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泥石流对下游生命财产危害巨大，必须对其进行工程防治，在形成区至流通区的峡谷段修建拦砂坝是快速有效的措施之一。由于泥石流对坝基的掏蚀、冲刷、泥石流的冲击作用及勘察设计的不合理会导致拦砂坝在其设计使用年限内发生破坏，尤其是泥石流体对拦砂坝、排导槽等工程防治结构体的冲击作用往往是其发生破坏的重要原因;在拦砂坝结构设计中针对泥石流冲击力，往往按照最大冲击力设计最危险截面，坝体所有截面均按照最危险截面进行设计，浪费材料不够经济合理。 针对以上问题，本论文在总结分析前人泥石流冲击特性及拦砂坝优化设计成果的基础之上，开展了以下几个方面的研究工作:将泥石流体处理为单相均匀流体，给出了泥石流体与拦砂坝流-固耦合的数学力学模型;开展了泥石流体对拦砂坝冲击的室内试验，研究了排导槽坡度、泥石流容重等对泥石流冲击力特征值的影响规律，给出了泥石流冲击力均值沿拦砂坝竖向、横向分布趋势;基于流-固耦合理论，进行了泥石流体与拦砂坝相互作用的数值模拟，得到了泥石流流场及拦砂坝应力场随影响因素的变化规律;最后，开展了拦砂坝结构体优化设计研究。研究成果不仅对拦砂坝等防治工程设计有着重要的实用价值，同时对泥石流流体结构及其动力学性质的揭示具有重要的理论意义。取得的主要研究成果如下: 1.归纳总结了泥石流体与拦砂坝流-固耦合的数学力学模型 首先给出了泥石流流场的数学模型;接着归纳总结了拦砂坝应力场的力学模型;然后给出了泥石流流场与拦砂坝应力场耦合的边界条件;最后给出流-固耦合数学力学模型的数值求解思路。 2.开展了泥石流对拦砂坝冲击的水槽试验，对冲击现象及冲击力信号时程曲线进行了分析 通过对不同性质泥石流冲击拦砂坝的冲起高度等试验现象进行分析，根据动能守恒方程，得到了相同试验工况下水流冲击拦砂坝前流速最大，其次为稀性泥石流和水石流，粘性泥石流流速最小;由泥石流冲击信号时程曲线可知，本文试验工况下泥石流冲击信号多为锯齿状分布，少数为尖峰型。 3.通过对泥石流冲击力数据的整理与分析，得到了泥石流冲击力特征值随拦砂坝迎流面坡比降、排导槽坡度及泥石流容重的变化规律 根据泥石流冲击信号的时程曲线，借助EXCEL等数据处理软件，得到了泥石流冲击力最大值、均值等特征值，经研究发现:泥石流冲击力均值随泥石流容重的增加呈现先增大后减小的趋势，随排导槽坡度的增加而增大，随拦砂坝迎流面坡比降的减小而减小;由于泥石流体中固体颗粒的撞击的随机性，泥石流冲击力最大值随着上述影响因素的变化规律不明显。 4.基于水槽试验结果，分析了泥石流冲击力及泥石流流速均值沿拦砂坝竖向及横向的分布趋势 根据室内试验结果，得到泥石流冲击力均值沿拦砂坝竖向及横向的分布趋势:底部冲击力均值大于顶部，存在明显的直接冲击与雍起冲击或者浪花溅起等差别，溢流段冲击力大于坝肩;根据泥石流冲击力的经验公式，由冲击力均值反算得了泥石流流速均值，经验证泥石流流速均值与泥石流冲击力均值沿拦砂坝竖向及横向分布趋势保持一致;根据正交试验分析结果可知，排导槽坡度对泥石流冲击力均值影响最为显著，泥石流容重次之，拦砂坝坡比降为最不显著因素。 5.基于流-固耦合理论，开展了泥石流与拦砂坝相互作用的数值模拟，得到了泥石流作用下拦砂坝的动力响应 首先进行了泥石流体与拦砂坝流-固耦合的试验模型研究，得到了流-固耦合作用下泥石流冲击力随拦砂坝迎流面坡比降、排导槽坡度及泥石流容重的变化趋势，数值模拟结果与室内试验结果的变化趋势保持一致;其次，开展了泥石流与拦砂坝三维真实模型的流-固耦合研究，选取最大Mises等效应力及最大位移作为评价指标，得到泥石流体仅会对拦砂坝迎流面一定深度范围内产生较大影响，超出此范围影响较小，并给了最大Mises等效应力及最大位移沿拦砂坝竖向及横向分布规律。 6.针对拦砂坝坝体的破坏，进行了拦砂坝结构体的优化设计研究 针对泥石流大块石对拦砂坝坝体的冲击破坏等问题，提出了在拦砂坝坝前堆积土体、铺塑料泡沫板及浇筑EPS混凝土，通过延长大块石与拦砂坝冲击时间，减小拦砂坝接触面所受的冲击力，并与常规混凝土拦砂坝结果进行了对比分析;以浇筑EPS混凝土缓冲层为例，通过数值计算结果，确定了冲击能量与EPS混凝土缓冲层厚度的建议关系式;基于混凝土塑性损伤模型，通过数值计算，揭示了拦砂坝排泄孔及坝趾附近最大拉应力及Mises等效应力随排泄孔高宽比、开孔数量、开孔率及开孔位置的变化规律;并对排泄孔不同开孔率条件下拦砂坝承受的极限冲击荷载进行了研究。