泥石流冲击桥梁2019年度研究进展

姚昌荣，王友彪，李亚东，强斌，刘赛智

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081)

泥石流是山地和丘陵地区常见的地质灾害之一，具有爆发突然、历时短暂、能量大等特点，严重威胁到人民群众的生命和财产安全。泥石流会对桥梁造成严重的破坏，如利子依达沟泥石流事故，泥石流冲断桥墩，列车冲入大渡河，造成200余人死亡，这是世界上最大的一次泥石流破坏桥梁的事故。2019年，四川“8.20”强降雨特大山洪泥石流被国家应急管理部[1]列为2019年全国十大自然灾害之一，阿坝州爆发数十处泥石流，导致多条公路受损严重，多座桥梁被泥石流损毁。

随着中国西部经济日益发展，山区植被破坏，自然环境恶化，短时强降雨极端事件频发，大地震诱发大量次生山地灾害，种种原因加剧了泥石流的发生。同时，中国在西部山区规划了大量的铁路、公路线路，大量桥梁不可避免地穿越泥石流多发区域。研究泥石流冲击桥梁，厘清桥梁在泥石流作用下的破坏机理，提出合理的减灾措施，对西部地区的发展建设有重要意义。

“泥石流冲击桥梁”这一研究课题同时涉及桥梁结构和岩土两个专业方向，是新兴的研究领域，并逐步成为热点研究方向。笔者主要对近年泥石流冲击桥梁的研究方法、泥石流冲击桥梁和泥石流减灾3个方面的研究进行回顾。

1 研究方法

野外调查、室内试验和数值模拟是研究泥石流冲击桥梁的3种常用方法。野外调查可以获得第一手资料，分为区域调查和沟谷调查。野外调查除常规方法外，近年也发展了一些新的技术手段，如GPS(北斗)、航空遥感、激光扫描、无人机等[2-4]多技术融合的现场勘察方法。而室内试验和数值模拟方面，近两年也取得了较大进展。

1.1 室内试验

由于泥石流的发生具有偶然性，要在泥石流发生现场测得泥石流冲击力实属不易，为此，1961年，中国科学院在有“泥石流天然博物馆”之称的云南蒋家沟建立了野外观测站，采集了大量的泥石流观测资料，为泥石流研究做出了巨大贡献。相比于野外试验，室内试验更容易开展，而且可以按照不同的配比组合进行有针对性的试验，是目前绝大多数泥石流研究的方式。泥石流冲击试验是通过在泥石流槽内或出口布设压强传感器进行，泥石流沿水槽冲击到传感器上，从而测得冲击压强，缺点在于不能考虑桥墩的影响。王东坡等[5]把桥墩模型置于泥石流槽出口，在模型迎流面布置9个压强传感器，测量泥石流冲击压强在桥墩上的分布。该试验水槽总长度18 m、料斗距地面高度12 m、最大容积4.71 m3，桥墩置于水槽之外，试验测得了很多有价值的数据。但是，一般的试验水槽规模都较小，长度在5 m左右，容量小于0.5 m3，如果将桥墩(或立柱)放置在水槽外，泥石流出水槽之后比较分散，很难测到有用的数据。鉴于此，王友彪等[6-7]把桥墩模型安装在泥石流槽的中央、距离槽口约50 cm处，并在桥墩模型上同时安装压强传感器和合力传感器(图1)，测得泥石流对方形和圆形截面桥墩模型的冲击压强及冲击合力，并采用移动平均法对小波降噪后的冲击力合力去除石子的随机冲击瞬时效应，效果较好。因为一般泥石流冲击试验测得的压强是由压力传感器测得的压力除以传感器的面积得到的，所以，测点的压强只能代表该点的值，而泥石流的冲击力分布本身不均匀，因此，难以准确地计算冲击合力的大小。该试验除了得到压强外，还采用合力传感器测得泥石流冲击的合力，可以更准确地计算桥墩冲击效应。为了能够准确地测试迎流面上的压力分布，刘道川等[8]在实验中采用SPI TACTILUS内置式压力分布测量传感器测量坝体的冲击压力，每个传感器单元测量面积为1.5 cm×1.5 cm，传感器阵列为32×32，实现了对整个冲击面上冲击压力的测量，得到了冲击压力的时空分布特性。这种分布式传感器用于测试平面模型效果较好，但测量圆柱式或矩形结构的冲击力难以得到好的效果。因此，笔者拟采用膜式传感器测量墩身的压力分布，该传感器测点密度可达到20点/cm2。

图1 泥石流水槽试验布置[7]Fig.1 Layout plan of debris flow flume experiment[7]

1.2 数值模拟

图2 三相(粗颗粒细颗粒黏性流体)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 泥石流冲击桥梁结构研究

2.1 冲击力

虽然泥石流成分复杂，其运动难以准确描述，但从桥梁结构分析来看，可以将泥石流对桥的冲击力看作一种外部荷载(冲击力)。围绕泥石流冲击力的确定，近年来取得了一些进展。泥石流可看作是由水、土、砂混合而成的浆体和粗颗粒组成的物质，相应的冲击力可分为浆体冲击压强和大块石撞击力。

黄远红等[19]进行了稀性泥石流冲击力水槽试验，结果表明，泥石流冲击压强概率密度函数随机分布函数符合Log-Logistic形式，函数变量与粗颗粒最大粒径有关。王东坡等[5, 20]的水槽试验研究表明，泥石流的冲击压强可表达为弗汝德数Fr或雷诺数Re的幂函数形式，在竖向分层，且与泥石流的类型(稀性、粘性)相关。刘道川等[7]的水槽试验表明，泥石流的冲击压强需要考虑爬高因素的影响。王友彪等[21-22]通过一系列试验，得出泥石流的冲击合力系数受到泥石流流动形态、截面形状的共同影响；并采用OpenFOAM模拟泥石流水槽试验过程，较为清晰地展示了泥石流冲击桥墩的过程(图3)，用无量纲化处理冲击合力和冲击压强，发现泥石流浆体产生的冲击力可简化为剪切层、栓塞层和爬高层3层(图4)[21]；在此基础上，进一步采用OpenFOAM模拟分析了长174.5 m、宽19.5 m的“足尺模型试验”(图5)[21]。

图3 泥石流冲击桥墩过程示意图[7,21]Fig.3 Side view of the debris-flow impact process[7,21]

图4 泥石流冲击力3层结构示意[21]Fig.4 Three-layer impact sturcture diagram of debris flow[21]

图5 足尺数值模型示意[21]Fig.5 Schematic diagram of full scale numerical model[21]

泥石流浆体冲击压强用动压强或静压强形式表达，大块石的撞击力可用Hertz理论计算[23]。使用这两类公式的临界粒径长期以来一直没有明确。Cui等[24]进行了水槽试验和DEM数值模拟研究，当颗粒粒径流动深度(δ/h)大于0.9且Fr小于3.5时，应考虑使用弹性碰撞理论求解。Song等[25]进行了泥石流离心机试验，用大小不同的玻璃球模拟大块石、砂子模拟浆体，冲击拦挡坝模型，认为h=δ/0.6可作为临界粒径判断标准。文献[26]进一步对柔性拦挡网进行含大块石的泥石流离心机试验，结果表明，柔性拦挡网由于变形大而使大块石的冲击力迅速衰减，防泥石流的柔性拦挡网设计中不需要考虑大块石的作用。柳春[18]对浆体和块石同时冲击拦挡坝进行了数值模拟，认为浆体与块石的耦合加大了块石单独作用时的撞击力。

2.2 结构响应

图6 泥石流冲击石拱桥模型试验[38]Fig.6 Model test of debris flow impact masonry arch bridge[38]

3 泥石流减灾

3.1 易损性分析

易损性这一概念广泛地应用于各类自然灾害研究，如地震[39]、洪水[40]、海啸[41]、飓风[42]、滑坡[43]、泥石流[44]等。易损性结果可为自然灾害风险评估提供依据，为政策制定者的规划提供支持，是减灾的重要手段。

3.2 结构防护

为减轻泥石流带来的桥梁灾害，可在桥梁周围或桥墩上设置排挡结构进行防护。在泥石流沟底设置横向护道(排导沟)可以约束泥石流的移动路径，以降低泥石流造成的破坏。Qiu等[50]研究了横向护道的外形对防护效果的影响，认为减小护道宽度能增加泥石流流速，从而避免桥下淤积和淤积导致的泥石流漫过桥面现象。在泥石流沟内设置桩林能将泥石流中的大块石拦截在上游，避免对下游桥梁结构的撞击。张万泽等[32]研究了典型品字形桩林结构在大块石撞击下的破坏机理，为类似防护结构的合理设计提出建议。

更多防护相关的研究集中在桥墩防撞技术上。王东坡等[51]研究了5种不同结构形式夹芯板的力学性能，其中，Ⅲ型结构形式可以吸收更多能量而被应用于实际桥墩防护工程。Lu等[52]将泡沫铝应用在框架结构房屋中，结果表明，泡沫铝加固后的框架结构存在双重保护机制：泥石流冲击力小时，完全吸收冲击能量；冲击力足够大时，泡沫铝被反复的冲击力强化，限制住包裹在其中的混凝土，从而提高框架结构的承载能力。蒲黔辉等[53]提出一种正六边形多胞结构，并在每个正六边形蜂窝结构中加入圆形钢管，采用ANSYS LS-DYNA软件进行仿真分析计算，最终确定出合理的耗能材料配合比，使其在满足耗能要求情况下减小撞击力。Su等[54]利用废的碎玻璃抵抗大块石的冲击耗能效果，并进一步研究了颗粒粒径和堆积厚度对石笼耗能能力的影响[55]。

桥梁防泥石流冲击措施，可以采取主动防护，也可以采取被动防护。主动防护就是疏导，避免泥石流冲击桥梁结构，如排导[50]和桩林结构[32]；而被动防护是在桥墩上添加防撞设施，减小冲击力对桥梁结构的作用，如文献[52-55]。这两种方式是目前主要的防护手段。

4 结论

近年来，对泥石流冲击桥梁的研究不断深入，取得了丰硕成果。研究方法方面，室内模型试验及野外试验相结合；新型传感器和各种数值模拟方法为未来研究提供了更好的手段。泥石流冲击方面，提出了新的荷载模型可供结构分析使用；桥梁结构的响应分析全面展开。结构防灾方面，易损性研究从历史经验判断进入到数值模拟；新的防护措施不断涌现。

后续研究可以从几个方面开展工作：

1)开展广泛的跨学科合作，土木学科应与地球学科加强联系，从野外调查、泥石流物理模型、桥梁结构分析等方面开展交流。

2)调查分析泥石流区桥梁冲毁事故，结合数值模拟探究泥石流冲击作用下桥梁结构的破坏机理，做到数值分析结果与野外调查事故案例一一对应。

3)通过泥石流冲击桥墩试验，采集足够多的冲击力数据，分析不同特性泥石流冲击桥墩的力的特性，在此基础上制定适合桥梁结构的泥石流荷载标准，为泥石流区桥梁结构设计计算提供依据。

4)泥石流中大块石对桥梁结构的冲击力有时甚至大于浆体的冲击力，是导致桥梁结构损坏的主要因素，后续可对泥石流中大块石的运动规律及其与桥梁结构的耦合作用进行研究。

5)在泥石流灾害作用下，对桥梁结构的易损性方面继续深入研究，达到快速评估桥梁安全性的目的。