泥石流是包含大量泥沙流体和固体颗粒的特殊物质,是最具破坏力并最具不可预测性的地质灾害之一,对人民的生命安全及财产损失造成了巨大的威胁。高速运动的具有巨大质量的固液泥石流混合物会在流动路径上产生显著的侵蚀作用,侵蚀作用会显著增大泥石流的动能和冲击力,并对流动路径上拦挡结构的动力响应具有显著的影响。因此,泥石流冲击力以及拦挡结构的动力响应问题的研究对泥石流防治具有重要意义。本文以北京市房山区西部山区南窖沟为背景,进行了固液泥石流混合物冲击力与拦挡结构的动力响应问题研究。基于光滑粒子流体动力学-离散单元法-有限单元法（Smoothed Particle Hydrodynamics-Discrete Element Method-Finite Element Method,SPH-DEM-FEM）耦合数值方法,采用颗粒-流体-拦挡结构的复杂动力模型,分别对泥石流冲击拦挡结构过程、泥石流冲击力、拦挡结构的弹塑性时程特征分析进行了研究。进行了固液泥石流混合物冲击柔性拦挡结构的冲击力以及动力响应问题研究,分别对泥石流冲击柔性拦挡结构过程、泥石流冲击力以及柔性拦挡结构动力响应等进行了研究。进行了物源侵蚀作用对固液泥石流混合物的运动过程及冲击力影响研究,建立了颗粒-流体-侵蚀-拦挡结构的复杂动力模型,分析了考虑侵蚀作用的泥石流冲击力与拦挡结构的动力响应问题。采用了二次开发的应变软化模型,模拟泥石流体由固态转化到过渡状态最后转化为液态的过程。考虑和不考虑侵蚀作用下,分别对泥石流冲击过程、坝后冲击高度、沉积厚度、泥石流动力响应和泥石流冲击力进行了系统的研究。研究结果为研究区泥石流治理及拦挡结构的工程设计提供了指导,并对其他区域固液泥石流混合物冲击力的计算提供了依据,拦挡结构的工程设计提供了参考。论文的主要工作与成果如下:1.根据泥石流的物质组成,构建了SPH-DEM-FEM耦合数值模型。固相泥石流颗粒采用DEM进行计算,固相泥石流颗粒之间的接触采用弹性模型,模型简化了泥石流颗粒的复杂性,但是能够最大限度模拟泥石流和沟道以及拦挡结构的相互作用。颗粒在相互作用过程中会发生碰撞以及能量耗散,对颗粒受到的合外力、合外力矩方程以及颗粒间相互作用力方程和模型进行了构建。采用SPH模拟泥石流流体及沟道底部和两侧的侵蚀土层。SPH方法的核近似主要包括使用平滑函数及其导数,对粒子近似函数方程、核函数方程、Cubic B-Spline光滑核函数以及粒子近似函数方程及模型进行了构建。分别对DEM-FEM耦合控制方程、SPH-FEM耦合控制方程以及SPH-DEM-FEM耦合控制方程的数值模型进行了构建。2.进行了耦合数值模型的验证研究。首先进行了SPH-FEM耦合数值模型验证,通过与室内泥石流冲击试验进行对比,对泥石流冲击拦挡结构全过程以及泥石流冲击力进行验算,结果表明泥石流冲击力时程曲线与室内物理模型试验冲击力时程曲线基本拟合。其次进行了DEM-FEM耦合数值模型验证,通过与室内碎屑流冲击试验进行对比,对碎屑流冲击拦挡结构全过程以及碎屑流冲击力进行验算,结果显示碎屑流冲击试验与数值模拟的冲击力时程曲线拟合较好。再次采用DEMSPH耦合数值分析方法再现了球体垂直冲击水面试验的全过程,并对球体冲击水面的球体速度和位移进行了分析。分析表明球体速度随时间变化曲线与试验基本一致,球体深度随时间变化曲线,数值模拟结果与试验结果曲线也基本拟合。然后采用DEM-SPH-FEM耦合侵蚀数值模拟方法对侵蚀物理模型试验进行了分析,DEM-SPH-FEM耦合侵蚀数值模拟分别在时间t=0s、t=0.32s和t=0.64s的泥石流形状和厚度剖面结果和侵蚀试验结果基本一致。最后采用耦合DEM-FEM数值分析方法对大型直剪试验力学参数进行验证,采用试错法对DEM参数与大型直剪试验结果进行验算,结果表明数值模拟和大型直剪试验剪应力-剪切位移曲线拟合较好。证明了耦合数值模型可用于后期的泥石流冲击力计算及拦挡结构的动力性能研究。3.进行了泥石流冲击力与刚性拦挡结构的动力响应研究。以北京市房山区西部山区南窖沟为背景,由于模型主要研究泥石流冲击力以及拦挡结构动力响应问题,对地形进行了相应的简化,构建了几何模型、材料模型和边界模型,并根据野外地质调查结果和模型验证对模型参数进行了确定。基于耦合SPH-DEM-FEM数值方法,考虑了颗粒-流体-结构的复杂动态相互作用,再现了泥石流冲击拦挡结构的冲击、爬高、回淤全过程。耦合数值分析方法很好再现了泥石流从形成,到拦挡,最后回淤的全过程。基于耦合数值分析方法,对比了不同坡度下泥石流冲击拦挡结构的动力响应分析。由研究结果可知,坡度越大,拦挡结构动力响应开始和位移峰值出现的时间越早,位移峰值也越大,其动力响应规律可对泥石流拦挡结构的设计提供一定的参考。对比了泥石流冲击力的变化规律,并与经验公式进行对比,两者结果较为接近,数值计算方法可对泥石流冲击力的计算以及进一步拦挡结构的设计提供一定的参考。对固液泥石流混合物冲击拦挡结构全过程的冲击力分布进行了研究,冲击力的分布对泥石流拦挡结构的工程设计具有一定的参考价值。4.进行了泥石流冲击力与柔性拦挡结构的动力响应研究。基于耦合SPHDEM-FEM数值方法,考虑了颗粒-流体-结构的复杂动态相互作用,再现了泥石流冲击柔性拦挡结构的冲击、拦挡、水石分离现象、爬高、回淤以及沉积全过程。对比了不同坡度下泥石流冲击柔性拦挡结构的动力响应分析,对柔性拦挡结构4根支撑索（NO.1、NO.2、NO.3、NO.4）中间位置的位移时程进行监控,仿真结果与规律和现有研究成果一致。对比了不同坡度下泥石流冲击力的变化规律,但是经验公式没有考虑水石分离及颗粒-流体-结构的复杂动力相互作用,和数值模拟结果会有12.1%到27.4%之间的误差,故数值分析方法较经验方法更具有合理性。对柔性拦挡结构的最大变形进行了分析,变形对沟道坡度呈明显正相关关系,变形最大位置位于柔性拦挡结构中间位置,支撑索对柔性拦挡网起到明显的限制作用。对柔性拦挡结构和刚性拦挡结构在固液泥石流混合物冲击下的受力特性和动力特性进行了对比,柔性拦挡结构由于刚度远远小于刚性拦挡结构,动力特性有着显著的差异,两者位移时程相差两个数量级,而且变形后的恢复能力远远小于刚性拦挡结构。5.进行了考虑侵蚀作用的泥石流冲击力与拦挡结构的动力响应研究。基于耦合SPH-DEM-FEM数值方法,进行了可侵蚀土层应变软化模型的二次开发,建立了颗粒-流体-侵蚀-结构的复杂动态相互作用模型,模型再现了泥石流冲击侵蚀模型的冲击、侵蚀、拦挡及沉积的全过程。沟道底部和两侧物源土体采用二次开发的应变软化模型,当剪切应力超过土体的材料强度时,土体就由固态转化成流态。对考虑和不考虑侵蚀作用下泥石流冲击过程、坝后冲击高度、沉积厚度、泥石流动力响应和泥石流冲击力的影响进行了系统的研究。t=6.0s时,固液泥石流混合物回淤,最终在拦挡结构底部沉积形成静荷载,侵蚀模型沉积体积显著大于未考虑侵蚀模型,并有部分泥石流冲出拦挡结构,未考虑侵蚀模型的泥石流全部被拦截。考虑侵蚀作用下泥石流冲击高度最大值为5.13m,而未考虑侵蚀作用下冲击高度最大值仅为3.58m;考虑侵蚀作用下泥石流沉积厚度为3.12m,而未考虑侵蚀作用下沉积厚度仅为2.47m;未考虑侵蚀作用下拦挡结构中点最大位移为1.16mm,而考虑侵蚀作用下拦挡结构最大位移为2.08mm;未考虑侵蚀作用下泥石流冲击力峰值为1315k N,而考虑侵蚀作用下泥石流冲击力峰值为2339k N。结果与现有的文献和资料结论基本一致,进一步证实了侵蚀对泥石流冲击力以及拦挡结构的动力响应具有显著影响。6.结合研究结果,对研究区泥石流治理提供建议。根据数值模拟计算结果,与现有的基于水动力学理论的半经验泥石流冲击力峰值计算公式计算结果进行对比,对泥石流冲击下刚性拦挡结构、柔性拦挡结构以及考虑物源侵蚀作用下拦挡结构的泥石流冲击力峰值公式进行了经验参数修正。并对南窖沟主沟的泥石流冲击力及工程防治提供建议,进行了泥石流流速、冲击压力、最大冲起高度以及爬高的计算。结果表明考虑侵蚀作用下,泥石流流速大于未考虑侵蚀作用下情况,冲击压力、冲起高度和爬高也显著大于未考虑侵蚀作用下情况,而修正后计算坝体高度为8m,而按照修正前参数计算,计算坝体高度仅为6m,存在显著差异。研究结果为研究区泥石流治理及拦挡结构的工程设计提供了指导,并对其他区域固液泥石流混合物冲击力的计算提供了依据,拦挡结构的工程设计提供了参考。