高强度降雨或地震都可能诱发山体滑坡或崩塌,山体滑坡发生时伴随着大量粒径各不相同的碎石,从而形成碎屑流,其凭借强大冲击力对运动前方的结构物及人民生命财产造成毁灭性灾难。在众多碎屑流防护结构中,棚洞凭借工艺成熟、力学性能良好等优点在西部山区被广泛使用。棚洞一般配合缓冲垫层一起使用,然而碎屑流的颗粒组成千差万别并且棚洞结构形式各样,但在既往的研究中,学者通常只关注缓冲垫层对碎屑流最大冲击力的影响,没有考虑冲击力分布及棚洞自身内力变化。本研究以此为背景,通过室内模型实验研究碎屑流冲击曲面形式的棚洞,并考虑由现场岩石(碎屑)制作缓冲垫层,根据冲击力分布和棚洞内力变化,进而探明碎屑流的冲击机制以及碎石垫层的缓冲作用。随后运用模拟软件中有限差分法—离散元耦合分析对碎屑流冲击棚洞深入探究,通过改变缓冲垫层样式、材料与碎屑流冲击角度等工况条件探究垫层的缓冲效应。最后依据损伤理论,通过碎屑流冲击棚洞过程中结构体加速度变化进行损伤分析,为工程实践中棚洞结构设计和安全性监测提供指导与借鉴。本研究主要结果和结论如下:(1)碎屑流冲击棚洞实验表明,棚洞上增加碎石垫层后,除了降低冲击力的量值,碎石垫层还可以改变冲击力的分布模式,缓冲层的增加使最大的法向和切向力分量从0o偏移了30o到45o。(2)缓冲垫层可以减小弯矩和剪力,增加轴力,使棚洞的结构安全性得到提高。力法是棚洞内力计算的有效方法,它可以快速计算冲击过程中每一时刻棚洞内力的数值。经计算发现,弯矩、剪力、轴力最大值都在0o位置(受冲击侧的拱脚)。弯矩和剪力的最大值在没有碎石垫层时的数值大于有碎石垫层时的数值,而轴力结果恰恰相反,当弯矩较小时,轴力越大,偏心距越小,结构越安全。(3)数值模拟结果揭示了EPS垫层与砾石垫层良好的缓冲效应。数值模拟能快速计算不同工况下碎屑流冲击棚洞实验,模拟中发现EPS垫层与细砂垫层都具有良好的缓冲效应,棚洞垫层可以延缓碎屑流冲击时间,大幅降低碎屑流冲击力峰值。在冲击过程中可以看到EPS垫层和碎石垫层都有明显变形,这意味着垫层会产生能量耗散。(4)基于棚洞单元塑性区面积与位移变化提出损伤评估方法,损伤评估方法可了解棚洞运营期间的结构安全性。依据混凝土损伤理论,结合数值模拟中棚洞屈服单元数目、单元加速度、单元位移变化计算结果,构建损伤评估方法,阐释了不同滑移距离下棚洞的损伤状况及垫层的保护效果。