新型泥石流攔擋壩抗塊石沖擊動(dòng)力響應(yīng)分析

呂志剛

（廣東碧桂園職業(yè)學(xué)院建筑工程技術(shù)教研室，廣東 清遠(yuǎn) 511510）

我國地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地形起伏大，降雨集中，泥石流分布廣泛，暴發(fā)頻繁，危害嚴(yán)重［1］。2010年8月7日，甘肅舟曲發(fā)生特大泥石流災(zāi)害，1471人遇難，496人失蹤，5508間房屋被毀，是建國以來最嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害事件［2］。

泥石流沖擊力中大塊石的沖擊力很容易造成攔擋結(jié)構(gòu)的破壞，針對(duì)這一問題提出一種彈簧格構(gòu)泥石流攔擋壩（下稱新型壩）。應(yīng)用ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊對(duì)新型壩和普通重力式泥石流攔擋壩（下稱普通壩）進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明新型壩具有優(yōu)越的抗大塊石沖擊的能力。

1 彈簧格構(gòu)壩提出

泥石流大塊石對(duì)橫向沖擊攔擋壩的最大沖擊力計(jì)算公式如公式（1）所示［3］，式中最大沖擊力用Pmax表示，大塊石的質(zhì)量用m表示，塊石的沖擊速度用v表示，c，n為的壩體材料特性參數(shù)。由公式（1）可知，同一沖擊能量下不同材質(zhì)構(gòu)成的壩體沖擊力隨c值的增大而增大，而c值反映了壩體材料的剛度特性，剛度越大，c值也越大，沖擊力也越大。因此，以降低結(jié)構(gòu)沖擊接觸面剛度從而降低沖擊作用的思想提出了彈簧格構(gòu)泥石流攔擋壩。

2 新型壩組成

新型壩由三部分組成，分別為后部混凝土壩體、中間彈簧和前部鋼架。前部鋼架和中間彈簧的設(shè)置可以起到一定的緩沖作用［4］，避免了后部混凝土壩體受到大塊石的直接沖擊破壞。新型壩的后部混凝土壩體迎流面垂直，便于設(shè)置中間彈簧。文中采用LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，新型壩后壩長取2m，高取1.5m，壩頂厚0.15m，壩底厚0.25m，彈簧長度為0.25m［5］。圖1（a）為新型壩基本組成。如圖1（b）前部鋼架布置方式，其規(guī)格為100×50×5×7的H型鋼。

圖1 新型壩的組成（mm）

3 新型壩與普通壩抗沖擊性能對(duì)比分析

3.1 新型壩與普通壩有限元模型

新型壩有限元模型前部鋼架采用本構(gòu)模型為理想彈塑性模型的SHELL163單元［6］，中間彈簧采用剛度為200kN/m的COMBIN165單元，后部混凝土壩體和普通壩采用本構(gòu)模型為理想彈塑性模型的SOLID164單元。鋼球本構(gòu)模型為剛體模型。普通壩長2m，高1.5m，頂厚0.3m，底厚0.4m。新型壩與普通壩的有限元模型如圖2所示。

圖2 新型壩和普通壩的有限元模型

3.2 變形及應(yīng)力對(duì)比分析

文中對(duì)鋼球質(zhì)量為0.9t、速度為8m/s、撞擊點(diǎn)為壩體中部的典型工況進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)新型壩和普通壩的變形、應(yīng)力，及沖擊力與位移進(jìn)行了對(duì)比分析。圖3為新型壩和普通壩的變形及應(yīng)力。

圖3 新型壩和普通壩的變形及應(yīng)力

由圖3可知，普通壩受到鋼球撞擊時(shí)，碰撞接觸點(diǎn)處的混凝土發(fā)生了塑性變形，應(yīng)力值達(dá)到了20MPa，說明混凝土已被壓碎，壩體底部應(yīng)力較大，其他部位應(yīng)力較小。新型壩受到鋼球撞擊時(shí)，前部鋼架首先與鋼球接觸，發(fā)生較大塑性變形，鋼架整體向后傾斜，壓縮中間彈簧。整個(gè)撞擊過程新型壩后壩沒有受到直接沖擊，并且前部鋼架和中間彈簧起到了一定的緩沖作用，后壩應(yīng)力一直處于較低的水平，最大應(yīng)力只有9.73MPa。

3.3 沖擊力、位移分析

文中的位移均為壩頂中部x方向的水平位移，新型壩研究后壩的水平位移。新型壩與普通壩最大沖擊力與最大位移如表1所示，沖擊力、位移時(shí)程曲線如圖4、5所示。

表1 新型壩與普通壩的最大沖擊力與位移

圖4 新型壩與普通壩沖擊力時(shí)程曲線

圖5 新型壩與普通壩位移時(shí)程曲線

由表1和圖4、圖5可知，在相同鋼球沖擊作用下，新型壩受到的沖擊力遠(yuǎn)小于普通壩的沖擊力，只有普通壩的1/7.5，由于新型壩沖擊接觸面剛度小于普通壩，沖擊接觸時(shí)間長，沖擊力持續(xù)時(shí)間約為普通壩的6倍；新型壩后壩位移只有普通壩位移的1/3.3，兩種壩體在受到?jīng)_擊的瞬間位移達(dá)到最大值，但新型壩位移的振幅較普通壩小很多，這也是前部鋼架與中間彈簧的作用效果。

4 參數(shù)分析

不同的沖擊速度v以及不同的彈簧剛度k對(duì)新型壩的動(dòng)力響應(yīng)有很大影響［7］，表2為普通壩在不同撞擊速度下最大沖擊力與位移數(shù)據(jù)，表3為新型壩在不同撞擊速度和彈簧剛度下最大沖擊力、位移的降幅。沖擊速度與彈簧剛度對(duì)新型壩最大沖擊力、位移的影響規(guī)律如圖6、7所示。塊石質(zhì)量為0.5t，撞擊點(diǎn)均為壩體中部。

表2 不同撞擊速度下普通壩的最大沖擊力、位移

表3 不同撞擊速度和彈簧剛度下新型壩最大沖擊力、位移的降幅

圖6 撞擊速度和彈簧剛度對(duì)新型壩最大沖擊力的影響

圖7 撞擊速度和彈簧剛度對(duì)新型壩最大位移的影響

從表2、3和圖6、7中可以看出，普通壩和新型壩的最大沖擊力、位移隨撞擊物速度的增大而增大；新型壩的最大沖擊力和位移隨彈簧剛度的增大呈增大趨勢；隨著沖擊速度的增大，新型壩的最大沖擊力和位移的降幅都呈增大趨勢；但隨著彈簧剛度的增大，新型壩的最大沖擊力和位移的降幅呈減小趨勢；由于彈簧剛度過大有些工況的位移出現(xiàn)了負(fù)增長；與普通壩相比，新型壩最大沖擊力、位移降幅均很明顯，最大值分別達(dá)到了87.3%、70.7%。

5 結(jié)論

本文以調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度降低沖擊作用的思想提出了新型泥石流攔擋壩，利用有限元軟件對(duì)新型壩和普通壩進(jìn)行了數(shù)值模擬及對(duì)比分析，得出了以下結(jié)論：

5.1 受到大塊石沖擊時(shí)，新型泥石流攔擋壩具有優(yōu)越的抗沖擊性能，由于前部鋼架和中間彈簧的耗能作用，新型壩后壩的變形與應(yīng)力明顯減小。

5.2 沖擊過程中普通壩碰撞接觸點(diǎn)處的混凝土發(fā)生了較大的塑性變形，混凝土被壓碎，壩體底部應(yīng)力較大，而新型壩后壩基本沒有發(fā)生塑性變形，并且應(yīng)力很??；新型壩最大沖擊力只有普通壩的1/7.5，最大位移只有普通壩的1/3.3。

5.3 新型壩的最大沖擊力和位移隨撞擊物速度及彈簧剛度的增大而增大；新型壩最大沖擊力、位移的降幅均很明顯，最大值分別達(dá)到了87.3%和70.7%。

［1］趙健.我國泥石流防治措施研究［J］.中國水利，2007（14）：50-52.

［2］胡桂勝，陳寧生，鄧明楓，等.甘肅舟曲三眼峪溝泥石流粗大顆粒沖擊力特征分析［J］.地球與環(huán)境，2011（4）：478-484.

［3］何思明，吳永，沈均.泥石流大塊石沖擊力的簡化計(jì)算［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2009（5）：51-56.

［4］何思明，吳永.新型耗能減震滾石棚洞作用機(jī)制研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010（5）：926-932.

［5］鄭國足.帶彈簧支撐的新型新型泥石流攔擋壩抗沖擊性能研究［J］.蘭理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013：14-20.

［6］張鵬，周德源.基于ANSYS/LS-DYNA的護(hù)欄沖擊模擬分析精度研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2008，27（4）：147-152.

［7］王澤鵬，胡仁喜，康士延，等.ANSYS13.0/LS-DYNA非線性有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.