坡面地质灾害柔性防护的多场耦合分析方法及应用

坡面地质灾害柔性防护的多场耦合分析方法及应用2024年4月汇报人：柳春博士(副总工/研发中心主任)广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司/广东和立交通养护科技有限公司第六届全国边坡安全防护与生态修复新技术高峰论坛问题的提出要做什么+为什么做+怎么做创新性研究内容做了什么研究成果做出了什么CONTENTS目录目录三一二一、问题的提出《全国地质灾害通报》统计1.坡面地质灾害年份（亿元）（个）死亡人数直接经济损失坡面地质灾害的防治已成为交通运输部门最关心的问题之一！对人民的生命和财产造成了严重的损失！一、问题的提出2.柔性防护结构上世纪60年代二战时期二战后发展历程舰艇拦截雪崩拦截典型坡面地质灾害拦截哲学思想：以柔克刚，达到事半功倍的拦截效果！一、问题的提出崩塌撞击破裂摩擦碰撞颗粒体流体离散颗粒体间摩擦碰撞颗粒与流体耦合接触离散颗粒体间摩擦碰撞碎屑流崩塌滚石泥石流难点1：坡面地质灾害力学行为的复杂性4.科学问题尽管柔性防护结构应用多年，但其中涉及的力学特性十分复杂！一、问题的提出4.科学问题尽管柔性防护结构应用多年，但其中涉及的力学特性十分复杂！大变形大滑移接触非线性一、问题的提出4.科学问题尽管柔性防护结构应用多年，但其中涉及的力学特性十分复杂！难点3：荷载-结构耦合作用的复杂性颗粒体流体防护网

防护网-泥石流耦合

防护网-碎屑流耦合防护网

防护网-崩塌滚石耦合防护网

变形前变形前变形前防护网大变形荷载体冲击特性影响反影响耦合作用：模型弯拉特性-引起拉伸力学特性转换接触滑移特性-影响网环间接触传力压扁效应-影响接触区传力环网一、问题的提出5.现有研究存在的不足①环网等代模型要做什么一、问题的提出5.现有研究存在的不足①环网等代模型要做什么一、问题的提出5.现有研究存在的不足②柔性防护结构整体模型要做什么单元力学模型精度滑移边界网片耗能器绳沿柱端的滑移支撑体系的机构运动效应网片沿绳索的滑移离散元模型

有限元模型

模型考虑特性不能兼顾单元力学模型精度与滑移边界的模拟！而这是柔性防护结构模拟精度的关键所在一、问题的提出5.现有研究存在的不足②柔性防护结构整体模型要做什么模型考虑特性为实现防护系统在实际灾害环境下的行为预测及设计提供支撑与参考，需要考虑上述模型的精度！一、问题的提出5.现有研究存在的不足④结构灾变耦合模型数值模型防护网碎屑流耦合缺陷FEMFEMFEM是无法模拟大量碎屑体DEMDEMDEM是未考虑网片精确变形FEM-DEMFEMDEM是未考虑网片滑移效应和网环间滑移数值模型防护网崩塌滚石耦合缺陷FEMFEMFEM是无法模拟滚石破裂DEM-FEMDEMFEM是无法模拟滚石破裂数值模型防护网泥石流耦合缺陷颗粒浆体FEMFEM无静载否未考虑泥石流中颗粒体；未考虑泥石流与防护网的耦合ALE-FEMFEM无ALE是未考虑流体中颗粒体；浆体网格大畸变时易造成计算错误CFD-DEMDEMDEMCFD是未考虑网片精确变形；模拟泥石流易网格畸变LBM-DEM-FEMFEMDEMLBM是未考虑网片滑移效应、网环间滑移、浆体与结构耦合A柔性防护结构-碎屑流B柔性防护结构-崩塌滚石C柔性防护结构-泥石流要做什么一、问题的提出要做什么一、问题的提出6.实际柔性防护工程经常发生破坏钢柱屈曲+网片破坏钢柱屈曲支撑绳断裂整体倾覆钢柱翼缘屈曲构件锈蚀要做什么由于上述科学问题研究的不足一、问题的提出7.主要研究内容+研究意义要做什么针对不足①建立环网离散化等代模型建立柔性防护结构整体协同模型建立泥石流冲击荷载计算模型建立结构灾变耦合模型研究结构灾变耦合动力学行为分析结构破坏机理并提出设计建议针对不足②针对不足③针对不足④针对不足⑤针对不足⑥不足研究内容亮点综合考虑模型弯拉复合受力、网环间的接触滑移、网环接触区的压扁软化效应、惯性力效应、破坏失效。综合考虑模型的构件的单元力学模型的构建、构件间的滑移边界的模拟。构建两相流模型，解决坡面泥石流模拟的网格畸变难题。综合考虑模型的环网模拟精确性、耗能器的拟塑性变形和边界滑移条件、泥石流的固液两相流特性、耦合接触力的传递。量化研究结构-荷载耦合动力学行为，采用敏感度分析方法识别了影响动力学行为的主要参数。基于野外实际调查，分析柔性防护结构破坏模式的破坏机理，并提出相应的设计对策。反演分析实际工点，验证其破坏机理及设计对策的有效性。一、问题的提出8.研究意义为什么做科学意义推动多柔体系统动力学的发展为研发新型结构提供理论基础指导设计减少灾害损失工程意义一、问题的提出9.研究框架及路线怎么做二、创新性研究内容做了什么环网离散化等代模型的建立3421柔性防护结构整体协同模型的建立泥石流冲击荷载计算模型的建立柔性防护结构灾变耦合模型的建立5柔性防护结构的设计对策的分析6结构灾变耦合动力学行为的研究实际钢丝束网环PP等效单圆截面圆环PP接触压扁区弯-拉等效质量等效接触滑移等效压扁效应等效失效应变等效二、创新性研究内容做了什么1.环网离散化等代模型模型建立0.31371MPa1826MPa0.0180.038优化待定非接触区弹模E各参数取值二、创新性研究内容做了什么1.环网离散化等代模型环网本构模型规格类型峰值变形绝对值(mm)误差(%)

试验183.3

R12本文177.33.3

SF168.18.3

试验183.7

R16本文179.32.4

SF169.37.8

试验198.1

R19本文189.24.5

SF177.210.6a）b）c）破断二、创新性研究内容做了什么1.环网离散化等代模型模型验证（网环拉伸）破坏位置也在接触区SF曲线由于没有考虑压扁效应，精度比本文差5%！二、创新性研究内容做了什么2.柔性防护结构整体协同模型整体力学模型大变形、大滑移、接触运动整体冲击变形对比绳索拉力对比二、创新性研究内容做了什么2.柔性防护结构整体协同模型整体力学模型验证由于文献[81]没有考虑环网内边界等效和压扁等效，最大变形精度比本文低12%！绳索拉力时程趋势差距较大！颗粒间接触碰撞两相流力学模型浆体-颗粒接触

DEMSPH2h

DEM核函数4h核函数半径核函数中心SPH粒子iSPH粒子j

二、创新性研究内容做了什么3.泥石流冲击荷载计算模型计算力学模型二、创新性研究内容做了什么3.泥石流冲击荷载计算模型模型验证0.61m0.24m0.25m壁面左视图0.3m0.75m0.4m0.5m0.12m0.58m闸门侧视图水拦挡桩（1）SPH流体模拟方法的验证趋势吻合很好，最大冲击力误差11%！二、创新性研究内容做了什么3.泥石流冲击荷载计算模型模型验证（2）SPH-DEM模拟文家沟泥石流的验证文家沟泥石流—2010.8.13特点：1.形成条件好：堆积体在主沟约3km

的沟道长度，物源条件相当丰富。2.方量大：泥石流总体积达到310万

立方米，大约2万节火车车厢容量。3.历时短：仅2-3分钟。4.危害大：下游河道高达15m的淤

积，479座房屋被摧毁。泥石流全貌地形及地层岩性堆积体位置主沟文家沟泥石流实际与模拟对比二、创新性研究内容做了什么3.泥石流冲击荷载计算模型模型验证（2）SPH-DEM模拟文家沟泥石流的验证文家沟泥石流二、创新性研究内容做了什么4.结构灾变耦合模型耦合力学模型建立二、创新性研究内容做了什么4.结构灾变耦合模型耦合力学模型建立二、创新性研究内容做了什么4.结构灾变耦合模型耦合力学模型建立二、创新性研究内容做了什么4.结构灾变耦合模型耦合模型验证（碎屑流-结构）防护网V1V2V3V440°11m26.9m14.85m19.72m1m10°试验模型仿真模型二、创新性研究内容做了什么4.结构灾变耦合模型耦合模型验证（碎屑流-结构）实际变形模拟变形变形对比内力对比结果对比由于考虑了结构荷载双向耦合作用，模拟结果与试验的拉力时程趋势更为一致！二、创新性研究内容做了什么4.结构灾变耦合模型耦合模型验证（泥石流-结构）力传感器耗能器下支撑绳上支撑绳网片钢柱拉锚绳1拉锚绳2泥石流源钢柱虚拟膜单元卸扣滑移单元上支撑绳泥石流防护网坡道试验模型仿真模型二、创新性研究内容做了什么4.结构灾变耦合模型耦合模型验证（泥石流-结构）冲击过程t=t0+2st=t0+5s前端冲击爬升二、创新性研究内容做了什么4.结构灾变耦合模型耦合模型验证（泥石流-结构）由于考虑了泥石流中颗粒体作用，本文绳索内力精度比Bugnion提高了7%左右！二、创新性研究内容做了什么5.耦合动力学行为碎屑流-结构冲击过程t=2.8st=3.5st=4.1st=6.4st=8st=5.2s前端冲击阶段爬升阶段堆积阶段二、创新性研究内容做了什么5.耦合动力学行为碎屑流-结构冲击变形冲击力经验公式：2.15m3533kN爬升阶段爬升阶段动力系数：确定困难，不便应用在爬升阶段已趋于稳定二、创新性研究内容做了什么6.柔性防护结构的设计对策破坏模式工点勘察工点号地点柔性防护结构类型灾害类型1桃关1号隧道被动柔性防护网崩塌滚石2毕棚沟被动柔性防护网碎屑流3九寨沟被动柔性防护网碎屑流4G213玉龙电冶厂主动防护网崩塌滚石5G213磨子沟被动柔性防护网崩塌滚石6七盘沟支沟被动柔性防护网碎屑流7甘洛埃岱隧道泥石流防护网泥石流8S217理塘县附近泥石流防护网泥石流9烧火坪隧道被动柔性防护网崩塌滚石10G213板桥村被动柔性防护网碎屑流11重庆酉阳被动柔性防护网泥石流二、创新性研究内容做了什么6.柔性防护结构的设计对策破坏模式钢柱屈曲破坏的频率最高！二、创新性研究内容做了什么6.柔性防护结构的设计对策设计对策网片收缩聚拢-窗帘效应卸扣连接-滑移边界成功拦截切向约束

法向约束滑移荷载冲击支撑绳网片网片悬挂于支撑绳上网片被动压力岩体稳定区岩体压力自重锚固端释放中间锚固约束引导堆积至底部成功引导堆积二、创新性研究内容做了什么6.柔性防护结构的设计对策设计对策二、创新性研究内容做了什么6.柔性防护结构的设计对策设计对策网片收缩聚拢-窗帘效应卸扣连接-滑移边界成功拦截切向约束

法向约束滑移荷载冲击支撑绳网片网片悬挂于支撑绳上网片被动压力岩体稳定区岩体压力自重锚固端释放中间锚固约束引导堆积至底部成功引导堆积二、创新性研究内容做出了什么6.柔性防护结构的设计对策设计对策锚固端①独立基础②地基强度③锚杆强度二、创新性研究内容做出了什么6.柔性防护结构的设计对策设计对策二、创新性研究内容做出了什么6.柔性防护结构的设计对策设计对策二、创新性研究内容做了什么6.柔性防护结构的设计对策反演分析地形地貌数值模型原始崩塌区柔性防护网碎屑流物源区1碎屑流物源区2大疆御2无人机第一处碎屑流第二处碎屑流环网虚拟附加网下支撑绳钢柱上拉锚绳上支撑绳侧拉锚绳防护网碎屑流粒径分布0.2-0.24m山坡二、创新性研究内容做了什么6.柔性防护结构的设计对策反演分析（对比）拦截状态对比钢柱屈曲对比耗能器伸长量对比1处2处拉锚绳L1L2L3L4L5L6L7L8野外1.0m0.1m0.1m0m0.05m0.2m0m0m仿真0.9m0.09m0.09m0m0.06m0.17m0m0m误差10%10%10%0%20%15%0%0%5m38m3二、创新性研究内容做了什么6.柔性防护结构的设计对策优化设计优化目标：钢柱表示钢柱顶部相对底部的偏转角为定量描述钢柱的屈曲程度定义一个钢柱的弯曲系数：

柱底柱顶二、创新性研究内容与成果做了什么6.柔性防护结构的设计对策优化设计构件的优化翼缘宽度钢柱材料屈服强度wh建议值：优化前优化后二、创新性研究内容做了什么6.柔性防护结构的设计对策优化设计(a)旧体系下支撑绳上支撑绳钢柱缝合绳非贯通连接滑移限制耗能器下支撑绳上支撑绳钢柱(2)过渡绳

(1)贯通连接(3)端部耗能器(b)优化体系结构体系的优化三、研究成果做出了什么2.构建了柔性防护结构整体协同模型1.建立了环网离散等代模型3.构建了坡面泥石流荷载计算模型

对应的论文：1.YuZhixiang,LiuChun*,GuoLiping,etal.NonlinearNumericalModelingoftheWire-RingNetforFlexibleBarriers[J].ShockandVibration,2019,2019:1-23.

对应的论文：1.YuZhixiang,LiuChun*,GuoLiping,etal.NonlinearNumericalModelingoftheWire-RingNetforFlexibleBarriers[J].ShockandVibration,2019,2019:1-23.2.ZhixiangYu,LiruLuo,ChunLiu*,etal.Dynamicresponseofflexiblerockfallbarrierswithdifferentrockfallshapes[J].Landslides.（SCI）

对应的论文：1.柳春，余志祥*，郭立平，等.基于SPH-FEM耦合方法的落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模拟[J].振动与冲击,2019,38(13):118-125.

2.柳春,余志祥*,骆丽茹,等.含大块石泥石流冲击作用下混凝土拦挡坝的动力学行为研究[J].振动与冲击,2019,38(14):161-168.三、研究成果做出了什么5.定量研究了柔性防护结构-碎屑流耦合动力学行为4.建立了结构灾变耦合模型6.分析了柔性防护结构的破坏机理，并提出相应的设计对策

对应的论文：1.LiuChun,YuZhixiang*,ZhaoShichun.QuantifyingtheimpactofadebrisavalancheagainstaflexiblebarrierbycoupledDEM-FEManalyses[J].Landslides,

2020,17(1):33-47.

2.LiuChun,YuZhixiang*,ZhaoShichun.Considerationofmaximumimpactforcedesign