尾矿库溃坝对下游高速公路桥梁的损伤和滑动破坏评估

邓金鹏 宋英华 胡少华 李墨潇 周虹延 闫 崭

(武汉理工大学安全科学与应急管理学院,湖北 武汉 430070)

高速公路作为我国十四五规划中的重点建设内容,其对国家的飞速发展和社会经济的快速提升都有着至关重要的作用。但随着国内高速公路网覆盖范围及建设里程的持续增长以及矿业水平的不断提高[1],导致高速公路和尾矿库二者在地理空间位置上不可避免地发生交集,一旦尾矿库发生溃坝,下泻的溃坝尾砂泥石流将对下游高速公路的安全带来巨大的危险。2022年3月27日17时左右,位于山西省吕梁市交口县温泉乡的山西道尔铝业有限公司一尾矿库发生溃坝[2],大量褐色泥浆冲垮下游厂区大段围挡涌上高速公路阻断交通,致使周围居民出行受阻并给后续清淤工作带来极大困难。2006年4月30日18时40分,镇安县黄金矿业有限责任公司对其尾矿库实施第六期加坝增容施工时,部分主体坝突然垮塌,尾矿浆瞬间奔涌而下,将坝下40间房屋与临近的高速公路路段全部淹没,淤积深度达3 m,公路路基严重受损。因此,开展溃坝尾砂泥石流对下游高速公路的损伤评估具有非常重要的意义。

目前,国内研究主要集中在泥石流对高速公路的损伤评估和尾矿库溃坝后果分析,而针对溃坝尾砂泥石流对下游高速公路的损伤评估研究相对较少。杨铭[3]以被泥石流冲刷破坏的高速公路桥梁墩台为研究对象,分析了泥石流对于桥梁墩台地基的掏蚀机理以及冲刷坑形成后桥梁上部结构稳定性的变化,并通过相关工程实例的计算,验证了该破坏机制的合理性。魏学利等[4]结合公路泥石流活动特点和公路等级安全要求,提出基于危险性的公路泥石流工程防治原则,并在总结分析我国西部山区公路的泥石流防治经验基础上,探讨不同防治分类下公路泥石流防治模式。林小莉等[5]基于无人机航测生成的高精度数字高程模型(DEM)数据,采用深度积分的Massnow数值分析方法,对新疆某山区尾矿库进行溃坝数值模拟,分析了尾矿库矿砂运动路径、淹没区域及沿程堆积情况。李火坤等[6]利用Flow3D软件模拟某尾矿库逐渐溃坝时溃口随时间的变化过程以及溃坝后尾矿砂的淹没范围。张珂等[7]根据尾矿库溃坝特征,引入泥石流水力计算对尾矿库溃坝事故进行计算模拟,并将模拟结果与GIS工具耦合,从空间层面对溃坝事故进程和产生的影响进行动态预测和展示,建立尾矿库溃坝事故预警体系,为下游人员疏散工作提供指导。

由于溃坝尾砂泥石流既与水不同,也与一般的自然界泥石流不同,他是介于二者之间的一种颗粒相对均匀的砂-水混合物浆体,其流动性质及变化特性十分复杂[8],单纯依托泥石流领域的研究成果可能会造成溃坝尾砂泥石流对下游高速公路的损伤评估出现偏差。因此,本文基于尾矿库溃坝数值模拟并结合泥石流领域的损伤和滑动破坏研究,建立溃坝尾砂泥石流对下游高速公路桥梁的损伤和滑动评估模型。通过尾矿库溃坝数值模拟,确定高速公路桥墩前溃坝尾砂泥石流的速度和深度变化,最后从桥梁损伤、桥梁滑动两个方面进行综合评估,以期为评估溃坝尾砂泥石流对下游基础交通设施的损伤提供一些参考。

1 评估方法

1.1 问题描述

在尾矿库下游影响范围内的高速公路大多以跨径桥梁形式存在,其结构一般分为上部结构、下部结构(桥墩与基础)以及附属结构三部分,溃坝尾砂泥石流对高速公路桥梁造成损伤主要是由于对桥梁下部结构的冲击和局部冲刷。高速下泻的溃坝尾砂泥石流波头扰动剧烈冲击力较强[9],在流经下游高速公路时受桥墩阻碍将自身动能转化为冲击势能对桥墩造成损伤;同时伴随着溃坝尾砂泥石流流场的急剧变化,产生强紊动和高流速的局部三维水流和漩涡刨蚀桥墩基础周围土壤,对桥墩基础造成侵蚀破坏,进而导致整个桥墩结构失稳从而发生横向移动。溃坝尾砂泥石流的冲击和局部冲刷如图1所示。

图1 溃坝尾砂泥石流冲击和局部冲刷Fig.1 Dam break tailings debris flow impact and local erosion

1.2 评估流程

本文首先依据无人机航测的尾矿库及其周围地形的三维点云数据建立尾矿库三维数值模型,然后利用三维流体计算软件对尾矿库进行溃坝数值模拟,确定高速公路桥墩前溃坝尾砂泥石流的速度和深度变化情况,最后基于数值模拟结果从桥梁损伤、桥梁滑动两个方面综合评估溃坝尾砂泥石流对下游高速公路的损伤情况。评估流程如图2所示。

图2 桥梁损伤和滑动评估流程Fig.2 Bridge damage and slip assessment process

1.3 评估模型构建

1.3.1 高速公路桥梁损伤评估

1.3.1.1 桥墩损伤评估

(1)结构损伤评估。通过计算桥墩最大抗剪强度和溃坝尾砂泥石流最大冲击力,将二者进行大小比较来定量评估桥墩的结构损伤。桥墩抗剪强度[10]计算公式如下:

式中,νn为桥墩抗剪强度;νc为混凝土提供的剪力;νs为钢筋提供的剪力。

其中,钢筋提供的抗剪力νs分为矩形截面与圆形截面两种形式,即

式中,Av为平行于剪切方向的箍筋面积;Ah为单肢箍筋的截面积,Ah=0.758 4×d″2;d为计算方向上箍筋的肢距;d″为圆形箍筋的直径;s为箍筋间距;fy为箍筋的抗拉强度设计值。

混凝土提供的抗剪力νc采用美国Cal-trans规范公式进行计算:

式中,f'c为混凝土抗压强度标准值;Ae为桥墩截面有效剪切面积,取Ae=0.8×Ag,其中Ag为桥墩截面面积;k1=0.025≤+0.305-0.083μd＜0.25;其中ρs为配箍率,fyh为纵筋的抗拉设计强度,ud为纵筋配筋率;k2=1+＜1.5,其中N为截面轴向力。溃坝尾砂泥石流冲击力依据《泥石流灾害防治工程设计规范》[11]进行计算:

式中,γc为溃坝尾砂泥石流容重,kg/m3;λ为桥墩迎流面形状系数(圆形墩取1.0,矩形墩取1.33);ν为溃坝尾砂泥石流流速,m/s;α为桥墩受力面与溃坝尾砂泥石流夹角;h为溃坝尾砂泥石流深度,m;b为桥墩直径,m。

(2)功能损伤评估。功能损伤的结构状态方程表示为

式中,Mu为桥墩的抗弯承载力;M为桥墩所受的最大弯矩。

桥墩的抗弯承载力根据《混凝土结构设计规范》[12]导出:

式中,fc为混凝土轴心抗压强度设计值;N为墩柱轴向力;An为截面净面积;Wnx为面内净截面模量;γx为截面塑性发展系数;As为纵筋的截面面积总和;h0为截面有效高度;fy为纵筋屈服强度。

桥墩所受的最大弯矩参考谢中友等[13]提出的方法对侧向加载下桥墩内力进行简化,具体公式为

式中,H为桥墩总高;h为冲击点高度;F为泥石流冲击力。

1.3.1.2 桥墩基础损伤评估

通过计算出溃坝尾砂泥石流局部冲刷最大深度,将其与桥墩基础的埋置深度进行比较来定量评估桥墩基础损伤结果。局部冲刷深度计算分为非粘性土和粘性土两类,依据《公路工程水文勘测设计规范》[14]中公式进行计算。

(1)非粘性土局部冲刷深度计算公式:式中,Kξ为桥墩修正系数,圆形墩柱取1;B1为桥墩计算宽度,m;为河床颗粒影响系数;V'0=;V为一般冲刷后的垂线平均流速,由尾矿库溃坝数值模拟得到。

(2)粘性土局部冲刷深度计算公式:

式中,IL为冲刷坑范围内粘性土液性指数,适用范围为0.16～1.48;hp为一般冲刷后的最大水深(由尾矿库溃坝数值模拟得到)。

1.3.2 高速公路桥梁滑动破坏评估

桥梁滑动破坏根据《公路桥涵地基与基础设计规范》[15]计算其稳定系数进行判定。

式中,kc为桥墩基础的抗滑动稳定性系数;∑Pi为竖向力总和;∑HiP为抗滑移水平力总和;∑Hia为滑动水平力总和;μ为基地与地基土的摩擦系数。

2 工程应用

2.1 工程概况

铜山口尾矿库位于湖北省大冶市周家园尾矿库西侧,为傍山型尾矿库。尾矿库主坝初期坝为黏土坝,坝顶标高499 m,坝高70 m,坝顶宽度4 m,设计总库容1 609.32万m3。尾矿库的东南面和南面两面为山,北面和西面由筑坝补缺形成,在下游直线距离尾矿库1.5 km处存在一条双向四车道的蕲嘉高速公路,路宽26 m。尾矿库西面坝体下方存在有一条自东南到西北走向的S形沟谷,坝脚下游区域沟谷宽度最窄,平均宽度仅为100 m,沟谷一直向下延伸到蕲嘉高速公路且靠近高速公路沟谷逐渐变得开阔平坦,谷中平均宽度渐增至200 m,位于沟谷路段的高速公路长约195 m,路下墩高10 m,直径1.8 m,采用串列式双圆墩设计,尾矿库与高速公路位置卫星云图如图3所示。

图3 尾矿库与高速公路位置卫星云图Fig.3 Satellite cloud image of tailing pond and expressway location

2.2 尾矿库溃坝数值模拟

2.2.1 数值模型建立

基于无人机遥感测绘技术获取铜山口尾矿库和蕲嘉高速公路地形数据,将数据转化为stl格式后,导入三维流体计算软件,建立如图4所示的尾矿库三维数值模型。出于研究目的考虑,工况越危险对研究的指导意义越大,因此,在尾矿库西面坝顶中部位置预制一个宽30 m,深2 m的溃口(图4),引导尾矿库溃坝模拟向最危险工况发展,溃坝计算总时长约687 s。溃坝泥石流尾砂特征参数如表1所示。

表1 尾砂特性控制参数Table 1 Tailings characteristic control parameters

图4 尾矿库溃坝三维数值模型Fig.4 Three-dimensional numerical model of tailings pond dam break

2.2.2 数值模拟结果

溃坝初期,溃坝尾砂泥石流重力势能转换为动能使其下泻速度迅增。溃坝尾砂泥石流的演进过程如图5所示。t=170 s时,溃坝尾砂泥石流沿S型沟谷到达高速公路,此时溃坝尾砂泥石流还未对高速公路造成影响;t=360 s时,溃坝尾砂泥石流前进受到高速公路桥墩阻碍呈现出不同流态如:冲起攀升、回流、下潜等,并将自身的动能转化为冲击势能对桥墩进行冲击;同时溃坝尾砂泥石流流场发生急剧变化,产生高流速的局部漩涡如:横轴旋涡、马蹄形旋涡等对桥墩基础进行局部冲刷;t=660 s时,溃坝形势接近尾声,溃坝尾砂泥石流流速降低,对桥墩与基础的冲击和局部冲刷逐渐减弱,尾砂大量淤积在桥墩附近。

图5 溃坝尾砂泥石流演进过程Fig.5 Evolution process of dam break tailings debris flow

为监测高速公路桥墩前溃坝尾砂泥石流深度和速度的变化情况,本文提前在受溃坝尾砂泥石流冲击和冲刷最严重的高速公路沟谷路段处横向均匀布设了4个监测点,如图6所示。不同时刻高速公路墩前溃坝尾砂泥石流深度和流速变化如图7、图8所示。

图6 监测点布置Fig.6 Layout of monitoring point arrangement

图7 不同时刻高速公路墩前溃坝尾砂泥石流深度变化Fig.7 Change of depth of dam break tailing debris flow in front of expressway pier at different time

图8 不同时刻高速公路墩前溃坝尾砂泥石流流速变化Fig.8 Velocity change of dam break tailing debris flow in front of expressway pier at different time

由图7、图8可知,溃坝尾砂泥石流流经高速公路时受桥墩阻碍,改变了其原有的流态和流场,使深度和速度二者均呈现出先激增而后受到扰动发生强烈波动的变化状态。溃坝530 s时墩前溃坝尾砂泥石流深度达到最大为9.66 m;溃坝495 s时墩前溃坝尾砂泥石流速达到最大为3.87 m/s。

2.3 高速公路桥梁损伤评估

2.3.1 桥墩损伤评估

(1)结构损伤评估。① 桥墩抗剪强度计算:高速公路桥墩由C30级混凝土、HRB400级热轧带肋钢筋(纵筋)、HPB300级钢筋(箍筋)构建而成,《混凝土结构设计规范》规定HPB300级钢筋的抗拉强度设计值为270 MPa,即fy取270,d″为12,s为150,Ah为113.097 6,代入式(2)得到νs为3.837 kN。规范规定C30级混凝土的抗压强度标准值为20.1 N/mm2,即f'c取20.1,Ae计算为2.04 m2,代入式(3)得到νc≤3 018.159 kN,由式(1)可知νn≤3 022.032 kN,即桥墩最大抗剪强度为3 022.032 kN。② 溃坝尾砂泥石流冲击力计算:由上文可知,墩前溃坝尾砂泥石流最大流速为3.87 m/s,最大深度为9.66 m,γc0为1 323(见表1),λ取1,g取9.8,b取1.8,α取5,将数据代入式(4)计算得到ρc为1 118.915 kN。

综上,溃坝尾砂泥石流最大冲击力小于桥墩的最大抗剪强度,约为桥墩最大抗剪强度的1/3,故桥墩的结构损伤满足要求。

(2)功能损伤评估。依据《混凝土结构设计规范》,C30级混凝土的轴心抗压强度设计值fc为14.3,fy为400,γx取1,Wnx=π×d3/32=0.57,d为桥墩直径,N=ρc×cos5=1 114.657,An=π×r2=2.54,r为桥墩半径,As=n×π×r2=3.8×10-3,h0取4.8,H为10,h=h0为4.8,F=N为1 114.657。将各参数取值分别代入式(6)、式(7)中,得Mu为4 252.86,M为2 114.46。由式(5)可知,Z=4 252.86-2 114.46=2 138.4＞0,故桥墩的功能损伤满足要求。

综上,在受到溃坝尾砂泥石流冲击之后,高速公路桥墩的结构损伤和功能损伤均满足要求。

2.3.2 桥墩基础损伤评估

尾矿库下游高速公路位于大冶市,当地的土壤类型主要为马肝土、青刚土、淀浆土、红黄土、黄土、鸡眼土、砂土等,水田土型多为马肝土、青刚土、淀浆土,旱地的土型多为黄土、鸡眼土,其中,马肝土分布面积最多,砂土面积最少。因此,大冶市土壤主要以马肝土为代表的黏土为主,故采用式(9)进行计算,B1为1.8,hp取9.66,Kξ取1,IL基于安全考虑取0.98,V取3.87,计算得最大局部冲刷深度为4.456 m。高速公路桥墩基础为4 m×4 m×4 m的方形墩台,其设计埋置深度为8 m,即基础顶部距离地面的高度为4 m,故一部分桥墩基础将露出地表受到侵蚀破坏。

2.4 高速公路桥梁滑动破坏评估

高速公路桥梁滑动破坏主要是由于高速公路桥墩及桥墩基础在受溃坝尾砂泥石流的冲击和局部冲刷之后导致桥梁失稳,从而产生一定程度的横向滑动。由式(10)可知,在进行桥梁滑动破坏评估之前需对桥墩进行力学分析,结合上文桥墩受力分析如图9所示。

图9 桥墩受力分析Fig.9 Force analysis of pier

图中的G表示桥墩自身重力,f表示最大静摩擦力。由前文计算结果可知F=ρc=1 118.915 kN,则F1为1 114.657 kN,F2为97.520 kN,F浮=ρ×g×ν排=318.712 kN,G=2 116.365 kN,μ取0.3,代入式(10),计算出桥墩的抗滑动稳定性系数为1.02,小于规范限值1.2,因此,桥梁有横向滑动的风险。

3 结 论

(1)提出了将尾矿库溃坝数值模拟与泥石流相关的损伤和滑动破坏研究相结合的评估方法,并建立溃坝尾砂泥石流对下游高速公路桥梁的损伤和滑动评估模型,可合理评估溃坝尾砂泥石流对下游高速公路的损伤程度,该方法可为类似工程评价提供理论支撑。

(2)经工程实例计算,桥墩的结构损伤和功能损伤均满足要求,但在桥墩基础损伤评估中,计算出溃坝尾砂泥石流局部冲刷最大深度为4.456 m大于桥墩基础顶部距离地面的高度4 m,因此,一部分高速公路桥墩基础将露出地表受到侵蚀破坏。

(3)在桥梁滑动评估中,计算出桥墩的抗滑动稳定性系数为1.02,低于规范限值1.2,故高速公路桥梁有横向滑动的风险。