯源冲刷量与入库流量正相关,与坝体粗沙含量反相关;冲刷速度随着时间的推进而减小;入库流量和坝体级配影响溃口形成的过程,总的累计溯源冲刷量在各种条件下相差不大。     

堰塞坝溯源冲刷规律研究

为了进一步认识堰塞湖泄流过程中的溯源冲刷规律,参考唐家山堰塞湖设计了室内水槽试验。结合试验结果进行纵剖面形态演变模拟,得到的冲刷初期形态与实际情况吻合较好。对比分析了入库流量和坝体级配对溯源冲刷速度和累计溯源冲刷量的影响。结果表明:溯源冲刷速度和累计溯源冲刷量与入库流量正相关,与坝体粗沙含量反相关;冲刷速度随着时间的推进而减小;入库流量和坝体级配影响溃口形成的过程,总的累计溯源冲刷量在各种条件下相差不大。     

粘土矿物成分与剪切强度的相关关系分析

为探究矿物成分对土体强度的影响规律,对纯的粘土矿物进行扫描电镜和X射线衍射试验,确定其成分及微观组构. 对人工配制单一成分粘土,开展不同初始含水率状态下的直剪试验,分析了含水率对各单一矿物粘性土的粘聚力、内摩擦角的影响;对比不同粘土矿物人工配土抗剪强度随含水率变化规律,结合各单一矿物的微观组构特征,探讨了粘土矿物成分对剪切强度的影响. 研究结果表明:高岭石的粘聚力、内摩擦角均随含水率增大单调减小;伊利石和蒙脱石在含水率分别为18%和25%时出现粘聚力峰值;含水率小于20%时,蒙脱石内摩擦角随含水率增加呈线性增大;大于20%时,内摩擦角线性减小.      

拱坝振动试验动力响应研究

以溪洛渡水电站为工程背景,通过振动台模型试验,研究高拱坝在强地震荷载作用下的动力响应和损伤破坏过程。为使试验模型与实际工程条件尽可能一致,模拟影响拱坝系统地震响应的主要因素。试验表明:拱坝模型在三种不同地震波作用下,未发生明显损伤,各测点的应变值均在材料屈服之内。左、右岸坝肩和上游坝踵在超载水平分别为4.0倍、1.92倍和2.56倍时会发生开裂,但未发现拱向开裂及坝体受压破坏现象。两岸滑裂体在3.2倍超载工况开始有较小范围的可恢复滑动发生,但未出现滑裂体整体滑动现象。     

连续刚构桥荷载试验设计与使用性能评定分析

以山西某大桥静载试验为例,桥梁受荷过程中的最不利位置为边跨和中跨正弯矩部位和墩顶最大负弯矩部位。根据工程实际情况,设计出6种不同的荷载工况以及8种荷载布置方式进行加载观测,通过对受荷桥梁的挠度、应力观测结果分析得出十里河大桥满足承载性能要求,试验工况及测点布置方案在类似工程中具有借鉴参考意义。     

全风化软岩填料级配对压实与破碎特性的影响

为研究颗粒级配对全风化软岩填料的压实特性及破碎特性的影响,对不同级配的全风化软岩进行击实、筛分及承载比试验。结果表明：全风化软岩最大干密度为1.86～2.05 g/cm³,最佳含水率为9.50%～11.23%。最大干密度随粗颗粒质量分数的增大而增大,随有效粒径和限制粒径的增大而增大,随不均匀系数的增大而增大,随曲率系数的增大先减小后增大;最佳含水率随粗颗粒质量分数的增大而减小,随有效粒径和限制粒径的增大而减小,随不均匀系数的增大而减小,随曲率系数的增大先增大后减小;4种级配的全风化软岩填料击实后的平均破碎率为0～30%,击实后级配曲线均向上限偏移,含水率对填料破碎率的影响较小,且粗颗粒质量分数越小破碎率越小;不同级配的加州承载比(california bearing ratio, CBR)为2.90～12.36,填料在压实过程中存在一定破碎,但含石量较大的土体仍能满足路堤填料填筑要求。在路堤填筑过程中提高含石量能取得较好的压实效果,可提高路堤承载比。     

列车气密性静态泄漏理论模型与计算

基于一维等熵流动理论推导了列车气密性静态泄漏状态方程, 考虑泄漏孔流量系数, 得到了压降泄漏时间和总泄漏时间计算公式; 数值模拟了列车气密性静态泄漏的动态过程, 并研究了长细比分别为1∶1、1∶4、1∶8和1∶16, 车内初始气压分别为6、5、4和3 kPa时, 泄漏孔长细比和车内初始气压对列车气密性的影响。分析结果表明: 在车内空气压力从3.0 kPa下降到0.8 kPa的过程中, 数值仿真和理论公式计算得到的压降时间分别为20.25、20.23 s, 与试验结果的相对误差分别为1.41%和1.51%;当泄漏孔长细比为1∶8和1∶16时, 列车车厢内空气压力下降时程曲线基本一致, 泄漏孔气流流量保持不变; 泄漏过程中泄漏孔的气流速度呈现中间大周围小的分布特征, 这是由泄漏孔壁面的黏滞作用引起的; 根据出口截面的中心速度和质量流率得到泄漏孔流量系数为0.71, 车内初始气压对相同指定压力下降时间的影响不足1%;若压降范围一致, 随着初始气压的增大, 压降时间减小, 压力从4 kPa下降到1 kPa的时间为24.18 s, 从5 kPa下降到2 kPa的时间为19.80 s; 数值仿真得到的压降泄漏时间与理论计算结果的最大相对误差为1.22%, 表明理论模型与数值仿真计算方法可以用于计算列车泄漏面积或气密性。      

高速铁路拱塔斜拉桥拱塔轴线优化求解

为解决高速铁路斜拉桥以小角度跨越既有交通线路、河流等时塔墩布置难题,引入拱塔结构,并基于不动点迭代方法及有限元计算对拱塔轴线线形的优化求解问题进行了分析. 在确定拱塔高度和跨度并拟定初始拱塔轴线的基础上,首先对拱塔结构进行受力平衡分析,建立拱塔线形优化非线性方程组;然后应用不动点迭代方法求解该非线性方程组,得到合理拱塔轴线的近似解,求解过程中通过有限元方法计算斜拉索的索力;最后以广汕铁路跨深汕高速拱塔斜拉桥为工程背景,分别优化得到恒载、恒载 + 单线列车竖向静活载、恒载 + 双线列车竖向静活载3种工况下合理拱塔轴线的近似解. 结果表明:3种不同的荷载工况下,线形优化后的拱塔弯矩最不利值相对优化前弯矩降低89.8%～94.8%;主力、主力 + 附加力荷载组合下,拱塔弯矩降低幅度介于64.6%～92.2%,拱塔应力由?172.6～?179.5 MPa降低至?74.0～?6.2 MPa,拟合轴线下拱塔正负挠度分别降低51.0%、33.8%.      

车辆吸能部件的碰撞试验与数值仿真

为了设计某列车耐撞性车体,实现列车被动安全保护,进行了台车碰撞试验和数值仿真计算,研究了耐撞性车体吸能部件的吸能特性。在台车撞击试验过程中,吸能部件从预期部位开始发生稳定有序的塑性变形,吸收的冲击动能与最大变形量基本成正比关系,说明该部件具有良好的吸能效果。并在此基础上,应用显式动力有限元理论建立了其有限元撞击模型,进行了数值仿真计算。相关性分析结果表明:仿真结果与试验结果基本一致,在整个撞击过程中,撞击力曲线基本吻合,最大撞击力峰值分别为2486·3、2423·1kN,最大变形量误差和初始撞击力峰值误差都小于3%,反弹速度误差小于4%。显然,利用撞击试验验证了数值计算的有效性和可靠性,利用数值计算设计和优化车辆吸能部件是可行的。     

冻胀冻融作用下材料劣化对板式无砟轨道性能的影响

以哈大高速铁路路基冻胀区板式无砟轨道为研究对象,开展了快速冻融循环作用下C60、C40混凝土和砂浆材料标准立方体试件轴心受压和劈裂抗拉破坏试验,研究了冻融循环作用下材料性能劣化规律;在此基础上,建立了考虑限位凸台、环形树脂和层间黏结接触性能的CRTS Ⅰ板式无砟轨道-路基冻胀冻融空间有限元模型,研究了冻融损伤后轨道的静力特性,揭示了底座板的受力状态与损伤特征。研究结果表明:提高混凝土强度等级可显著减缓冻融循环对材料的劣化剥蚀作用,冻融循环加剧会导致结构界面接触状态显著恶化;随着冻融循环作用次数的增加,砂浆层和底座板材料性能劣化显著,弹性模量、层间黏结强度和轴心抗拉强度均大幅减小;与未冻融工况相比,300次冻融循环后,C60、C40混凝土和砂浆的峰值抗压强度降幅分别为14.7%、34.6%和29.9%,C60混凝土与砂浆胶结界面轴心抗拉强度降幅达到90.6%,C60、C40混凝土和砂浆轴心抗拉强度降幅均超过56%;在典型冻胀条件(冻胀波长为10 m,冻胀峰值为8 mm)下,冻胀中心处轨道各结构层上表面均受最大拉应力,在冻胀波脚处出现最大压应力;随着冻融循环次数的增加,轨道板和底座板所受最大拉应力亦不断增加。可见,在设计寒区板式无砟轨道时,底座板为主要控制性构件,底座板中部冻胀为最不利工况。      

基于减速度包络线修正的新型防滑效率计算方法

为解决现有防滑效率计算方法准确性低、评价效果差等问题,在深入分析列车制动防滑过程中轮轨黏着系数变化规律及特点的基础上,修正了列车制动防滑过程减速度峰值包络线,使其接近理想减速度曲线,进而提出一种新型防滑效率计算方法;结合列车制动防滑系统实际工作原理,搭建了列车制动防滑效率仿真验证平台,在仿真层面验证了减速度包络线修正的正确性和新型防滑效率计算方法的准确性;在不同仿真工况下对比分析了6种防滑效率计算方法的合理性和防滑性能评价效果,并基于实车防滑试验验证了新方法的实用性。研究结果表明：搭建的列车制动防滑效率仿真验证平台所得列车制动时间、制动距离等计算结果与相同工况下实车防滑试验结果的相对误差不超过5%,可用来验证和分析防滑效率计算方法与防滑性能评价效果;修正后的减速度峰值包络线与理想减速度曲线的相对误差不超过4.5%;当防滑控制策略不变时,新型防滑效率计算方法对列车在不同制动级位和黏着水平下的仿真结果相差不超过1.1%,试验结果相差不超过3.5%,且防滑效率均小于100%,稳定性良好;采用不同防滑控制策略时,新型防滑效率计算方法的仿真结果存在明显差异,且不同控制策略对应的防滑效率与其防滑性...     

复杂裂隙岩体力学损伤特性与破坏机理分析

针对不同节理状态的岩体受力复杂、力学损伤特性评估困难等问题,采用室内准确预设节理制备试件,模拟不同条件的力学损伤试验,并进行了应力-应变特性、弹性模量和破坏机理分析。结果表明:节理最不利倾角为45°,节理数量越多、贯通度越长、夹层厚度越大,岩体强度越低; 0°和90°倾角节理岩体主要是剪切破坏,其余为复合张-剪破坏,破坏过程存在应力积累和集中释放现象。     

船用大型压气机质量流量分区域建模方法

针对查表法外推能力不可靠以及采用单一曲线拟合法时在压气机不同工作区域的预测与外推精度不一致的问题, 提出了一种船用大型压气机质量流量分区域建模方法; 通过定义区域划分函数, 将压气机整个工作区域划分为设计工况区、低转速区、高转速区与低压比区, 通过对比与分析经典的和近年提出的压气机质量流量数学模型的预测和外推精度, 为每个区域选择精度最高的数学模型; 为防止在动态仿真过程中当压气机运行点由其他区进入低压比区时可能出现的不连续间断点, 应用一种曲线融合方法来保证等转速线的平滑过渡; 为验证所提出的建模方法的正确性与有效性, 将其应用于一台船用大型低速二冲程柴油机仿真模型中开展稳态与瞬态仿真试验。研究结果表明: 相比查表法, 提出的建模方法可有效提升主机仿真模型增压器转速的稳态预测精度, 平均绝对百分误差由3.54%下降至0.61%, 在改变主机转速与负载这2种瞬态工况下, 压气机的运行点可平稳、连续地由设计工况区过渡至非设计工况区; 提出的建模方法既能准确预测压气机设计工况区内的已有样本数据点, 又能合理、稳健地外推至非设计工况区, 既可直接应用于涡轮增压发动机的动态仿真研究中, 也可用于离线生成压气机在全工况范围内的性能图谱, 进而应用于商业发动机性能仿真软件中。      

就地热再生过程中老化沥青混合料性能评价

为了提高沥青路面就地热再生过程中老化混合料的利用效率,对老化混合料性能进行研究。对老化混合料进行抽提筛分试验,发现沥青损失量较少,但针入度和延度衰退超过50%,粗 集料明显细化。制备了三种混合料,包括路面回收旧料A、与旧料级配一致的新料B和与旧料初始级配一致的新料C,分别对其进行性能评价。动态模量试验结果显示,沥青老化和级配衰减对沥青混合料黏弹性力学响应产生不利影响;A的冻融劈裂强度比仅为51.9%,表明抗水损害能力严重下降;A与C的高温稳定性接近,表明旧料高温稳定性保持稳定;A的抗弯拉强度、破坏应变、应变能密度分别是B的62.5%、32.3%和13.2%,表明旧料低温抗裂能力显著下降。上述试验结果表明,沥青老化和级配衰变皆对就地热再生沥青混合料性能产生影响：对水稳定性和低温抗裂性影响显著,对高温稳定性影响较小;但两因素的具体贡献比例有待进一步研究。     

重型车辆撞击下桥墩碰撞力简化模型

为了探究钢筋混凝土桥墩在重型车辆撞击下的安全性能, 建立了重型车辆-桥墩碰撞精细有限元模型, 研究了撞击速度、桥墩直径、上部结构边界条件和货物高度对桥墩破坏模式和内力分布的影响; 分析了不同工况下的车辆碰撞力特征, 并基于车辆初始动能耗散特点提出了碰撞力简化模型。分析结果表明: 重型车辆碰撞过程可以分为保险杠、发动机和货物撞击桥墩3个阶段, 碰撞力在前2个阶段主要集中在0.9 m高度处, 而在第3个阶段主要分布在2.7 m高度处; 在重型车辆撞击下, 不仅桥墩端部会出现严重损伤, 碰撞部位附近也可能发生严重的局部冲剪破坏; 由于忽略了碰撞荷载的动力效应和车辆与桥墩的耦合作用, 采用《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60—2015) 中建议的等效静力设计方法难以获得桥墩的实际撞击响应; 撞击速度对桥墩内力和碰撞力的影响最显著, 货物高度的不同会改变碰撞力的空间分布, 但不会影响桥墩的最大内力响应; 重型车辆的初始动能存在6.5 MJ的阈值, 当初始动能小于该阈值时, 车辆发动机和保险杠的碰撞作用对桥墩动力响应起主导作用, 反之, 后部货物的碰撞作用控制碰撞力峰值; 碰撞力简化模型和精细车辆模型预测所得桥墩最大内力响应的相对误差在8%以内, 且计算耗时从6~7 h缩短到4 min。