汶川震區(qū)桃關(guān)溝泥石流漿砌塊石壩損毀數(shù)值仿真研究

蔡紅剛，裴向軍，唐秋元，何 妍

（1.中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶400039；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都610059）

桃關(guān)泥石流溝是一條老溝，該溝于1962年6月15日發(fā)生泥石流，位于北緯31°11′50″，東經(jīng)103°38′5″，海拔1 100～1 600m，屬溝谷狹長(zhǎng)地段。汶川“5.12”地震后導(dǎo)致溝內(nèi)不穩(wěn)定斜坡、滑坡、崩塌等極其發(fā)育，為泥石流的暴發(fā)提供了豐富物源。相關(guān)部門于2010年在溝道下游修建了漿砌塊石攔擋壩，該壩被后期暴發(fā)泥石流損毀。通過(guò)對(duì)汶川桃關(guān)溝泥石流流域特征、物源以及攔擋壩的損毀特征調(diào)查，反演分析該漿砌塊石壩的損毀機(jī)理。

1 汶川桃關(guān)溝泥石流特征

1.1 泥石流溝道特征

桃關(guān)溝長(zhǎng)11.4km，匯水面積51km2，平均坡降128.6‰，兩河口經(jīng)上至桶棚梁子為匯水區(qū)，植被發(fā)育，覆蓋率達(dá)60%以上，兩河口至桃關(guān)工業(yè)園區(qū)為形成流通區(qū)，坡降為90‰，植被覆蓋率約30%，兩側(cè)山體坡度一般30°～50°，松散堆積層較豐富，特別是地震后在距園區(qū)200m形成了大量的松散碎塊石堆積體，一般粒徑為0.3～1.2m，最大粒徑可達(dá)8m，為泥石流的發(fā)生提供了物源。流通區(qū)溝道順直，未見(jiàn)陡坎，基本無(wú)卡口，物質(zhì)組成以碎石土為主，黏性小。工業(yè)園區(qū)至桃關(guān)村段為流通區(qū)，坡降為70‰，建桃關(guān)工業(yè)園區(qū)時(shí)已建排導(dǎo)槽。堆積區(qū)域?yàn)樘谊P(guān)溝下游至岷江河。

圖1 桃關(guān)溝泥石流分區(qū)圖（參考勘查報(bào)告）

1.2 水文及物源特征

據(jù)有關(guān)氣象資料統(tǒng)計(jì)，汶川一帶多年平均降雨量為524.03mm，極強(qiáng)降雨量為55.6mm／d。該泥石流溝常年流水，部分水流滲入地下，補(bǔ)給地下水。

桃關(guān)溝泥石流的物源主要為兩方面：一是地震后在溝道及坡腳等形成大量的松散崩坡積層，一般粒徑為0.3～1.2m，最大粒徑可達(dá)8m；二是溝道內(nèi)存在的沖洪積層，磨圓度較好，粒徑大小一般在2～200mm之間，少量漂石粒徑達(dá)400mm。

1.3 泥石流的平均流速及撞擊力

通過(guò)訪問(wèn)和對(duì)溝內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行分析判斷，并對(duì)泥石流物質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配比試驗(yàn)，容重為1.4～1.5之間，取值1.5，比重按2.65計(jì)算。

泥石流平均流速以及沖擊力的計(jì)算參照規(guī)范DZ／T 0220—2006《泥石流防治工程勘查規(guī)范》中相關(guān)公式，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［1－3］，計(jì)算結(jié)果為VC＝5.09m／s；泥石流沖擊力計(jì)算按最危險(xiǎn)情況考慮，該沖擊力計(jì)算包括整體沖擊力和單塊最大沖擊力計(jì)算，計(jì)算只考慮正面沖擊。計(jì)算結(jié)果為泥石流流體的沖擊力F＝13.1kN／m2，泥石流大塊石的沖擊力為FS＝57.0kN。

2 桃關(guān)溝泥石流漿砌塊石壩損毀特征

汶川震區(qū)桃關(guān)溝泥石流漿砌塊石壩的壩體材料為M10漿砌片石，片石單抗壓強(qiáng)度不底于30MPa，且為不易風(fēng)化的硬質(zhì)巖石。以桃關(guān)溝2＃漿砌塊石壩的損毀特征來(lái)分析該類型的壩體受泥石流塊石沖擊損毀的特征和機(jī)理?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壩體受大塊石的撞擊后，壩體撞擊區(qū)表面出現(xiàn)縱向裂隙和橫向裂隙，延伸長(zhǎng)度0.5～2.5m，寬度約3mm，直接撞擊區(qū)受損嚴(yán)重，壩體出現(xiàn)張裂、掉塊，導(dǎo)致壩體的整體性受到嚴(yán)重破壞。未受大塊石直接沖擊的區(qū)域，局部出現(xiàn)小的裂縫，壩體整體性受輕微破壞。受塊石撞擊損毀的壩體在后期泥石流的持續(xù)沖擊下，凹坑逐漸變大，壩體整體極易出現(xiàn)潰壩，如圖2。

圖2 汶川桃關(guān)溝泥石流2＃壩

3 漿砌塊石壩受沖擊破壞數(shù)值仿真

桃關(guān)溝泥石流大塊石多為4～5m3，形成的塊石沖擊力較大，導(dǎo)致壩體受沖擊的變形較大。ANSYS／LS－DYNA軟件比較適合于大變形的沖擊動(dòng)力模擬，結(jié)合該軟件建立1∶1的仿真模型，反演分析泥石流漿砌塊石壩受塊石沖擊損毀的過(guò)程和破壞機(jī)理。ANSYS／LS－DYNA軟件的相關(guān)原理內(nèi)容，可見(jiàn)參考文獻(xiàn)［4－5］。

3.1 模型特征

汶川地震后，桃關(guān)溝內(nèi)松散物源豐富，并于2009年7月23日暴發(fā)泥石流，其下游的2＃漿砌塊石壩受到嚴(yán)重?fù)p毀，其損毀原因主要是受大塊石沖擊損毀。本文選擇攔擋壩受塊石沖擊損毀段（最危險(xiǎn)段）為研究對(duì)象，建立如圖3所示的三維模型。野外調(diào)查的桃關(guān)溝泥石流中大塊石為4.2m3，該數(shù)值仿真的主要目的是模擬壩體受大塊石沖擊的受力狀態(tài)和損毀特征，塊石外形對(duì)模擬的結(jié)果影響較小，故本文采用球體作為大塊石，考慮體積相近的原則，選用直徑為2m的實(shí)心球體等效。

圖3 塊石沖擊攔擋壩三維模型

由于壩體受法向沖擊是最易造成損毀的，故本文主要模擬壩體受塊石的正向沖擊損毀。該仿真模型以豎向?yàn)閆軸，順溝方向?yàn)閅軸，垂直溝道方向?yàn)閄軸，建立1∶1的等效模型。模型由3個(gè)實(shí)體組合而成，考慮到砌筑壩體的塊石粒徑約為0.20m，網(wǎng)格劃分為0.20m方體，總的單元為70 280個(gè)；土體采用映射網(wǎng)格劃為9 850個(gè)單元；塊石單元為3 986個(gè)，整個(gè)模型共有89 580個(gè)節(jié)點(diǎn)，總共為84 014個(gè)單元。

由于本文模擬的是壩體中部段，壩體兩側(cè)按固定邊界條件與實(shí)際相符，大塊石的初始速度按計(jì)算速度5m／s取值（模擬時(shí)按Z向速度為－2.2m／s、Y向速度為4.5m／s）采用。大塊石與壩體結(jié)構(gòu)面的接觸關(guān)系為CONTACT＿AUTOMATIC＿POINT＿TO＿SURFACE（點(diǎn)—面自動(dòng)接觸）。模擬時(shí)間的確定主要依據(jù)考慮到泥石流中大塊石沖擊壩體的過(guò)程是實(shí)際極短的動(dòng)力過(guò)程，沖擊作用為幾毫秒，壩體受沖擊作用后應(yīng)力—應(yīng)變存在調(diào)整的過(guò)程，整個(gè)沖擊模擬時(shí)間選擇為1.2s，其實(shí)際沖擊時(shí)間為0.1ms左右，沖擊角度采用正向沖擊，取沖擊角度為90°。

3.2 材料參數(shù)選取

對(duì)于大塊石，沖擊過(guò)程中不考慮本身的變形，需選用變形小，強(qiáng)度較高的材料按剛體考慮；對(duì)于壩體和土體，為彈塑性變形體，選擇彈塑性本構(gòu)模型的材料即可滿足要求。依據(jù)Hertz接觸理論［6－8］，假設(shè)材料 滿足Vonmises屈服準(zhǔn)則條件，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)表

3.3 數(shù)值仿真分析

3.3.1 漿砌塊石壩體沖擊損毀特征分析

數(shù)值仿真切片顯示，壩體受泥石流大塊石的沖擊過(guò)程在極短時(shí)間內(nèi)完成，其損毀特征主要表現(xiàn)在壩體的變形和損毀區(qū)嚴(yán)重程度2個(gè)方面。首先，壩體在受大塊石沖擊的時(shí)候，壩體表部發(fā)生較大的變形，其變形隨沖擊的繼續(xù)逐漸增大，在壩體的變形量達(dá)到5～7cm，即超過(guò)該類壩體的抗變形極限值時(shí)，塊石將會(huì)脫落損毀，在多次沖擊作用下，壩體損毀嚴(yán)重；其次，仿真結(jié)果顯示，壩體受大塊石直接沖擊的區(qū)域損毀嚴(yán)重，而未受大塊石直接沖擊的區(qū)域受損程度較輕，為輕微損毀區(qū)。仿真結(jié)果與實(shí)地調(diào)查的壩體損毀特征基本一致。

圖4 壩體損毀特征

3.3.2 大塊石沖擊力與時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)能量守恒原理，大塊石沖擊力與其體積、沖擊速度及塊石巖性（強(qiáng)度）等成正相關(guān)。塊石沖擊開(kāi)始時(shí)，其速度最大，隨著沖擊過(guò)程的發(fā)生，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為變性能，撞擊接觸力達(dá)到最大值，之后接觸力逐漸減小。

泥石流大塊石對(duì)壩體的沖擊為法向沖擊，其沖擊力—時(shí)間關(guān)系如圖5。仿真結(jié)果顯示，法向接觸力在時(shí)間0.599 98～0.627 994s之間從0達(dá)到最大值66.31kN，其沖擊接觸時(shí)間極短，該沖擊過(guò)程為瞬時(shí)沖擊完成的。理論計(jì)算泥石流大塊石沖擊力為FS＝5.7tf，即為57.0kN，模擬的最大沖擊力較計(jì)算值大9.31kN，偏差范圍為14.04%，其主要原因是數(shù)值仿真模擬計(jì)算是一種理想的狀態(tài)，較相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算更與實(shí)際吻合。數(shù)值仿真的結(jié)果在一定程度上可以指導(dǎo)該類壩體的設(shè)計(jì)及后期修復(fù)治理工作。

圖5 法向撞擊接觸力時(shí)間關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明，壩體受大塊石的撞擊后，直接撞擊區(qū)受損嚴(yán)重；未受大塊石直接沖擊的區(qū)域，局部出現(xiàn)小的裂縫，整體性受輕微破壞。數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)地調(diào)查的壩體損毀特征基本一致。

（2）漿砌塊石壩體受大塊石的沖擊破壞過(guò)程是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，為瞬態(tài)過(guò)程；壩體受沖擊破壞的演變過(guò)程為：沖擊變形—形達(dá)到極限狀態(tài)—損毀。

（3）仿真結(jié)果顯示，法向接觸力的最大值66.31kN，理論計(jì)算的沖擊力為57.0kN，模擬的最大沖擊力較計(jì)算值大9.31kN，偏差范圍為14.04%，其主要原因是數(shù)值仿真模擬計(jì)算是一種理想的狀態(tài)，較相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算更與實(shí)際吻合。

（4）數(shù)值仿真的結(jié)果在一定程度上可以指導(dǎo)該類壩體的設(shè)計(jì)及后期修復(fù)治理工作。

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