沖擊荷載下梳齒壩支墩厚度對支墩受力特性的影響分析

黃龍陽　王　寧

(西南科技大學土木工程與建筑學院　四川綿陽　621010)

泥石流是一種典型的地質(zhì)自然災害，其破壞性非常巨大，因此對泥石流的防治已經(jīng)成為當前工程界的重要任務之一。泥石流一般發(fā)生在多山地區(qū)，是一種含有大量泥沙石塊的固、液、氣三相流體[1]，具有成因復雜、爆發(fā)突然、破壞性大等特點。目前工程中應用的泥石流攔擋結(jié)構(gòu)主要是實體壩、輕型壩、格柵壩、樁林壩等[2-3]。為防治和減小泥石流的危害，研究開發(fā)有效的泥石流防治結(jié)構(gòu)具有重要的意義。

梳齒壩是近年來應用越來越多的泥石流攔擋壩，其支墩間可以通過粒徑較小的碎塊石與水流，而整體能夠阻擋較大的石塊，從而起到攔粗排細，減小泥石流破壞性能的效果，因此特別適合對山區(qū)泥石流進行攔擋。梳齒壩的應用目前主要集中在山區(qū)溝谷型泥石流發(fā)育的地區(qū)。馮佳俊[4]、李德華[5]、袁穎[6]等對梳齒壩在泥石流治理中的應用進行了介紹。對梳齒壩受力特性的分析未見報道。由于梳齒壩形式較特殊，受力較復雜，故工程應用中梳齒壩支墩尺寸在設計時多是根據(jù)經(jīng)驗而定，缺乏完善的設計規(guī)范和計算理論。

目前工程應用中梳齒壩支墩厚度一般根據(jù)經(jīng)驗確定，多在1.0～1.5 m，按照擋土墻模型進行驗算，沒有考慮泥石流中大石塊作用在支墩邊緣時形成偏壓使支墩在厚度方向產(chǎn)生較大位移的情況。由于支墩高度一般很高，在厚度方向有較大作用力時，將形成很大的彎矩和撓度，極易損壞。本文在對泥石流脈沖形式、沖擊力等運動參數(shù)進行分析的基礎上，運用有限元軟件ANSYS進行數(shù)值模擬。以支墩厚度為變量，分析梳齒壩支墩厚度對支墩在泥石流沖擊力作用下變形、受力等方面的特性，明確支墩厚度對其位移、彎矩分布等的影響規(guī)律，為梳齒壩在工程應用中結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取提供參考。

1　泥石流主要運動學參數(shù)

1.1　泥石流脈沖形式

泥石流脈沖形式體現(xiàn)了泥石流沖擊力大小跟其流速、流量、容重的內(nèi)在關(guān)系，是其動力演化的依據(jù)。目前大部分學者將其分解為泥石流整體沖擊力和大石塊沖擊力的疊加，將泥石流沖擊形式歸為三類[7]，即：尖峰形脈沖、鋸齒形脈沖和矩形脈沖。

尖峰形脈沖泥石流沖擊時間很短，因此較尖銳的波峰很少，體現(xiàn)了流體中大粒徑顆粒與塊石的碰撞現(xiàn)象，對建構(gòu)筑物破壞性很大。鋸齒狀脈沖波峰與波谷間起伏較大，呈鋸齒狀，代表流體中大、小石塊相碰撞的疊加現(xiàn)象，若再疊加少量較大孤峰，可看作是個別大石塊的作用，這種脈沖也最為典型。矩形脈沖沒有大的波峰波谷，較為平緩，代表流體成分較均一，固體粒徑較小。

1.2　泥石流沖擊力計算方法

(1)泥石流整體沖擊力

泥石流的沖擊力是工程破壞的直接原因，目前其沖擊力計算方法主要有流體動力法、船筏撞擊法、材料力學法、彈性碰撞法等。一般根據(jù)兩相流理論，假定泥石流的沖擊力是由泥石流整體沖擊力和泥石流中大塊石的沖擊力疊加構(gòu)成。

泥石流整體沖擊力[8]見式(1)：

(1)

式中，F(xiàn)表示泥石流整體沖擊力，γc表示泥石流容重，Vc表示泥石流平均流速，α表示建筑物受力面與泥石流沖擊方向的夾角，λ表示建筑物形狀系數(shù)，通常圓形建筑取值為1.0，矩形建筑物取1.33，方形建筑物取值為1.47。

(2)泥石流中大石塊沖擊力

泥石流對構(gòu)筑物的破壞，常常是個別大石塊沖擊導致，在構(gòu)件截面形成瞬時超大拉應力和剪應力，引起結(jié)構(gòu)局部開裂，最終發(fā)展成整體破壞。

當受泥石流沖擊的構(gòu)筑物為墩、臺或柱時，大塊石沖擊力計算公式[9]見式(2)：

(2)

當受沖擊構(gòu)筑物為壩或格柵等時，沖擊力計算公式見式(3)：

(3)

式中，F(xiàn)表示泥石流大塊石沖擊力，E表示構(gòu)件彈性模量，J表示構(gòu)件截面中心軸的慣性矩，L表示構(gòu)件長度，V表示石塊運動速度，W表示石塊質(zhì)量，α表示塊石運動方向與構(gòu)件受力面的夾角。

在泥石流對攔擋壩發(fā)生沖擊的過程中，泥石流體持續(xù)的沖擊導致攔擋壩疲勞破壞，其所含大石塊的撞擊使攔擋壩產(chǎn)生瞬時斷裂。大石塊速度根據(jù)其粒徑的不同，一般為十幾到幾十米每秒，故對于梳齒壩支墩，在大石塊沖擊力下，結(jié)構(gòu)將迅速達到最大反應。

泥石流對攔擋壩的沖擊作用主要由于大石塊的作用位置與作用數(shù)量不定，故工程應用中，通常按照最不利情況，即整個攔擋壩的迎水面全部按承受大石塊沖擊力進行設計計算。本文為了與工程實際相聯(lián)系，使得出的規(guī)律能夠為工程應用提供參考，因此采用瞬態(tài)分析模擬泥石流對梳齒壩支墩的沖擊過程，除了研究支墩在偏壓作用時局部加載大石塊沖擊力外，其它分析都將較短時間內(nèi)的石塊沖擊力作用加載在整個支墩的迎水面進行分析。

2　數(shù)值模擬

2.1　建立模型

本文所選案例為2014年瀘定縣杵坭村三叉溝泥石流治理工程中所使用的梳齒形泥石流攔擋壩。三叉溝泥石流爆發(fā)于2005年6月30日，造成6人死亡，毀壞房屋數(shù)十間。流域面積約2.83×104m2，平均厚度約20 m，總方量約17.6×104m3。在蘆山地震災后重建工程中，該溝內(nèi)設置了梳齒壩對泥石流進行攔擋，該梳齒壩設計庫容約0.82萬m3，有效壩高7 m，基礎長17 m。由5個支墩、6個溢流斷面與左右兩翼組成。在本文分析中，支墩厚度作為變量，分別為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 m厚，混凝土彈性模量3×104N/mm2,泊松比0.2，模型及網(wǎng)格劃分見圖1。根據(jù)案例中泥石流密度1.614 t/m3、平均流速6.4 m/s、石塊密度2.65 t/m3、大石塊直徑2.5 m求得泥石流整體沖擊力為87.44 kPa，大石塊的沖擊力為513.33 kPa。把整體沖擊力簡化為矩形荷載，把大石塊沖擊力簡化為集中荷載，通過疊加得到理想的時間-沖擊力的關(guān)系曲線，然后通過兩種工況(圖2)施加于梳齒壩支墩上。

圖1　結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分圖Fig.1　The structure model grid partition map

圖2　沖擊力與時間關(guān)系曲線Fig.2　The relation curve of time and impact force

工況一：攔擋結(jié)構(gòu)只受到泥石流的整體沖擊壓力，忽略大石塊的沖擊作用，如圖2(a)。

工況二：攔擋結(jié)構(gòu)受到泥石流整體沖擊壓力的同時，在6～6.5 s和11～11.5 s施加兩次大石塊的沖擊力，如圖2(b)。

2　結(jié)果分析

2.1　位移時程曲線分析

提取工況二不同厚度支墩頂部中間節(jié)點Y方向位移繪制時程曲線進行對比，見圖3。分析可知，泥石流整體沖擊力下，支墩頂部具有較小的位移，突然施加大石塊沖擊力的瞬間，支墩頂部位移突然增大；當大石塊沖擊力消失時，支墩回彈至之前的位移，并出現(xiàn)小幅度擺動后趨于平穩(wěn)。

圖3　工況二下支墩頂部位移-時間曲線Fig.3　The time-displacement curves of the buttress in Condition Two

2.2　局部大石塊沖擊力下墩身位移分析

當大石塊沖擊力作用在支墩邊緣時，容易在厚度方向形成較大的偏壓，從而使支墩在厚度方向產(chǎn)生較大的位移。大石塊沖擊力作用瞬間墩身各部位在厚度方向的位移情況見圖4。

圖4　支墩X方向位移對比曲線Fig.4　The displacement curves of buttress in the X direction

從圖4可知，同一支墩，由于底部為嵌固端，位移為零，隨著高度的增加，墩身位移增大，即支墩頂部，懸臂端在X方向的位移最大。厚度為0.5 m的支墩，其墩身各部位的位移明顯大于其他厚度支墩的位移。2.5 m厚支墩到1.0 m厚支墩，X方向的位移變化很平緩，但從1.0 m厚支墩到0.5 m厚支墩，支墩頂部X方向的位移變化很大。說明在實際工程設計中，梳齒壩的支墩厚度不宜小于1.0 m，若小于1.0 m，在泥石流大塊石作用下產(chǎn)生的位移將會很大。

2.3　墩身彎矩對比

梳齒壩支墩可看做是一個倒置的變截面懸臂梁構(gòu)件，在泥石流大石塊沖擊力作用下，墩身內(nèi)部會產(chǎn)生剪力與彎矩。不同厚度支墩在整個迎水面作用大石塊沖擊力時的彎矩變化見圖5。

圖5　墩身彎矩對比曲線Fig.5　The bending moment curves of buttress

從圖5可以看出，不同厚度支墩墩身彎矩均是固定端最大，隨著墩身高度的增加，彎矩逐漸減小，在4.5～5.0 m之間出現(xiàn)反彎點，即墩身高度2/3處，之后彎矩變?yōu)樨撝担谥Ф枕敳繌澗赜众呌诹?。墩身的負彎矩可能是因為支墩迎水端面的受力是垂直于迎水面的，對支墩軸向形成了一定的壓力引起的，因為這個負彎矩較小，故對整個支墩影響較小。

另外，從圖5可以看出，對于不同厚度的支墩，隨著支墩厚度的增加，支墩固定端的彎矩呈遞增的趨勢，但各種厚度支墩的反彎點均在4.5 m高度附近，且各種厚度支墩頂部彎矩均接近于0。對于隨著支墩厚度增大墩身截面彎矩增大的現(xiàn)象，主要是由于當支墩厚度增大時，其迎水端面面積增大，即受力面增大，當力與其他條件不變時，隨著支墩厚度，即截面的增大時，彎矩值自然會增大。

3　結(jié)論

本文采用有限元軟件ANSYS對泥石流沖擊荷載下不同厚度梳齒壩支墩的受力性能進行了分析對比，得到以下結(jié)論：(1)對梳齒壩支墩產(chǎn)生較大位移與應力的是泥石流中大塊石沖擊力。(2)當大塊石沖擊力作用在支墩邊緣時，會對支墩厚度方向產(chǎn)生很大位移，如果支墩厚度過小，本文中小于1 m后，將使支墩厚度方向的位移明顯增加。(3)大塊石沖擊力作用下，支墩底部彎矩最大，沿墩身高度逐漸減小，在支墩2/3高度左右出現(xiàn)反彎點，直到支墩頂部彎矩為零。

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