冲击荷载下梳齿坝支墩厚度对支墩受力特性的影响分析

黄龙阳　王　宁

(西南科技大学土木工程与建筑学院　四川绵阳　621010)

泥石流是一种典型的地质自然灾害，其破坏性非常巨大，因此对泥石流的防治已经成为当前工程界的重要任务之一。泥石流一般发生在多山地区，是一种含有大量泥沙石块的固、液、气三相流体[1]，具有成因复杂、爆发突然、破坏性大等特点。目前工程中应用的泥石流拦挡结构主要是实体坝、轻型坝、格栅坝、桩林坝等[2-3]。为防治和减小泥石流的危害，研究开发有效的泥石流防治结构具有重要的意义。

梳齿坝是近年来应用越来越多的泥石流拦挡坝，其支墩间可以通过粒径较小的碎块石与水流，而整体能够阻挡较大的石块，从而起到拦粗排细，减小泥石流破坏性能的效果，因此特别适合对山区泥石流进行拦挡。梳齿坝的应用目前主要集中在山区沟谷型泥石流发育的地区。冯佳俊[4]、李德华[5]、袁颖[6]等对梳齿坝在泥石流治理中的应用进行了介绍。对梳齿坝受力特性的分析未见报道。由于梳齿坝形式较特殊，受力较复杂，故工程应用中梳齿坝支墩尺寸在设计时多是根据经验而定，缺乏完善的设计规范和计算理论。

目前工程应用中梳齿坝支墩厚度一般根据经验确定，多在1.0～1.5 m，按照挡土墙模型进行验算，没有考虑泥石流中大石块作用在支墩边缘时形成偏压使支墩在厚度方向产生较大位移的情况。由于支墩高度一般很高，在厚度方向有较大作用力时，将形成很大的弯矩和挠度，极易损坏。本文在对泥石流脉冲形式、冲击力等运动参数进行分析的基础上，运用有限元软件ANSYS进行数值模拟。以支墩厚度为变量，分析梳齿坝支墩厚度对支墩在泥石流冲击力作用下变形、受力等方面的特性，明确支墩厚度对其位移、弯矩分布等的影响规律，为梳齿坝在工程应用中结构参数的选取提供参考。

1　泥石流主要运动学参数

1.1　泥石流脉冲形式

泥石流脉冲形式体现了泥石流冲击力大小跟其流速、流量、容重的内在关系，是其动力演化的依据。目前大部分学者将其分解为泥石流整体冲击力和大石块冲击力的叠加，将泥石流冲击形式归为三类[7]，即：尖峰形脉冲、锯齿形脉冲和矩形脉冲。

尖峰形脉冲泥石流冲击时间很短，因此较尖锐的波峰很少，体现了流体中大粒径颗粒与块石的碰撞现象，对建构筑物破坏性很大。锯齿状脉冲波峰与波谷间起伏较大，呈锯齿状，代表流体中大、小石块相碰撞的叠加现象，若再叠加少量较大孤峰，可看作是个别大石块的作用，这种脉冲也最为典型。矩形脉冲没有大的波峰波谷，较为平缓，代表流体成分较均一，固体粒径较小。

1.2　泥石流冲击力计算方法

(1)泥石流整体冲击力

泥石流的冲击力是工程破坏的直接原因，目前其冲击力计算方法主要有流体动力法、船筏撞击法、材料力学法、弹性碰撞法等。一般根据两相流理论，假定泥石流的冲击力是由泥石流整体冲击力和泥石流中大块石的冲击力叠加构成。

泥石流整体冲击力[8]见式(1)：

(1)

式中，F表示泥石流整体冲击力，γc表示泥石流容重，Vc表示泥石流平均流速，α表示建筑物受力面与泥石流冲击方向的夹角，λ表示建筑物形状系数，通常圆形建筑取值为1.0，矩形建筑物取1.33，方形建筑物取值为1.47。

(2)泥石流中大石块冲击力

泥石流对构筑物的破坏，常常是个别大石块冲击导致，在构件截面形成瞬时超大拉应力和剪应力，引起结构局部开裂，最终发展成整体破坏。

当受泥石流冲击的构筑物为墩、台或柱时，大块石冲击力计算公式[9]见式(2)：

(2)

当受冲击构筑物为坝或格栅等时，冲击力计算公式见式(3)：

(3)

式中，F表示泥石流大块石冲击力，E表示构件弹性模量，J表示构件截面中心轴的惯性矩，L表示构件长度，V表示石块运动速度，W表示石块质量，α表示块石运动方向与构件受力面的夹角。

在泥石流对拦挡坝发生冲击的过程中，泥石流体持续的冲击导致拦挡坝疲劳破坏，其所含大石块的撞击使拦挡坝产生瞬时断裂。大石块速度根据其粒径的不同，一般为十几到几十米每秒，故对于梳齿坝支墩，在大石块冲击力下，结构将迅速达到最大反应。

泥石流对拦挡坝的冲击作用主要由于大石块的作用位置与作用数量不定，故工程应用中，通常按照最不利情况，即整个拦挡坝的迎水面全部按承受大石块冲击力进行设计计算。本文为了与工程实际相联系，使得出的规律能够为工程应用提供参考，因此采用瞬态分析模拟泥石流对梳齿坝支墩的冲击过程，除了研究支墩在偏压作用时局部加载大石块冲击力外，其它分析都将较短时间内的石块冲击力作用加载在整个支墩的迎水面进行分析。

2　数值模拟

2.1　建立模型

本文所选案例为2014年泸定县杵坭村三叉沟泥石流治理工程中所使用的梳齿形泥石流拦挡坝。三叉沟泥石流爆发于2005年6月30日，造成6人死亡，毁坏房屋数十间。流域面积约2.83×104m2，平均厚度约20 m，总方量约17.6×104m3。在芦山地震灾后重建工程中，该沟内设置了梳齿坝对泥石流进行拦挡，该梳齿坝设计库容约0.82万m3，有效坝高7 m，基础长17 m。由5个支墩、6个溢流断面与左右两翼组成。在本文分析中，支墩厚度作为变量，分别为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 m厚，混凝土弹性模量3×104N/mm2,泊松比0.2，模型及网格划分见图1。根据案例中泥石流密度1.614 t/m3、平均流速6.4 m/s、石块密度2.65 t/m3、大石块直径2.5 m求得泥石流整体冲击力为87.44 kPa，大石块的冲击力为513.33 kPa。把整体冲击力简化为矩形荷载，把大石块冲击力简化为集中荷载，通过叠加得到理想的时间-冲击力的关系曲线，然后通过两种工况(图2)施加于梳齿坝支墩上。

图1　结构模型网格划分图Fig.1　The structure model grid partition map

图2　冲击力与时间关系曲线Fig.2　The relation curve of time and impact force

工况一：拦挡结构只受到泥石流的整体冲击压力，忽略大石块的冲击作用，如图2(a)。

工况二：拦挡结构受到泥石流整体冲击压力的同时，在6～6.5 s和11～11.5 s施加两次大石块的冲击力，如图2(b)。

2　结果分析

2.1　位移时程曲线分析

提取工况二不同厚度支墩顶部中间节点Y方向位移绘制时程曲线进行对比，见图3。分析可知，泥石流整体冲击力下，支墩顶部具有较小的位移，突然施加大石块冲击力的瞬间，支墩顶部位移突然增大；当大石块冲击力消失时，支墩回弹至之前的位移，并出现小幅度摆动后趋于平稳。

图3　工况二下支墩顶部位移-时间曲线Fig.3　The time-displacement curves of the buttress in Condition Two

2.2　局部大石块冲击力下墩身位移分析

当大石块冲击力作用在支墩边缘时，容易在厚度方向形成较大的偏压，从而使支墩在厚度方向产生较大的位移。大石块冲击力作用瞬间墩身各部位在厚度方向的位移情况见图4。

图4　支墩X方向位移对比曲线Fig.4　The displacement curves of buttress in the X direction

从图4可知，同一支墩，由于底部为嵌固端，位移为零，随着高度的增加，墩身位移增大，即支墩顶部，悬臂端在X方向的位移最大。厚度为0.5 m的支墩，其墩身各部位的位移明显大于其他厚度支墩的位移。2.5 m厚支墩到1.0 m厚支墩，X方向的位移变化很平缓，但从1.0 m厚支墩到0.5 m厚支墩，支墩顶部X方向的位移变化很大。说明在实际工程设计中，梳齿坝的支墩厚度不宜小于1.0 m，若小于1.0 m，在泥石流大块石作用下产生的位移将会很大。

2.3　墩身弯矩对比

梳齿坝支墩可看做是一个倒置的变截面悬臂梁构件，在泥石流大石块冲击力作用下，墩身内部会产生剪力与弯矩。不同厚度支墩在整个迎水面作用大石块冲击力时的弯矩变化见图5。

图5　墩身弯矩对比曲线Fig.5　The bending moment curves of buttress

从图5可以看出，不同厚度支墩墩身弯矩均是固定端最大，随着墩身高度的增加，弯矩逐渐减小，在4.5～5.0 m之间出现反弯点，即墩身高度2/3处，之后弯矩变为负值，在支墩顶部弯矩又趋于零。墩身的负弯矩可能是因为支墩迎水端面的受力是垂直于迎水面的，对支墩轴向形成了一定的压力引起的，因为这个负弯矩较小，故对整个支墩影响较小。

另外，从图5可以看出，对于不同厚度的支墩，随着支墩厚度的增加，支墩固定端的弯矩呈递增的趋势，但各种厚度支墩的反弯点均在4.5 m高度附近，且各种厚度支墩顶部弯矩均接近于0。对于随着支墩厚度增大墩身截面弯矩增大的现象，主要是由于当支墩厚度增大时，其迎水端面面积增大，即受力面增大，当力与其他条件不变时，随着支墩厚度，即截面的增大时，弯矩值自然会增大。

3　结论

本文采用有限元软件ANSYS对泥石流冲击荷载下不同厚度梳齿坝支墩的受力性能进行了分析对比，得到以下结论：(1)对梳齿坝支墩产生较大位移与应力的是泥石流中大块石冲击力。(2)当大块石冲击力作用在支墩边缘时，会对支墩厚度方向产生很大位移，如果支墩厚度过小，本文中小于1 m后，将使支墩厚度方向的位移明显增加。(3)大块石冲击力作用下，支墩底部弯矩最大，沿墩身高度逐渐减小，在支墩2/3高度左右出现反弯点，直到支墩顶部弯矩为零。

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[2]吴积善，田连权，康志成.泥石流及其综合治理[M].北京：科学出版社，1993.

[3]陈光曦，王继康.泥石流及其综合治理[M].北京：中国铁道出版社，1983.

[4]冯家俊，张友谊，梁培金.三叉沟泥石流形成原因及防治措施[J].路基工程，2015，(4)：223-228.

[5]李德华，许向宁，吉峰，等.汶川县映秀镇红椿沟特大泥石流工程防治及初步效果分析[J].工程地质学报，2013，21(2)：260-268.

[6]袁颖，王帅伟，满兵.四川都江堰椿芽树沟泥石流特征参数计算及防治工程设计[J].中国地质灾害与防治学报，2015，26(2)：51-56.

[7]陈洪凯，唐红梅，陈野鹰，等.公路泥石流力学[M].北京：科学出版社，2004.

[8]DZ/T 0239—2004，泥石流灾害防治工程设计规范[S].

[9]舒小红.泥石流运动过程的能量理论研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2007.