泥石流路基防护阻拦结构优化设计研究

2023-11-17武立

交通科技与管理 2023年21期

武立

（山西省交通规划勘察设计院有限公司,山西太原 030000）

0 引言

案例公路过线规模较大的稀性泥石流沟，面临严重的泥石流路基防护任务，随着近年技术和经济能力的发展，决定进一步提高泥石流风险路段的防护阻拦能力，围绕阻拦结构优化形态、废旧轮胎消能缓冲层技术引用以及组合防护技术的设计应用，开展了一系列设计分析研究。这里梳理介绍相关设计研究及模拟结果，以期为同类泥石流路基防护优化设计提供技术参考。

1 案例简介

某泥石流沟属于稀性泥石流沟，容重达到1.30～1.96 t/m3，近年有记录最大泥石流流量155 m3/s，泥石流过程有大量各种规格石块随流运输，最大泥石流深度可达2.50 m。某高速公路的K31+401～K31+701 区段过线该处。该泥石流沟的源头海拔2 858.00 m，泥石流沟口的海拔1 560.00 m，主沟长度9.90 m，总落差达到1 298.00 m。分支沟多，垂直坡度陡，固体松散物质丰富，威胁面积大。上次泥石流最大流速8.29 m/s，泥石流量164.47 m3/s，最大冲击力在9.66×104Pa 左右。淤埋铁路140.00 m 左右，淤埋道路100.00 m 左右，中断交通达3 个月之久，造成严重交通灾害和经济损失。

2 泥石流路基防护结构设计思路

（1）基于结构规格形式的设计思路。模拟研究显示，泥石流路基阻抗结构受泥石流冲击过程中，应力集中主要发生在阻拦墙的墙脚两侧，如果该处稳固性不足，在泥石流强力冲击下，非常容易由该处开始发生垮塌。因此在泥石流阻拦墙设计中，围绕强化该处牢固性来加强泥石流路基阻拦结构设计非常必要和具有针对性，由此产生强化阻拦墙路基侧的规格以及形式状态的设计思路。

（2）基于优化缓冲层设计思路。泥石流对保护路基阻拦墙的主要威胁在于冲击破坏，抗冲击设计一种思路是使墙体强度足以抵御抗冲强度，一种思路是在强度基础上再赋予墙体一定程度的弹塑消能功效，通过消解冲击能来相对提高抗冲击性能。基于后者思路，人们探讨设计了应用废旧轮胎做阻拦墙缓冲层的设计思路，即在阻拦墙墙体外侧增加废旧轮胎结构层，轮胎内部填充砂石与橡胶胎体一起形成弹塑性消能抗冲击复合阻尼结构。该设计再生利用废旧轮胎，填充砂石不会对环境造成污染，轮胎作为碰撞缓冲面，可以增加弹塑碰撞面积，具有良好的缓冲功效[1]。

3 泥石流路基不同防护设计形式的功效分析

3.1 改善规格形式的设计功效分析

（1）模型及主要分析参数。路基、泥石流以及阻拦结构的物理模型如图1 所示。模型中A→B→C→D 设为固定约束，N→J→F 设为耦合流固条件，D→K 和A→G设为水平约束。泥石流路基防护阻拦墙以C25 混凝土浇筑，允许剪力1.27 MPa，各工况对应不同的倾角a，分别为5°、10°、15°、20°、25°、30°。

图1 泥石流路基防护阻拦结构的物理模型

（2）模拟分析结果。应力与位移关系模拟分析结果如表1 所示。据此获得了路基、阻拦墙最大应力与倾角关系曲线，路基、阻拦墙形变与倾角的关系曲线，路基形变与倾角的关系曲线，其中路基、阻拦墙最大应力与倾角关系曲线如图2 所示[2]。

表1 改善规格形式的应力与位移关系模拟分析结果

图2 路基、阻拦墙最大应力与倾角关系曲线

模拟结果显示，阻拦墙所承受的最大应力随着a角度的增加而逐渐降低，最大应力的降低速度随着角度增加而逐渐加快，阻拦墙最大应力降速在15°时开始变得缓慢并逐渐趋于稳定。路基和阻拦墙的最大垂向移位随着角度增加呈现先快速降低，然后逐渐趋于平稳的变动趋势。路基和阻拦墙的最大水平移位随着角度增加而匀速缓慢降低，全程不存在突变情况。加大阻拦墙路基侧的规格以及角度状态，对阻拦墙抗御泥石流冲击的性能存在积极影响。尤其15°时，路基和阻拦墙的应力和移位都较小。实际工程中a角也不能设置的过大，考虑施工条件和工程经济性等因素，所以案例工程选择15°角度配置。

3.2 轮胎消能缓冲的设计功效分析

（1）模型及主要分析参数。废弃轮胎消能缓冲层泥石流路基防护物理模型如图3 所示，模型中A→B→C→D 采取固定约束，R→S→K 设为流固耦合条件，D→M 和A→G 设为水平约束。防护阻拦墙以C25混凝土浇筑，允许剪力1.27 MPa。废弃轮胎消能缓冲层的厚度d，分别取20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm、120 cm，其他计算参数如表2 所示。

表2 废弃轮胎消能缓冲层计算参数

图3 废弃轮胎消能缓冲层泥石流路基防护物理模型

（2）模拟分析结果。应力与位移关系模拟分析结果如表3 所示，据此获得了废弃轮胎消能缓冲层最大应力与厚度（d）的关系曲线，路基、阻拦墙形变与倾角的关系曲线，路基形变与厚度（d）的关系曲线，缓冲层形变与厚度（d）的关系曲线[3]。

表3 轮胎消能缓冲层应力与位移关系模拟分析结果

模拟分析结果显示，废弃轮胎消能缓冲层在工况1达到了2.88 MPa 的最大应力，工况2 达到了1.32 MPa 的最大应力，表明缓冲层的应力集中过大，甚至超过了混凝土C25的允许剪力1.27 MPa。随着缓冲层厚度d的增加，消能缓冲层的最大应力逐渐减小，当厚度达到100 cm 时，最大应力则开始趋于稳定。缓冲层厚度从20 cm 逐渐增加，路基的垂向移位峰值对应不断降低，当厚度达到100 cm 时，变化趋于平缓。随着厚度d的增加，路基的水平位移逐渐降低，但是幅度并不大。随着厚度d的增加，消能缓冲层的垂向移位峰值快速降低，当厚度达到40 cm时，最大值波动不大。而随着厚度d的增加，消能缓冲层的水平移位峰值快速降低，当厚度达到100 cm 时，变化趋于平稳。

分析结果显示，废弃轮胎消能缓冲层采取不同厚度设计，与普通重力阻拦强相比，路基和阻拦墙的应力和形变均明显降低，显示废弃轮胎消能缓冲层的泥石流冲击防护功效明显。小型轿车的轮胎宽度在15.50～17.50 cm；大型轿车的轮胎宽度在18.50～24.50 cm；卡车、货车以及特种车的轮胎相对还会更大些，意味可以有多种废旧轮胎规格可以选择，考虑施工条件和工程经济性等因素，所以案例工程选择100 cm 厚度。

3.3 双重组合防护的设计功效分析

（1）模型及主要分析参数。泥石流路基阻拦结构物理模型中A→B→C→D 设为固定约束，R→S→K 采取耦合流固边界条件，D→M 和A→G 设为水平约束。其他规格与图1 相同，路基侧阻拦墙实施倾斜设计，阻拦墙规格加大后a角为15°，墙外设计一层废弃轮胎消能缓冲层，缓冲层厚度d取为100 cm。

（2）模拟分析结果。得到（d=100 cm，a=15°）双重防护条件下应力与位移关系模拟分析结果如表4 所示[4]。

表4 双重防护条件下应力与位移关系模拟结果

分析结果显示，优化阻拦墙路基侧的结构状态，路基和阻拦墙水平和垂向移位均明显降低。阻拦结构的防护下，路基的最大应力波动较为平缓，废弃轮胎消能缓冲层显著降低阻拦墙的最大应力，双重防护的路基和阻拦墙的最大应力、垂向最大移位和水平最大移位均低于单一措施的功效数值。说明双重防护设计具有明显的组合增效特征，提升单一设计措施的抗泥石流冲击的防护功效。所以只要条件允许，应尽可能采取多种防护措施，实施多重技术手段组合防护，则泥石流路基防护结构的安全性储备会更充足，防护效果会更好。