泥石流沖擊橋梁2019年度研究進展

姚昌榮，王友彪，李亞東，強斌，劉賽智

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100081)

泥石流是山地和丘陵地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，具有爆發(fā)突然、歷時短暫、能量大等特點，嚴(yán)重威脅到人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。泥石流會對橋梁造成嚴(yán)重的破壞，如利子依達(dá)溝泥石流事故，泥石流沖斷橋墩，列車沖入大渡河，造成200余人死亡，這是世界上最大的一次泥石流破壞橋梁的事故。2019年，四川“8.20”強降雨特大山洪泥石流被國家應(yīng)急管理部[1]列為2019年全國十大自然災(zāi)害之一，阿壩州爆發(fā)數(shù)十處泥石流，導(dǎo)致多條公路受損嚴(yán)重，多座橋梁被泥石流損毀。

隨著中國西部經(jīng)濟日益發(fā)展，山區(qū)植被破壞，自然環(huán)境惡化，短時強降雨極端事件頻發(fā)，大地震誘發(fā)大量次生山地災(zāi)害，種種原因加劇了泥石流的發(fā)生。同時，中國在西部山區(qū)規(guī)劃了大量的鐵路、公路線路，大量橋梁不可避免地穿越泥石流多發(fā)區(qū)域。研究泥石流沖擊橋梁，厘清橋梁在泥石流作用下的破壞機理，提出合理的減災(zāi)措施，對西部地區(qū)的發(fā)展建設(shè)有重要意義。

“泥石流沖擊橋梁”這一研究課題同時涉及橋梁結(jié)構(gòu)和巖土兩個專業(yè)方向，是新興的研究領(lǐng)域，并逐步成為熱點研究方向。筆者主要對近年泥石流沖擊橋梁的研究方法、泥石流沖擊橋梁和泥石流減災(zāi)3個方面的研究進行回顧。

1 研究方法

野外調(diào)查、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬是研究泥石流沖擊橋梁的3種常用方法。野外調(diào)查可以獲得第一手資料，分為區(qū)域調(diào)查和溝谷調(diào)查。野外調(diào)查除常規(guī)方法外，近年也發(fā)展了一些新的技術(shù)手段，如GPS(北斗)、航空遙感、激光掃描、無人機等[2-4]多技術(shù)融合的現(xiàn)場勘察方法。而室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬方面，近兩年也取得了較大進展。

1.1 室內(nèi)試驗

由于泥石流的發(fā)生具有偶然性，要在泥石流發(fā)生現(xiàn)場測得泥石流沖擊力實屬不易，為此，1961年，中國科學(xué)院在有“泥石流天然博物館”之稱的云南蔣家溝建立了野外觀測站，采集了大量的泥石流觀測資料，為泥石流研究做出了巨大貢獻(xiàn)。相比于野外試驗，室內(nèi)試驗更容易開展，而且可以按照不同的配比組合進行有針對性的試驗，是目前絕大多數(shù)泥石流研究的方式。泥石流沖擊試驗是通過在泥石流槽內(nèi)或出口布設(shè)壓強傳感器進行，泥石流沿水槽沖擊到傳感器上，從而測得沖擊壓強，缺點在于不能考慮橋墩的影響。王東坡等[5]把橋墩模型置于泥石流槽出口，在模型迎流面布置9個壓強傳感器，測量泥石流沖擊壓強在橋墩上的分布。該試驗水槽總長度18 m、料斗距地面高度12 m、最大容積4.71 m3，橋墩置于水槽之外，試驗測得了很多有價值的數(shù)據(jù)。但是，一般的試驗水槽規(guī)模都較小，長度在5 m左右，容量小于0.5 m3，如果將橋墩(或立柱)放置在水槽外，泥石流出水槽之后比較分散，很難測到有用的數(shù)據(jù)。鑒于此，王友彪等[6-7]把橋墩模型安裝在泥石流槽的中央、距離槽口約50 cm處，并在橋墩模型上同時安裝壓強傳感器和合力傳感器(圖1)，測得泥石流對方形和圓形截面橋墩模型的沖擊壓強及沖擊合力，并采用移動平均法對小波降噪后的沖擊力合力去除石子的隨機沖擊瞬時效應(yīng)，效果較好。因為一般泥石流沖擊試驗測得的壓強是由壓力傳感器測得的壓力除以傳感器的面積得到的，所以，測點的壓強只能代表該點的值，而泥石流的沖擊力分布本身不均勻，因此，難以準(zhǔn)確地計算沖擊合力的大小。該試驗除了得到壓強外，還采用合力傳感器測得泥石流沖擊的合力，可以更準(zhǔn)確地計算橋墩沖擊效應(yīng)。為了能夠準(zhǔn)確地測試迎流面上的壓力分布，劉道川等[8]在實驗中采用SPI TACTILUS內(nèi)置式壓力分布測量傳感器測量壩體的沖擊壓力，每個傳感器單元測量面積為1.5 cm×1.5 cm，傳感器陣列為32×32，實現(xiàn)了對整個沖擊面上沖擊壓力的測量，得到了沖擊壓力的時空分布特性。這種分布式傳感器用于測試平面模型效果較好，但測量圓柱式或矩形結(jié)構(gòu)的沖擊力難以得到好的效果。因此，筆者擬采用膜式傳感器測量墩身的壓力分布，該傳感器測點密度可達(dá)到20點/cm2。

圖1 泥石流水槽試驗布置[7]Fig.1 Layout plan of debris flow flume experiment[7]

1.2 數(shù)值模擬

圖2 三相(粗顆粒細(xì)顆粒黏性流體)泥石流物理模型[13]Fig.2 The drags CDG between the solid (s), fine-solid (fs), and fluid (f) phases [13]

2 泥石流沖擊橋梁結(jié)構(gòu)研究

2.1 沖擊力

雖然泥石流成分復(fù)雜，其運動難以準(zhǔn)確描述，但從橋梁結(jié)構(gòu)分析來看，可以將泥石流對橋的沖擊力看作一種外部荷載(沖擊力)。圍繞泥石流沖擊力的確定，近年來取得了一些進展。泥石流可看作是由水、土、砂混合而成的漿體和粗顆粒組成的物質(zhì)，相應(yīng)的沖擊力可分為漿體沖擊壓強和大塊石撞擊力。

黃遠(yuǎn)紅等[19]進行了稀性泥石流沖擊力水槽試驗，結(jié)果表明，泥石流沖擊壓強概率密度函數(shù)隨機分布函數(shù)符合Log-Logistic形式，函數(shù)變量與粗顆粒最大粒徑有關(guān)。王東坡等[5, 20]的水槽試驗研究表明，泥石流的沖擊壓強可表達(dá)為弗汝德數(shù)Fr或雷諾數(shù)Re的冪函數(shù)形式，在豎向分層，且與泥石流的類型(稀性、粘性)相關(guān)。劉道川等[7]的水槽試驗表明，泥石流的沖擊壓強需要考慮爬高因素的影響。王友彪等[21-22]通過一系列試驗，得出泥石流的沖擊合力系數(shù)受到泥石流流動形態(tài)、截面形狀的共同影響；并采用OpenFOAM模擬泥石流水槽試驗過程，較為清晰地展示了泥石流沖擊橋墩的過程(圖3)，用無量綱化處理沖擊合力和沖擊壓強，發(fā)現(xiàn)泥石流漿體產(chǎn)生的沖擊力可簡化為剪切層、栓塞層和爬高層3層(圖4)[21]；在此基礎(chǔ)上，進一步采用OpenFOAM模擬分析了長174.5 m、寬19.5 m的“足尺模型試驗”(圖5)[21]。

圖3 泥石流沖擊橋墩過程示意圖[7,21]Fig.3 Side view of the debris-flow impact process[7,21]

圖4 泥石流沖擊力3層結(jié)構(gòu)示意[21]Fig.4 Three-layer impact sturcture diagram of debris flow[21]

圖5 足尺數(shù)值模型示意[21]Fig.5 Schematic diagram of full scale numerical model[21]

泥石流漿體沖擊壓強用動壓強或靜壓強形式表達(dá)，大塊石的撞擊力可用Hertz理論計算[23]。使用這兩類公式的臨界粒徑長期以來一直沒有明確。Cui等[24]進行了水槽試驗和DEM數(shù)值模擬研究，當(dāng)顆粒粒徑流動深度(δ/h)大于0.9且Fr小于3.5時，應(yīng)考慮使用彈性碰撞理論求解。Song等[25]進行了泥石流離心機試驗，用大小不同的玻璃球模擬大塊石、砂子模擬漿體，沖擊攔擋壩模型，認(rèn)為h=δ/0.6可作為臨界粒徑判斷標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[26]進一步對柔性攔擋網(wǎng)進行含大塊石的泥石流離心機試驗，結(jié)果表明，柔性攔擋網(wǎng)由于變形大而使大塊石的沖擊力迅速衰減，防泥石流的柔性攔擋網(wǎng)設(shè)計中不需要考慮大塊石的作用。柳春[18]對漿體和塊石同時沖擊攔擋壩進行了數(shù)值模擬，認(rèn)為漿體與塊石的耦合加大了塊石單獨作用時的撞擊力。

2.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

圖6 泥石流沖擊石拱橋模型試驗[38]Fig.6 Model test of debris flow impact masonry arch bridge[38]

3 泥石流減災(zāi)

3.1 易損性分析

易損性這一概念廣泛地應(yīng)用于各類自然災(zāi)害研究，如地震[39]、洪水[40]、海嘯[41]、颶風(fēng)[42]、滑坡[43]、泥石流[44]等。易損性結(jié)果可為自然災(zāi)害風(fēng)險評估提供依據(jù)，為政策制定者的規(guī)劃提供支持，是減災(zāi)的重要手段。

3.2 結(jié)構(gòu)防護

為減輕泥石流帶來的橋梁災(zāi)害，可在橋梁周圍或橋墩上設(shè)置排擋結(jié)構(gòu)進行防護。在泥石流溝底設(shè)置橫向護道(排導(dǎo)溝)可以約束泥石流的移動路徑，以降低泥石流造成的破壞。Qiu等[50]研究了橫向護道的外形對防護效果的影響，認(rèn)為減小護道寬度能增加泥石流流速，從而避免橋下淤積和淤積導(dǎo)致的泥石流漫過橋面現(xiàn)象。在泥石流溝內(nèi)設(shè)置樁林能將泥石流中的大塊石攔截在上游，避免對下游橋梁結(jié)構(gòu)的撞擊。張萬澤等[32]研究了典型品字形樁林結(jié)構(gòu)在大塊石撞擊下的破壞機理，為類似防護結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提出建議。

更多防護相關(guān)的研究集中在橋墩防撞技術(shù)上。王東坡等[51]研究了5種不同結(jié)構(gòu)形式夾芯板的力學(xué)性能，其中，Ⅲ型結(jié)構(gòu)形式可以吸收更多能量而被應(yīng)用于實際橋墩防護工程。Lu等[52]將泡沫鋁應(yīng)用在框架結(jié)構(gòu)房屋中，結(jié)果表明，泡沫鋁加固后的框架結(jié)構(gòu)存在雙重保護機制：泥石流沖擊力小時，完全吸收沖擊能量；沖擊力足夠大時，泡沫鋁被反復(fù)的沖擊力強化，限制住包裹在其中的混凝土，從而提高框架結(jié)構(gòu)的承載能力。蒲黔輝等[53]提出一種正六邊形多胞結(jié)構(gòu)，并在每個正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)中加入圓形鋼管，采用ANSYS LS-DYNA軟件進行仿真分析計算，最終確定出合理的耗能材料配合比，使其在滿足耗能要求情況下減小撞擊力。Su等[54]利用廢的碎玻璃抵抗大塊石的沖擊耗能效果，并進一步研究了顆粒粒徑和堆積厚度對石籠耗能能力的影響[55]。

橋梁防泥石流沖擊措施，可以采取主動防護，也可以采取被動防護。主動防護就是疏導(dǎo)，避免泥石流沖擊橋梁結(jié)構(gòu)，如排導(dǎo)[50]和樁林結(jié)構(gòu)[32]；而被動防護是在橋墩上添加防撞設(shè)施，減小沖擊力對橋梁結(jié)構(gòu)的作用，如文獻(xiàn)[52-55]。這兩種方式是目前主要的防護手段。

4 結(jié)論

近年來，對泥石流沖擊橋梁的研究不斷深入，取得了豐碩成果。研究方法方面，室內(nèi)模型試驗及野外試驗相結(jié)合；新型傳感器和各種數(shù)值模擬方法為未來研究提供了更好的手段。泥石流沖擊方面，提出了新的荷載模型可供結(jié)構(gòu)分析使用；橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析全面展開。結(jié)構(gòu)防災(zāi)方面，易損性研究從歷史經(jīng)驗判斷進入到數(shù)值模擬；新的防護措施不斷涌現(xiàn)。

后續(xù)研究可以從幾個方面開展工作：

1)開展廣泛的跨學(xué)科合作，土木學(xué)科應(yīng)與地球?qū)W科加強聯(lián)系，從野外調(diào)查、泥石流物理模型、橋梁結(jié)構(gòu)分析等方面開展交流。

2)調(diào)查分析泥石流區(qū)橋梁沖毀事故，結(jié)合數(shù)值模擬探究泥石流沖擊作用下橋梁結(jié)構(gòu)的破壞機理，做到數(shù)值分析結(jié)果與野外調(diào)查事故案例一一對應(yīng)。

3)通過泥石流沖擊橋墩試驗，采集足夠多的沖擊力數(shù)據(jù)，分析不同特性泥石流沖擊橋墩的力的特性，在此基礎(chǔ)上制定適合橋梁結(jié)構(gòu)的泥石流荷載標(biāo)準(zhǔn)，為泥石流區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計計算提供依據(jù)。

4)泥石流中大塊石對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊力有時甚至大于漿體的沖擊力，是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損壞的主要因素，后續(xù)可對泥石流中大塊石的運動規(guī)律及其與橋梁結(jié)構(gòu)的耦合作用進行研究。

5)在泥石流災(zāi)害作用下，對橋梁結(jié)構(gòu)的易損性方面繼續(xù)深入研究，達(dá)到快速評估橋梁安全性的目的。