山洪沖擊荷載下路基響應(yīng)特性模型試驗(yàn)研究

陳洪凱 王 賀 張金浩

(重慶交通大學(xué) 巖土工程研究所,重慶 400074)

山洪是指發(fā)生在具有高差的山地河谷中的具有 突發(fā)性,水量集中流速大、沖刷破壞力強(qiáng),水流中挾帶泥沙甚至石塊的地表徑流現(xiàn)象,常常造成山區(qū)沿河路段的道路橋梁產(chǎn)生破壞.山洪的沖擊作用是指洪水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)所接觸物體產(chǎn)生的動(dòng)荷載,是洪水對(duì)道路及其構(gòu)造物、橋梁產(chǎn)生破壞的主要因素,是一個(gè)不恒定值,影響因素有地形、地貌、顆粒粒徑等.陳洪凱在泥石流沖擊方面做了大量的工作,通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了水石流運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律[1],探討了不同粒徑不同固相比作用下的泥石流沖擊能量分布[2],通過(guò)小波分析將泥石流的沖擊信號(hào)進(jìn)行分解,認(rèn)為沖擊荷載隨時(shí)間變化的過(guò)程是其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量變化引起的[3];何思明等以Hertz理論為基礎(chǔ)研究了泥石流大塊石沖擊力對(duì)彈塑性結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法[4];Kattel P基于兩相流做了模型試驗(yàn),探討了固相和液相在泥石流沖擊特性中的作用[5];王平義通過(guò)分析認(rèn)為在彎曲河道處存在旋渦,探討了河道參數(shù)對(duì)旋渦的影響[6];田偉平等通過(guò)模型試驗(yàn)研究了防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)路基沖刷深度的影響,探討了有防護(hù)結(jié)構(gòu)和無(wú)防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)路基的沖刷問(wèn)題,提出了最大沖刷深度經(jīng)驗(yàn)公式[7];張瑞剛等對(duì)洪水作用的擋墻進(jìn)行了受力分析,得到了彎曲段河流擋墻的穩(wěn)定性計(jì)算公式[8],Cai得出了確定洪水淹沒(méi)公路范圍和深度的算法[9].然而,前人的研究都未涉及到山洪沖擊對(duì)路基底部的沖擊力分布研究,本文以平川泥石流為物理原型,進(jìn)行不同顆粒粒徑和不同比重組合的山洪模型實(shí)驗(yàn),探索山洪沖擊力對(duì)路基底部的沖擊荷載變化規(guī)律,獲取每個(gè)測(cè)試位置的沖擊力值,得到不同容重和不同顆粒粒徑組合的山洪對(duì)山區(qū)公路路基擋墻底部的沖擊力分布,試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樘接懶栽囼?yàn)?zāi)Ｐ?分析山洪泥石流對(duì)路基的沖擊的響應(yīng),為實(shí)施山洪泥石流災(zāi)害的工程治理提供依據(jù).

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

眾所周知,四川涼山州平川地區(qū)山洪泥石流災(zāi)害發(fā)生頻繁,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察,選取該區(qū)域地形條件為原型(圖1a),在重慶交通大學(xué)泥石流動(dòng)力模型試驗(yàn)場(chǎng)修建了平川泥石流實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖1b),本試驗(yàn)側(cè)重于山洪運(yùn)動(dòng)對(duì)溝口的路基擋墻產(chǎn)生的沖擊力與山洪容重、固相比、顆粒粒徑之間的關(guān)系,故本試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨菩栽O(shè)計(jì)僅考慮模型尺寸相似、地形尺寸相似,通過(guò)量綱分析得到.通過(guò)量綱分析,擬定模型主溝長(zhǎng)相似比C L=700,換算得到模型的主溝長(zhǎng)度為14 m,分為兩個(gè)直線溝道和兩個(gè)彎道,共4個(gè)高差,總高差2.5 m,溝道的寬深比為1∶5,采用混凝土砂漿抹面.在溝道最上端設(shè)置山洪供給裝置,體積1.5 m3,供水采用球式閥門(mén)開(kāi)啟,在溝道出口處設(shè)置路基擋墻試驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖2),在擋墻模型下部設(shè)置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn),記錄山洪沖擊作用下山洪的沖擊力分布特征.試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缭斠?jiàn)圖1b和圖2,路基與山洪溝口的夾角為15°.

圖1 平川泥石流原型及試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫鎴D

圖2 路基試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)點(diǎn)分布位置圖

通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)觀測(cè),山洪溝的出水寬度為40 cm左右,山區(qū)公路的坡度一般都不能按照規(guī)范要求放坡,為了研究山洪沖擊作用下山區(qū)公路路基擋墻的響應(yīng)特征,設(shè)置路基上部寬0.5 m、下部寬0.7 m的尺寸,平面尺寸為長(zhǎng)1.2 m、高0.5 m的路基擋墻進(jìn)行試驗(yàn).在路基擋墻不同位置分別設(shè)置①～○14測(cè)點(diǎn),具體分布位置如圖2所示,布置測(cè)點(diǎn)可以觀測(cè)山洪沖擊過(guò)程中路基不同位置上各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力相應(yīng)和沖擊力值的分布.

1.2 試驗(yàn)工況

重點(diǎn)分析不同固相比和不同顆粒粒徑條件下山洪對(duì)山區(qū)公路路基的沖擊力荷載分布規(guī)律.由于山洪的容重略高于清水,故選定容重為A:1.034 t/m3,B:1.067 t/m3,C:1.10 t/m33種工況組,山洪攜帶的固體物質(zhì)分別為a為粒徑0.2 cm粘土粉末,b為粒徑0.5 cm瓜米石,c為粒徑1 cm的瓜米石,d為abc混合體.本文針對(duì)不同容重和不同顆粒粒徑的正交組合進(jìn)行了12組工況的模型試驗(yàn)(見(jiàn)表1).

表1 設(shè)計(jì)工況表

1.3 試驗(yàn)儀器與方法

1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用東華DH5923動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng),采集頻率為1 k Hz;

2)選取量程50 k Pa的紐扣式土壓力盒測(cè)試路基底部測(cè)試點(diǎn)的沖擊時(shí)程,來(lái)反映山洪流體對(duì)路基底部的沖擊特性;

3)圖像采集儀器選用索尼高速攝像儀,記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的影音資料;

4)開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像儀,采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及圖像,全程記錄山洪的沖擊力和路基和山洪的相互作用過(guò)程.

5)儀器準(zhǔn)備就緒后,開(kāi)啟山洪供給裝置,開(kāi)始試驗(yàn).

2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

山洪在行進(jìn)過(guò)程中遇到反坡會(huì)產(chǎn)生超高特性,這是由于山洪是連續(xù)流體,在持續(xù)水流作用下有持續(xù)直進(jìn)性的特征,由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,越過(guò)坡體繼續(xù)流動(dòng),山洪遇到彎道時(shí),會(huì)在慣性力的作用下,產(chǎn)生十分明顯的超高現(xiàn)象,這種現(xiàn)象多發(fā)生在凹岸.試驗(yàn)過(guò)程中,在第一段超高位置a點(diǎn)設(shè)置了觀測(cè)點(diǎn),記錄山洪沖擊過(guò)程中的爬高現(xiàn)象,在測(cè)點(diǎn)b處觀測(cè)山洪的超高現(xiàn)象,其中彎道處a測(cè)點(diǎn)有較明顯的由于爬高引起的山洪體流失現(xiàn)象(如圖3所示).

圖3 超高及超高引起的山洪流失

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 山洪沖擊路基時(shí)程曲線

試驗(yàn)結(jié)束后從動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)DH5923儀器中提取出各組工況的測(cè)試結(jié)果(如圖4所示),以工況11為例分析各個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線,解讀山洪沖擊過(guò)程中每個(gè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程.

由圖4可以看到,山洪到達(dá)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間上存在差異,與試驗(yàn)錄像資料顯示完全一致,其先后順序?yàn)?,6,12,14,8,3,5,4,2,1,7,11,10,13,山洪洪峰沖擊路基的首沖位置位于測(cè)點(diǎn)9和點(diǎn)6之間,并順向向下游(點(diǎn)12、14)沖擊,當(dāng)流量增大時(shí)山洪的沖擊位置向后上方發(fā)展,最后的沖擊位置為測(cè)點(diǎn)13;各點(diǎn)的時(shí)程曲線呈現(xiàn)不一樣的趨勢(shì),測(cè)點(diǎn)1、4、7、9、11、14出現(xiàn)明顯的龍頭現(xiàn)象,測(cè)點(diǎn)2、3、5、6、8、10、12、13出現(xiàn)時(shí)間長(zhǎng)短不一的負(fù)壓現(xiàn)象,通過(guò)試驗(yàn)視頻分析,產(chǎn)生龍頭作用的測(cè)點(diǎn)為山洪直接沖擊作用的點(diǎn),而負(fù)壓現(xiàn)象是由于山洪沖擊帶動(dòng)周邊空氣形成真空,但是山洪還沒(méi)有直接沖擊作用到測(cè)點(diǎn),荷載是由于負(fù)壓現(xiàn)象產(chǎn)生的真空吸力造成的,當(dāng)流量增大到山洪直接作用到測(cè)點(diǎn)上的時(shí)候,測(cè)點(diǎn)的荷載值變?yōu)檎?并逐漸增大;在測(cè)點(diǎn)7、10、11、13的時(shí)程曲線上出現(xiàn)了陣流現(xiàn)象,為山洪流體間斷性對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生沖擊作用造成的.

圖4 工況11各測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線

山洪流體對(duì)路基的沖擊分布作用不但體現(xiàn)在沖擊力方面,還體現(xiàn)在沖擊時(shí)間上,由于各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的不同,山洪對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沖擊時(shí)間也存在這不同,以工況11為例,截取各測(cè)點(diǎn)有效沖擊時(shí)間,得到山洪對(duì)路基的持續(xù)作用時(shí)間,以測(cè)點(diǎn)所在位置做沖擊時(shí)間表,見(jiàn)表2.

表2 工況11各測(cè)點(diǎn)的山洪沖擊時(shí)間 (單位:s)

3.2 山洪作用在路基底部的最大沖擊力

山洪對(duì)路基及其周邊構(gòu)造物的沖擊破壞,通常是由山洪泥石流沖擊過(guò)程中的最大瞬時(shí)沖擊力所致,為了探討山洪對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的最大沖擊力作用,通過(guò)數(shù)據(jù)分析將12種工況的每個(gè)測(cè)點(diǎn)最大值提取出來(lái)進(jìn)行分析.基于12組工況的試驗(yàn)結(jié)果,提取最大點(diǎn)做出12種工況每個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大沖擊荷載值曲線,如圖5所示.

圖5 山洪沖擊路基各測(cè)點(diǎn)最大值

由圖5可以看出,山洪對(duì)路基的沖擊作用大多數(shù)符合規(guī)律,但測(cè)點(diǎn)3處出現(xiàn)了部分工況的離散現(xiàn)象,最大值為工況10的5.147 5 k Pa,工況2的3.713 7 k Pa,工況7的3.065 8 k Pa,3種工況分別對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑是1 cm瓜米石和0.5 cm瓜米石,所對(duì)應(yīng)的容重為3種不同的容重;測(cè)點(diǎn)6處也出現(xiàn)了離散現(xiàn)象,分別為工況12的3.408 6 k Pa和工況11的2.192 2 k Pa.試驗(yàn)結(jié)果顯示:越靠近山洪沖擊源頭位置的路基,其底部發(fā)生最大值的可能性越大,顆粒粒徑和容重對(duì)沖擊力最大值的影響不是絕對(duì)的,但總體來(lái)說(shuō)固相顆粒的顆粒粒徑越大、山洪的容重越大各個(gè)測(cè)點(diǎn)最大值也呈現(xiàn)增大趨勢(shì).

3.3 山洪作用在路基沖擊力平均值

為了更好地反映出各工況所有測(cè)點(diǎn)的沖擊力,以沖擊過(guò)程中曲線的平均值來(lái)表征每個(gè)測(cè)點(diǎn)的沖擊力.取壓力盒接收到的第一個(gè)非噪聲信號(hào)到山洪結(jié)束后的所有數(shù)據(jù),求得每個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值,如圖6所示.

圖6 山洪沖擊路基各測(cè)點(diǎn)平均值

1)顆粒粒徑與沖擊力平均值的關(guān)系

為了更客觀的評(píng)價(jià)顆粒粒徑與沖擊力的關(guān)系,選取工況1到工況4的沖擊力均值數(shù)據(jù)進(jìn)行討論,沖擊力平均值見(jiàn)表3.

表3 不同粒徑的沖擊力平均值(單位:k Pa)

由表3可以看出,顆粒粒徑越大,山洪對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的沖擊力均值也隨之增大,即顆粒粒徑對(duì)山洪沖擊力均值的影響具有正相關(guān)關(guān)系.

2)容重與沖擊力平均值的關(guān)系

選取d粒徑組(工況4、8、12)為對(duì)象對(duì)容重和沖擊力平均值的關(guān)系進(jìn)行分析,沖擊力平均值見(jiàn)表4.

表4 不同容重的沖擊力平均值(單位:k Pa)

由表4可以看出,除測(cè)點(diǎn)13外,其他測(cè)點(diǎn)的沖擊力均值隨著山洪的容重增大而增大,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)視頻分析發(fā)現(xiàn)在b粒徑組工況下,山洪對(duì)13號(hào)點(diǎn)的沖擊時(shí)間不隨容重的增加而增加,規(guī)律性較差,這個(gè)在其他工況組也與類(lèi)似的現(xiàn)象,此現(xiàn)象也說(shuō)明在試驗(yàn)條件下,測(cè)點(diǎn)13處于山洪沖擊的邊界范圍點(diǎn).本組工況為混合粒料體,能在一定程度上體現(xiàn)所有工況組的容重與沖擊力的關(guān)系特征,即每組工況各測(cè)點(diǎn)的沖擊力平均值與顆粒粒徑均呈正相關(guān)關(guān)系.

3.4 試驗(yàn)工程意義

我國(guó)山洪分布范圍廣,每年6～9月各省市均會(huì)產(chǎn)生山洪災(zāi)害,山洪爆發(fā)時(shí)對(duì)道路的危害特別大.尤其是山區(qū),交通不便,一旦出現(xiàn)路基斷道等水毀情況,人們的出行都會(huì)受到很大的限制.山區(qū)公路沿河修建較多,而山區(qū)河流的彎道段占河流總長(zhǎng)的比重很大,由于山洪沖擊在彎道時(shí)路基所受沖擊力隨位置和彎曲形態(tài)而產(chǎn)生變化,選用直觀的試驗(yàn)方式探討山洪對(duì)彎道處路基的沖擊力分布問(wèn)題.

本試驗(yàn)為模型試驗(yàn),采用的相似比為1∶700.通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)到了山洪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的超高現(xiàn)象;不同粒徑、固相比和容重的山洪沖擊路面板各測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)的最大值、各測(cè)點(diǎn)的沖擊力平均值及相鄰位置的沖擊力增長(zhǎng)(衰減)值的規(guī)律.通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象及規(guī)律可有針對(duì)性的設(shè)置路基防護(hù)措施,如在山洪溝道相應(yīng)位置布設(shè)谷坊、攔渣壩等,將山洪固體顆粒的沖擊破壞能力達(dá)到可控;對(duì)山洪沖擊路基的不利位置前設(shè)置丁壩導(dǎo)流、工程護(hù)岸等措施可以減少山洪沖擊對(duì)公路路基的直接作用時(shí)間及范圍,保障人們的生活和安全出行,研究結(jié)果對(duì)提升山洪頻發(fā)區(qū)域的山區(qū)公路路基工程預(yù)防及治理水平有積極作用.

4 結(jié) 論

為了探討不同容重和顆粒粒徑的山洪流體對(duì)路基的沖擊力大小和不同點(diǎn)位的分布規(guī)律,進(jìn)行了12組實(shí)驗(yàn),獲取了800余萬(wàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和影音資料的分析,得到以下結(jié)論:

1)試驗(yàn)過(guò)程中山洪流體在彎道點(diǎn)a和點(diǎn)b處產(chǎn)生了彎道超高現(xiàn)象,點(diǎn)a處存在山洪流體隨爬高過(guò)程流失的現(xiàn)象;

2)試驗(yàn)條件下,山洪沖擊作用下路基底部每個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線均不相同,頂沖位置產(chǎn)生龍頭現(xiàn)象,頂沖位置附近在沖擊過(guò)程中產(chǎn)生負(fù)壓作用,山洪對(duì)路基的沖擊時(shí)間也不相同;

3)試驗(yàn)條件下,山洪流體對(duì)路基各測(cè)點(diǎn)的沖擊力最大值基本符合規(guī)律,一般出現(xiàn)在路基底部的位置,離溝道遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)其最大值呈現(xiàn)規(guī)律性較強(qiáng)的特點(diǎn),且沖擊力最大值和山洪容重及顆粒粒徑基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系;

4)試驗(yàn)條件下山洪流體對(duì)路基各測(cè)點(diǎn)的沖擊力平均值的大小與顆粒粒徑、容重呈正相關(guān)關(guān)系,其沖擊力平均值在試驗(yàn)路基模型上呈現(xiàn)整體呈現(xiàn)頂沖位置大,兩邊小的特征.