泥石流冲击桥墩的研究方法

泥石流冲击桥墩的研究方法

王妍珺

成都理工大学环境与土木工程学院 ,成都 610031

摘要:我国山区面积占国土面积的2/3，随着我国经济的发展，需要在山区修建越来越多的桥梁。山区中各种自然灾害频发，泥石流是其中主要的地质灾害之一。因此，迫切需要对泥石流对桥梁的破坏机理进行研究，而其中一个前提便是确定泥石流对桥墩的冲击力大小。为深入了解泥石流冲击桥墩的研究方法，从模拟试验及数值模拟两方面对其进行了详细的综述。

关键词：桥墩；泥石流；冲击力

1引言

泥石流是一种含有大量泥沙和石块的固、液、气三相流，蕴含有巨大的能量，会对桥梁造成毁灭性的破坏。从工程应用角度来说，泥石流对桥梁的冲击作用可看作是一种施加在桥梁上的外荷载，但目前这种外荷载的大小尚未有合适的取值。桥梁在泥石流的冲击力作用下会发生变形甚至破坏，确定这个冲击力的大小与分布规律是泥石流区域桥梁防灾减灾研究的前提和核心问题之一。泥石流的冲击力由泥石流浆体、粗颗粒及大块石冲击力组成。研究思路一般是在野外实测或室内试验基础上，采用流体力学和固体力学碰撞理论对数据进行整理分析，得到半经验半理论的冲击力公式。从相关研究可以看出虽然国内外对石流冲击桥墩的研究有了飞速进展，但仍存在下列不足：①相关公式直接利用软件进行计算，未进行相应的实验，缺乏真实可靠性。②对泥石流的模拟存在较大的片面性，泥石流可选用宾汉（Bingham）黏塑性体、拜格诺（Bagnold）颗粒流和库伦（Coulomb）颗粒流三种泥石流力学模型。③桥墩的破坏方式包括冲击、冲刷、磨蚀、淤埋、侵蚀、振动、砸击、气浪等，多数实验仅对部分破坏方式进行了研究。④桥墩的种类包括薄壁式桥墩、柱式桥墩、柔性式桥墩、空心式桥墩、桩式桥墩、重力式桥墩。大多数实验对桥墩种类的研究较单一。⑤泥石流分为粘性泥石流和稀性泥石流，不同泥石流的组成成分含量不同。部分试验仅以一块石头的作用代替泥石流的作用，这并不能反应泥石流冲击的整体特征。

2 泥石流冲击力试验研究方法

桥梁在泥石流的冲击力作用下会发生变形甚至破坏，确定这个冲击力的大小与分布规律是泥石流区域桥梁防灾减灾研究的前提和核心问题之一。泥石流的冲击力由泥石流浆体、粗颗粒及大块石冲击力组成。研究思路一般是在野外实测或室内试验基础上，采用流体力学和固体力学碰撞理论对数据进行整理分析，得到半经验半理论的冲击力公式。

2.1 野外实测

通过在野外泥石流沟中安装传感器可以直接得到真实可信的泥石流冲击力数据，然后进行大量的统计和分析可以得到泥石流的冲击力大小和特征。我国和日本较早的在这方面进行了研究。中科院山地所章书成^[1]等于1973~1975年在云南蒋家沟测得泥石流冲击压强最大量级在920 kPa以上^[2]，日本曾于1975年在烧岳山上冲沟泥石流观测站测得最大冲击压强值3.226×104kPa。章书成^[3]继续进行泥石流冲击力研究，整理了自1982年开始总计70次泥石流冲击的野外观测数据，他把泥石流分为流体冲击和大块石撞击两类荷载，以及矩形、脉冲形、锯齿形三类冲击曲线分别对应流体冲击力部分、单个大块石冲击部分、许多小块石冲击部分，并且指出泥石流冲击的主要频率是5Hz。这是首次对冲击数据特性的分析，但初步的研究结果较为粗糙，仍把泥石流视为一种各处相同的均质体。胡凯衡等^[4]于2004年在云南蒋家沟通过布置在泥石流路径上的三个不同竖向位置的传感器，首次测得不同流深位置、长历时、波形完整的泥石流冲击力数据，表明泥石流冲击力在竖向是大小不同的。根据这次数据，胡凯衡^[5]采用移动平均法把泥石流的浆体冲击力和固体颗粒冲击力分开，结果表明固体颗粒压强压力峰值最大可达浆体冲击力最大值的44.34倍，但实际上这种差距仅是均布荷载和集中荷载的体现，不能直接用于对比两者冲击力的大小。Wendeler^[6]在2005年对柔性泥石流拦挡坝上的绳索拉力进行了测量，这是对结构物受力响应的大小的直接测定，但仅对柔性坝或类似的设计有指导意义，而对桥梁来说参考价值较小。

2.2 室内实验

自然界中泥石流发生次数少，难以预测，且各种特征如流速、密度、深度等千变万化，往往需要多年的数据积累才有条件展开理论系统性的研究。因此，研究泥石流的另一个重要手段是实验室内的缩尺实验。缩尺实验一般在泥石流槽中进行。在国内，魏鸿^[7]在室内试验中测定了泥石流龙头对坝体的冲击力，结果表明泥石流龙头的冲击力随流速的增大而增大，在速度超过一定临界值（冲击力大于溢流总压力）后，在坝体设计中需要考虑冲击力。张宇等^[8,9]根据实测的泥石流冲击数据，用钢球撞击模型的方式模拟了泥石流对砖砌体建筑的冲击，研究了砖砌体结构在泥石流冲击下的动态响应及破坏模式。这个实验偏重于结构的冲击破坏模式。陈洪凯等^[10-13]模拟了3种固相粒径组及5种固相比下的水石流的冲击力，用小波方法对冲击信号进行处理，结果表明：冲击作用大小与固相比和粒径大小呈正比；水石流 90%的冲击能量分布于小于0.195Hz的低频段上。该团队随后进一步的实验

^[14-16]，研究了浆体粘度对泥石流冲击力的影响。研究成果较好地揭示了泥石流冲击力信号的特性，但为了满足参数变量，而采用了非常规的泥石流原料，与自然界中泥石流有较大区别，结论仍具有一定局限。杨红娟等^[17-19]采用蒋家沟原料配制而成的粘性泥石流对泥石流槽中的传感器进行了冲击，研究了冲击信号与颗粒分选，内部流速的关系。该研究侧重于冲击信号的应用，关注了表面流速和表面动压强，以用于冲击压强公式系数的确定。唐金波等^[20]利用小波分析方法对水槽实验采集到的冲击力信号进行了处理，认为粘性泥石流的液相的冲击压强系数取为0.5比较合适。王秀丽等^[21,22]使用一系列不同大小的钢球对新型泥石流拦挡坝模型进行冲击，来考察新型拦挡坝在泥石流冲击作用下的响应。该研究重点关注新型拦挡坝的力学性能，不涉及泥石流冲击力作用大小。曾超等^[23]研究不同密度的泥石流浆体、泥石流体的冲击力试验，参考Hübl的方法对泥石流浆体的冲击力进行了研究，并分析了其中大颗粒的冲击。这项研究是对Hübl 研究的进一步验证，同时首次将泥石流大颗粒的冲击特征进行了分析。该研究关注泥石流本身的冲击特征而没有考虑泥石流与阻挡物的相互影响，另外该实验傅汝德数Fr在4~5之间，与自然界中泥石流的Fr（0~3）有一定差距。

3 泥石流冲击桥墩数值模拟研究现状

室内试验可以部分重现泥石流过程，以此研究泥石流与桥墩的相互作用，但也存在明显缺点：第一，泥石流试验往往需要投入大量的人力物力，当变量多时，成本很高；第二，测点布置数量有限，得到的数据有限，但若布置过多的测点，会导致成本提高，也可能会影响到泥石流运动状态；第三，泥石流试验一般只能进行简单模型缩尺实验，可能存在相似比缺陷，忽略了某些影响因素。数值模拟可以较好的回避以上问题，结合泥石流室内试验对比，可保证数值模拟的合理性。

3.1 泥石流数值模拟

泥石流是一种由水、土、砂、石组成的复杂物质，既有土的结构性，又有水的流动性^[24]。Iverson^{[25, 26]}（1997，2003）对泥石流特有的11种现象进行了归纳，根据组成成分含量的不同，泥石流可采用宾汉（Bingham）黏塑性体、拜格诺（Bagnold）颗粒流和考虑孔隙压力的库伦（Coulomb）颗粒流三种泥石流力学模型来描述这些现象。并指出泥石流行为从近似固体到高度流动，其性质随时间、空间不停变化，不能用固定的流变参数来描述。泥石流的复杂性导致了对其数值模拟的多样性。泥石流的动力模型总体上可以分为连续介质、离散介质和混合介质三类^[27]，相应的也有三种主要的数值模拟方法。

3.2 泥石流冲击结构物（拦挡坝与桥墩）数值模拟

从研究对象来看，泥石流的数值模拟可分为两类，一是对一次泥石流事件进行模拟，属于大空间尺度模拟，关注的是一次泥石流事件影响的范围、强度；二是对泥石流流经途中遇到拦截坝、桥墩等结构物进行模拟，属于局部模拟，更为关注泥石流和结构物在局部处的相互影响。流体-结构相互作用局部复杂且高度非线性，包含力学、土木工程、地球科学在内的多个学科对此均进行了相关研究，是当前研究的热点，泥石流冲击桥墩即属于其中的一个典型例子。

如果研究内容是泥石流的运动，如流动范围、流速等，因流动整体径向远大于深度，往往会采用深度平均方程^[28-32]（基于浅水方程），这实际上把竖向（深度方向）维度忽略。当模拟泥石流-结构相互作用这种需要局部区域的情况，由于纵向特征尺度接近于深度，此时深度平均方程的假设不能成立^{[28, 33, 34]}，相关数值模拟不能正确求解泥石流冲击力在竖向的分布。另外，由于一般假设拦截坝垂直于流向满布，因此目前的研究多为竖向二维平面^[30,35]。由于泥石流流经桥墩时，会产生绕流，显然上述基于二维的方法不能直接应用到泥石流-桥梁相互作用模拟中。

由于泥石流中充满了粗颗粒，因此很多研究采用离散元DEM来模拟泥石流，特别是对颗粒碰撞起主要动量、能量传递作用的颗粒型泥石流^[26]。Cundall^[36]最早把DEM应用到地质力学中，由于这种方法的颗粒流本质，因此能很好地反映泥石流、雪崩等现象，而得到了广泛的应用。DEM可以模拟泥石流流经结构物时，竖向剧烈的动量、能量转移，因而可以很好地模拟泥石流-结构相互作用。Montrasio和Valentino^[37]使用PFC2D对干河沙冲击斜槽上的铝片进行了模拟，并与试验测得的铝片位移进行了对比，模拟基于竖向二维，不能考虑横向的区别。

4.结论与展望

通过对国内外研究的总结，可以发现不同泥石流（粘性和稀性）对不同截面形状（圆形、圆端形、方形、长方形、菱形）的桥墩冲击过程特征和冲击力区别很大。粘性和稀性泥石流的龙头高度大体一致，但粘性的稳定流深则大于稀性泥石流的稳定流深。冲击时，泥石流会沿桥墩发生爬高，爬高与桥墩的形状相关。稀性泥石流在遇到桥墩后表现出类似波浪的震荡，该震荡也反映在泥石流的流深、流速和冲击力方面。泥石流对圆形、圆端形、菱形截面桥墩的冲击力系数相同，小于方形、长方形截面的冲击力系数。发现了泥石流对桥墩的冲击力的三层结构，即剪切层、栓塞层和爬高层。本文的研究主要局限于泥石流冲击桥墩的研究方法，但通过阅读文献发现，泥石流对于其他物体的冲击同样具有研究价值。

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