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泥石流冲击信号识别方法研究

作　者: 张玉萍
导　师: 陈洪凯；唐红梅
学　校: 重庆交通大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 泥石流模型试验两相流冲击力小波去噪时频分析疲劳荷载
分类号: P642.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

泥石流是产生于山地沟谷中或坡地上的饱含大量泥沙石块和巨砾的固液两相流体,具有暴发突然、历时短暂、来势凶猛、成灾快速等特点,是现阶段最活跃的地表动力地貌过程之一。泥石流冲击力是指泥石流在运动过程中对所接触的一切物体所产生的动荷载,是实施泥石流灾害工程治理必须的荷载依据。本文以泥石流运动学和动力学研究为基础,利用多种数值计算方法对泥石流冲击力曲线进行分析研究,主要研究内容及创新成果如下:第一、建立了泥石流冲击试验模型,使用0.3~0.8cm、0.8~1.5cm、1.5~3.0cm三组固相粒径,以0.02、0.08、0.16、0.20、0.25为固相比分别进行泥石流冲击试验,利用桥式传感器、动态应变仪及高速摄影仪等高端仪器采集了85000多个数据点,建立了不同状态下的动态冲击信号40余组。据试验结果分析,随着粒径及固相比的增大,泥石流流速逐渐减小,而冲击力则呈现增大趋势。第二、将以水为载体的泥石流冲击力曲线看作一种脉动信号进行分析,统计分析其泥石流冲击信号的平均值、最大值、标准偏差、正态分布曲线及流速,获取与泥石流冲击信号相应的特征参量。第三、根据泥石流冲击信号的特点,利用不同的小波分析方法对信号进行滤噪压缩,得到了更明显的信号趋势;以B-3组冲击信号为研究对象,利用小波分析的时频局部化特性提取信号的基础能量分布频率,以确定泥石流冲击信号的主能量段为0~10Hz内。第四、基于泥石流冲击信号的各种分析,通过对试验数据的多次计算和数据拟合,得到了泥石流冲击力计算公式,且理论值与三组试验结果的相关系数分别达到82.81%、86.12%、96.16%,表明冲击力计算中考虑固相比影响的必要性。第五、利用去噪后冲击信号的平滑性特点,将其作为泥石流液相冲击力,以相关性理论及经验控制对平滑信号进行信号扩展,提出了固相颗粒冲击力的提取方法,得到了具有离散性的固相冲击荷载曲线;同时利用接触力学及动量守恒原理,分析了泥石流中大石块对防治结构的冲击作用。第六、基于小波分析后的荷载曲线,根据水流脉动特点及泥石流固液两相的相互作用等,概化提取了泥石流冲击信号的循环加载模型,并将其简化为稀性泥石流冲击模型和粘性泥石流冲击模型两种不同的加载方式,为泥石流防治结构的荷载设计提供更有效的计算理论。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-19
  1.1 研究目的及意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-17
    1.2.1 泥石流启动机理研究  10-11
    1.2.2 泥石流运动模型研究  11-12
    1.2.3 泥石流冲击力研究  12-14
    1.2.4 泥石流试验及数值模拟  14-17
  1.3 本文研究的内容及方法  17-19
第二章泥石流冲击模型试验  19-38
  2.1 泥石流试验模型  19-22
    2.1.1 K630 试验原型概况  19-20
    2.1.2 模型试验目的  20
    2.1.3 模型结构设计  20-22
  2.2 试验理论设计  22-26
    2.2.1 泥石流液相流设计  22-23
    2.2.2 水源出水断面设计  23-24
    2.2.3 泥石流固相源设计  24-26
  2.3 实验过程及实验结果  26-37
    2.3.1 液相清水试验  26-27
    2.3.2 水石流冲击试验  27-36
    2.3.3 水石流冲击流速  36-37
  2.4 本章小结  37-38
第三章泥石流冲击脉动荷载及分析方法  38-49
  3.1 泥石流脉动荷载的产生及随机分析方法  38-43
    3.1.1 紊流特性及脉动的表示方法  39-41
    3.1.2 泥石流脉动概率密度函数  41-43
  3.2 水石流冲击脉动荷载函数及谱分析方法  43-48
    3.2.1 脉动相关函数  43-44
    3.2.2 脉动压力荷载的功率谱  44
    3.2.3 功率谱的分析方法  44-48
  3.3 本章小结  48-49
第四章泥石流冲击脉动荷载的谱分析  49-75
  4.1 小波分析的基本理论  49-53
    4.1.1 小波函数的定义  49-50
    4.1.2 连续小波变换  50
    4.1.3 多分辨率分析和正交小波变换  50-53
  4.2 小波分析在水石流冲击脉动荷载滤波分析中的应用  53-63
    4.2.1 小波分析去噪的基本原理  54
    4.2.2 非线性小波变换阈值法  54-56
    4.2.3 小波分析去噪的应用  56-63
  4.3 泥石流冲击脉动荷载的特性分析  63-73
    4.3.1 泥石流脉动荷载的概率统计分析  63-69
    4.3.2 基于小波变换的泥石流脉动冲击荷载的时频分析  69-73
  4.4 本章小结  73-75
第五章泥石流冲击荷载计算方法研究  75-92
  5.1 泥石流冲击荷载计算方法研究  75-86
    5.1.1 基于泥石流冲击试验的动压力系数计算方法  76-78
    5.1.2 泥石流固相颗粒冲击力的提取方法  78-81
    5.1.3 泥石流大粒径块石冲击作用计算方法  81-86
  5.2 泥石流冲击力循环加载方法研究  86-91
    5.2.1 泥石流冲击加载简化模型  86-88
    5.2.2 循环荷载下混凝土疲劳损伤模型  88-90
    5.2.3 循环荷载对泥石流防治结构作用分析  90-91
  5.3 本章小结  91-92
第六章结论和建议  92-94
  6.1 结论  92-93
  6.2 建议  93-94
致谢  94-96
参考文献  96-100
在学期间发表的论著及取得的科研成果  100

泥石流冲击信号识别方法研究

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