山洪冲击荷载下路基响应特性模型试验研究

陈洪凯 王 贺 张金浩

(重庆交通大学 岩土工程研究所,重庆 400074)

山洪是指发生在具有高差的山地河谷中的具有 突发性,水量集中流速大、冲刷破坏力强,水流中挟带泥沙甚至石块的地表径流现象,常常造成山区沿河路段的道路桥梁产生破坏.山洪的冲击作用是指洪水在运动过程中对所接触物体产生的动荷载,是洪水对道路及其构造物、桥梁产生破坏的主要因素,是一个不恒定值,影响因素有地形、地貌、颗粒粒径等.陈洪凯在泥石流冲击方面做了大量的工作,通过实验揭示了水石流运动的基本规律[1],探讨了不同粒径不同固相比作用下的泥石流冲击能量分布[2],通过小波分析将泥石流的冲击信号进行分解,认为冲击荷载随时间变化的过程是其运动过程中能量变化引起的[3];何思明等以Hertz理论为基础研究了泥石流大块石冲击力对弹塑性结构的计算方法[4];Kattel P基于两相流做了模型试验,探讨了固相和液相在泥石流冲击特性中的作用[5];王平义通过分析认为在弯曲河道处存在旋涡,探讨了河道参数对旋涡的影响[6];田伟平等通过模型试验研究了防护结构对路基冲刷深度的影响,探讨了有防护结构和无防护结构对路基的冲刷问题,提出了最大冲刷深度经验公式[7];张瑞刚等对洪水作用的挡墙进行了受力分析,得到了弯曲段河流挡墙的稳定性计算公式[8],Cai得出了确定洪水淹没公路范围和深度的算法[9].然而,前人的研究都未涉及到山洪冲击对路基底部的冲击力分布研究,本文以平川泥石流为物理原型,进行不同颗粒粒径和不同比重组合的山洪模型实验,探索山洪冲击力对路基底部的冲击荷载变化规律,获取每个测试位置的冲击力值,得到不同容重和不同颗粒粒径组合的山洪对山区公路路基挡墙底部的冲击力分布,试验模型为探讨性试验模型,分析山洪泥石流对路基的冲击的响应,为实施山洪泥石流灾害的工程治理提供依据.

1 试验模型设计

1.1 试验模型

众所周知,四川凉山州平川地区山洪泥石流灾害发生频繁,经现场考察,选取该区域地形条件为原型(图1a),在重庆交通大学泥石流动力模型试验场修建了平川泥石流实验模型(图1b),本试验侧重于山洪运动对沟口的路基挡墙产生的冲击力与山洪容重、固相比、颗粒粒径之间的关系,故本试验模型相似性设计仅考虑模型尺寸相似、地形尺寸相似,通过量纲分析得到.通过量纲分析,拟定模型主沟长相似比C L=700,换算得到模型的主沟长度为14 m,分为两个直线沟道和两个弯道,共4个高差,总高差2.5 m,沟道的宽深比为1∶5,采用混凝土砂浆抹面.在沟道最上端设置山洪供给装置,体积1.5 m3,供水采用球式阀门开启,在沟道出口处设置路基挡墙试验模型(图2),在挡墙模型下部设置5个观测点,记录山洪冲击作用下山洪的冲击力分布特征.试验模型尺寸详见图1b和图2,路基与山洪沟口的夹角为15°.

图1 平川泥石流原型及试验模型平面图

图2 路基试验模型及测点分布位置图

通过前期预试验观测,山洪沟的出水宽度为40 cm左右,山区公路的坡度一般都不能按照规范要求放坡,为了研究山洪冲击作用下山区公路路基挡墙的响应特征,设置路基上部宽0.5 m、下部宽0.7 m的尺寸,平面尺寸为长1.2 m、高0.5 m的路基挡墙进行试验.在路基挡墙不同位置分别设置①～○14测点,具体分布位置如图2所示,布置测点可以观测山洪冲击过程中路基不同位置上各测点的动力相应和冲击力值的分布.

1.2 试验工况

重点分析不同固相比和不同颗粒粒径条件下山洪对山区公路路基的冲击力荷载分布规律.由于山洪的容重略高于清水,故选定容重为A:1.034 t/m3,B:1.067 t/m3,C:1.10 t/m33种工况组,山洪携带的固体物质分别为a为粒径0.2 cm粘土粉末,b为粒径0.5 cm瓜米石,c为粒径1 cm的瓜米石,d为abc混合体.本文针对不同容重和不同颗粒粒径的正交组合进行了12组工况的模型试验(见表1).

表1 设计工况表

1.3 试验仪器与方法

1)数据采集系统选用东华DH5923动态应变测试系统,采集频率为1 k Hz;

2)选取量程50 k Pa的纽扣式土压力盒测试路基底部测试点的冲击时程,来反映山洪流体对路基底部的冲击特性;

3)图像采集仪器选用索尼高速摄像仪,记录实验过程中的影音资料;

4)开启数据采集系统和高速摄像仪,采集动态数据及图像,全程记录山洪的冲击力和路基和山洪的相互作用过程.

5)仪器准备就绪后,开启山洪供给装置,开始试验.

2 试验现象分析

山洪在行进过程中遇到反坡会产生超高特性,这是由于山洪是连续流体,在持续水流作用下有持续直进性的特征,由动能转化为势能,越过坡体继续流动,山洪遇到弯道时,会在惯性力的作用下,产生十分明显的超高现象,这种现象多发生在凹岸.试验过程中,在第一段超高位置a点设置了观测点,记录山洪冲击过程中的爬高现象,在测点b处观测山洪的超高现象,其中弯道处a测点有较明显的由于爬高引起的山洪体流失现象(如图3所示).

图3 超高及超高引起的山洪流失

3 试验结果分析

3.1 山洪冲击路基时程曲线

试验结束后从动态应变采集系统DH5923仪器中提取出各组工况的测试结果(如图4所示),以工况11为例分析各个测点的时程曲线,解读山洪冲击过程中每个点的动态响应过程.

由图4可以看到,山洪到达每个测点的时间上存在差异,与试验录像资料显示完全一致,其先后顺序为9,6,12,14,8,3,5,4,2,1,7,11,10,13,山洪洪峰冲击路基的首冲位置位于测点9和点6之间,并顺向向下游(点12、14)冲击,当流量增大时山洪的冲击位置向后上方发展,最后的冲击位置为测点13;各点的时程曲线呈现不一样的趋势,测点1、4、7、9、11、14出现明显的龙头现象,测点2、3、5、6、8、10、12、13出现时间长短不一的负压现象,通过试验视频分析,产生龙头作用的测点为山洪直接冲击作用的点,而负压现象是由于山洪冲击带动周边空气形成真空,但是山洪还没有直接冲击作用到测点,荷载是由于负压现象产生的真空吸力造成的,当流量增大到山洪直接作用到测点上的时候,测点的荷载值变为正值,并逐渐增大;在测点7、10、11、13的时程曲线上出现了阵流现象,为山洪流体间断性对3个测点产生冲击作用造成的.

图4 工况11各测点时程曲线

山洪流体对路基的冲击分布作用不但体现在冲击力方面,还体现在冲击时间上,由于各个测点位置的不同,山洪对各个测点的冲击时间也存在这不同,以工况11为例,截取各测点有效冲击时间,得到山洪对路基的持续作用时间,以测点所在位置做冲击时间表,见表2.

表2 工况11各测点的山洪冲击时间 (单位:s)

3.2 山洪作用在路基底部的最大冲击力

山洪对路基及其周边构造物的冲击破坏,通常是由山洪泥石流冲击过程中的最大瞬时冲击力所致,为了探讨山洪对观测点的最大冲击力作用,通过数据分析将12种工况的每个测点最大值提取出来进行分析.基于12组工况的试验结果,提取最大点做出12种工况每个测点的最大冲击荷载值曲线,如图5所示.

图5 山洪冲击路基各测点最大值

由图5可以看出,山洪对路基的冲击作用大多数符合规律,但测点3处出现了部分工况的离散现象,最大值为工况10的5.147 5 k Pa,工况2的3.713 7 k Pa,工况7的3.065 8 k Pa,3种工况分别对应的颗粒粒径是1 cm瓜米石和0.5 cm瓜米石,所对应的容重为3种不同的容重;测点6处也出现了离散现象,分别为工况12的3.408 6 k Pa和工况11的2.192 2 k Pa.试验结果显示:越靠近山洪冲击源头位置的路基,其底部发生最大值的可能性越大,颗粒粒径和容重对冲击力最大值的影响不是绝对的,但总体来说固相颗粒的颗粒粒径越大、山洪的容重越大各个测点最大值也呈现增大趋势.

3.3 山洪作用在路基冲击力平均值

为了更好地反映出各工况所有测点的冲击力,以冲击过程中曲线的平均值来表征每个测点的冲击力.取压力盒接收到的第一个非噪声信号到山洪结束后的所有数据,求得每个测点的平均值,如图6所示.

图6 山洪冲击路基各测点平均值

1)颗粒粒径与冲击力平均值的关系

为了更客观的评价颗粒粒径与冲击力的关系,选取工况1到工况4的冲击力均值数据进行讨论,冲击力平均值见表3.

表3 不同粒径的冲击力平均值(单位:k Pa)

由表3可以看出,颗粒粒径越大,山洪对每个测点的冲击力均值也随之增大,即颗粒粒径对山洪冲击力均值的影响具有正相关关系.

2)容重与冲击力平均值的关系

选取d粒径组(工况4、8、12)为对象对容重和冲击力平均值的关系进行分析,冲击力平均值见表4.

表4 不同容重的冲击力平均值(单位:k Pa)

由表4可以看出,除测点13外,其他测点的冲击力均值随着山洪的容重增大而增大,通过对试验视频分析发现在b粒径组工况下,山洪对13号点的冲击时间不随容重的增加而增加,规律性较差,这个在其他工况组也与类似的现象,此现象也说明在试验条件下,测点13处于山洪冲击的边界范围点.本组工况为混合粒料体,能在一定程度上体现所有工况组的容重与冲击力的关系特征,即每组工况各测点的冲击力平均值与颗粒粒径均呈正相关关系.

3.4 试验工程意义

我国山洪分布范围广,每年6～9月各省市均会产生山洪灾害,山洪爆发时对道路的危害特别大.尤其是山区,交通不便,一旦出现路基断道等水毁情况,人们的出行都会受到很大的限制.山区公路沿河修建较多,而山区河流的弯道段占河流总长的比重很大,由于山洪冲击在弯道时路基所受冲击力随位置和弯曲形态而产生变化,选用直观的试验方式探讨山洪对弯道处路基的冲击力分布问题.

本试验为模型试验,采用的相似比为1∶700.通过试验观测到了山洪运动过程中的超高现象;不同粒径、固相比和容重的山洪冲击路面板各测点出现的最大值、各测点的冲击力平均值及相邻位置的冲击力增长(衰减)值的规律.通过试验现象及规律可有针对性的设置路基防护措施,如在山洪沟道相应位置布设谷坊、拦渣坝等,将山洪固体颗粒的冲击破坏能力达到可控;对山洪冲击路基的不利位置前设置丁坝导流、工程护岸等措施可以减少山洪冲击对公路路基的直接作用时间及范围,保障人们的生活和安全出行,研究结果对提升山洪频发区域的山区公路路基工程预防及治理水平有积极作用.

4 结 论

为了探讨不同容重和颗粒粒径的山洪流体对路基的冲击力大小和不同点位的分布规律,进行了12组实验,获取了800余万实验数据量,通过对试验数据和影音资料的分析,得到以下结论:

1)试验过程中山洪流体在弯道点a和点b处产生了弯道超高现象,点a处存在山洪流体随爬高过程流失的现象;

2)试验条件下,山洪冲击作用下路基底部每个测点的时程曲线均不相同,顶冲位置产生龙头现象,顶冲位置附近在冲击过程中产生负压作用,山洪对路基的冲击时间也不相同;

3)试验条件下,山洪流体对路基各测点的冲击力最大值基本符合规律,一般出现在路基底部的位置,离沟道远的测点其最大值呈现规律性较强的特点,且冲击力最大值和山洪容重及颗粒粒径基本呈现正相关关系;

4)试验条件下山洪流体对路基各测点的冲击力平均值的大小与颗粒粒径、容重呈正相关关系,其冲击力平均值在试验路基模型上呈现整体呈现顶冲位置大,两边小的特征.