泥石流磨蝕特性試驗研究

秦 明1,陳 洪 凱,梁 丹3,張 金 浩

(1.貴州省公路局，貴州 貴陽 550003； 2.棗莊學院 城市與建筑工程學院，山東 棗莊 277160； 3.重慶地質礦產(chǎn)研究院，重慶400042)

1 研究背景

我國是一個多山的國家，山地丘陵占國土總面積70%左右，地質條件復雜，極端強降雨天氣頻發(fā)，是世界上自然災害最嚴重的國家，約60%的干線公路位于山洪泥石流高發(fā)區(qū)[1-3]。泥石流損毀公路主要表現(xiàn)為3種情況：① 沖毀公路建構筑物及路基路面結構[4-5]，② 對泥石流防治結構及橋梁墩臺的磨蝕作用縮短結構使用壽命[6]，③ 泥石流淤埋道路影響交通通行。本文重點探討泥石流對混凝土材料的磨蝕問題，為泥石流防治工程耐久性設計提供科學依據(jù)。

近年來，國內(nèi)外主要考慮高速水流及含沙水流對圬工結構及混凝土結構的磨蝕問題[7-10]，集中在磨蝕形態(tài)[7]、空化磨蝕機理[8]及磨蝕量和磨蝕速度[9-10]等方面。何真等考慮水流速度、水流中顆粒特性、過流材料的形狀和平整度等因素對水工結構抗磨蝕作用的影響，提出了抗磨蝕混凝土設計要點[11]；高欣欣等探討了磨粒形態(tài)對水工抗沖磨混凝土磨損程度的影響，認為磨粒形態(tài)與混凝土磨損率之間呈現(xiàn)冪函數(shù)關系[12]；黃細彬探討了磨蝕量與水流含沙量、摻氣量的關系，認為水流含沙量、流速、流態(tài)、過流時間及材料強度是決定壁面磨蝕程度的主要參數(shù)[13]。而針對泥石流的磨蝕行為，公開報道的研究成果不多。陳洪凱等探討泥石流對防治結構的磨蝕問題，建立了泥石流磨蝕力計算方法[4]；陳野鷹等從結構設計和構造材料兩方面出發(fā)探討了泥石流對防治結構的抗磨問題，提出了降低泥石流磨損的防治結構軸線方程[14]。但是，由于缺乏防治結構抗御泥石流磨蝕性能的研究，目前很難準確判斷泥石流的磨蝕破壞程度，不利于泥石流防治結構優(yōu)化設計[15]。國外Mohammad等通過分析泥石流排導結構侵蝕和腐蝕磨損機理,提出了考慮侵蝕和腐蝕的泥石流排導結構耦合磨損計算公式[16]；Arabnia Omid推導了泥石流對混凝土任意時刻磨損量的分布函數(shù),實現(xiàn)了評估泥石流排導結構的動態(tài)可靠性和概率失效時間[17]。鑒于此，陳洪凱和梁丹研發(fā)了泥石流磨蝕系數(shù)測量裝置[18]，本文利用該裝置進行泥石流磨蝕試驗，以混凝土標準試塊為承磨體，探討不同固相比、漿體黏度及顆粒粒徑組合的泥石流對混凝土試塊的磨蝕行為，為泥石流防治結構抗磨蝕耐久性設計提供科學依據(jù)。

2 模型試驗設計

2.1 試驗裝置

泥石流磨蝕系數(shù)測量裝置(ZL201620638352.4)由泥石流磨蝕桶、攪拌槳、電機、轉軸、底座、支架等幾部分組成。其工作原理為：電機帶動攪拌槳勻速旋轉，磨蝕材料在攪拌槳的帶動下在磨蝕桶內(nèi)轉動，來回摩擦混凝土試塊，然后量測不同工況下混凝土試塊的消耗量，據(jù)此獲取與磨蝕材料對應的磨蝕系數(shù)。

2.2 試驗工況

為研究不同特性的泥石流對混凝土結構的磨蝕性能，本文選取了不同固相比和漿體黏度2個參量來描述泥石流特性，漿體黏度為0，0.013，0.038，0.240，1.940 Pa·s，固相比為0，0.02，0.04，0.08，0.16，并據(jù)此設計模型25組試驗工況。其中，固相比定義為泥石流漿體中固相顆粒體積與泥石流漿體的體積之比，黏度為0時即溫度為20℃時清水的黏度值(實際值為0.001 Pa·s≈0)。

試驗用漿體主要采用熟膠粉和水按不同比例進行調(diào)配，并采用SNB-2型數(shù)字旋轉黏度計測定黏度值，各組黏度下熟膠粉和水的調(diào)配比如表1所示。

表1 人工配制泥石流漿體Tab.1 Manual preparation of debris flow slurry

試驗用的固相顆粒物，主要采用河砂(粒徑0.075～0.200 cm)、瓜米石(粒徑0.300～1.000 cm)、碎石(粒徑1.000～3.000 cm)和塊徑較大的碎石(粒徑3.000～5.000 cm)按相同質量的原則來進行組合配比得到[19]。

2.3 試驗過程

配制不同工況的人工泥石流體、批量預制C30混凝土標準試塊并按照混凝土技術規(guī)范養(yǎng)護45 h備用。每個工況的磨蝕試驗遵循的試驗程序為：將混凝土試塊用蒸餾水浸泡24 h后取出擦干表層滯留水并稱重→將混凝土試塊安置在泥石流磨蝕系數(shù)試驗裝置內(nèi)→攪拌槳安裝在轉軸上且攪拌槳距離試塊頂部表面約40 mm→注入該試驗工況的泥石流體→啟動電機并保持轉軸勻速持續(xù)轉動24 h停止轉動→取出混凝土試塊進行第2次稱重→計算該試驗工況泥石流對混凝土試塊的磨蝕系數(shù)。

3 試驗結果分析

3.1 磨蝕系數(shù)定義

泥石流對混凝土材料的磨蝕系數(shù)表征為：不同類型泥石流單位時間內(nèi)對混凝土材料的磨蝕程度，其主要與混凝土磨蝕量成正比[20]，故將泥石流對混凝土材料的磨蝕系數(shù)定義為

(1)

式中，Δm為混凝土塊被磨蝕量，kg；t為磨蝕時間，h；K為泥石流對混凝土材料磨蝕系數(shù)，kg/h。

3.2 磨蝕系數(shù)試驗結果

通過25個工況的磨蝕試驗，得到了不同工況下泥石流對C30混凝土的磨蝕量結果，見圖1。通過對比5組漿體黏度下混凝土的磨蝕量發(fā)現(xiàn)：當固相比C=0時，漿體黏度γ=1.943所對應的最大磨蝕量Δm為0.48 kg，相對其余4組漿體黏度下的磨蝕量相差不大；當C大于臨界值時，磨蝕量隨γ增加而減小，此時磨蝕量的大小主要由漿體黏度和固相比的共同影響而決定，泥石流磨蝕能力較強；當C=0.1時，磨蝕量Δm=5.22 kg，是純漿體(C=0)磨蝕量的10倍，并且在同一固相比條件下，磨蝕量隨漿體黏度增大而顯著減弱。

圖1 磨蝕量隨C和γ的變化曲線Fig.1 The variation of abraded quantity with C and γ

根據(jù)公式(1)計算得到磨蝕系數(shù)如表2所示。磨蝕系數(shù)與泥石流體固相比成正相關：固相比為0，即純泥石流漿體時，磨蝕系數(shù)最大僅為0.022；固相比為0.16時，泥石流磨蝕系數(shù)最大可及0.233。固相比相同時，漿體黏度越大，對混凝土材料的磨蝕系數(shù)降低，如固相比為0.04時，漿體黏度為0.013時，泥石流磨蝕系數(shù)為0.136；漿體黏度為1.943時，泥石流磨蝕系數(shù)降低為0.050，但是純漿體的磨蝕系數(shù)則相反。

表2 不同類型泥石流下C30混凝土材料磨蝕系數(shù)試驗結果Tab.2 Test results of abrasion coefficient of C30 concrete materials in different types of debris flow

3.3 泥石流對C30混凝土磨蝕形態(tài)特征

試驗發(fā)現(xiàn)，通過人工配置的試驗用泥石流對C30混凝土的磨蝕形態(tài)多為環(huán)形凹槽狀，可用磨蝕寬度和磨蝕深度進行定量化描述。

泥石流對混凝土的磨蝕寬度d反映了混凝土試件被泥石流磨蝕的范圍，通過試驗結果統(tǒng)計，磨蝕寬度集中在35～51 cm，如圖2所示。當C=0時，Δd=6～10 cm；C=0.02時，Δd=4～6 cm；C=0.04時，Δd=3～4 cm；當C>0.08時，Δd=1～2 cm。當固相比小于0.02時，與實際中的山洪型水石流特性相似，漿體黏度越大，磨蝕寬度變大；當固相比超過0.02后，磨蝕介質類似于稠度較大的泥石流體，對混凝土試件的磨蝕寬度越大，但固相比相同時磨蝕寬度隨漿體黏度的增大而減小。

圖2 有效磨蝕寬度隨C和γ的變化曲線Fig.2 Curve of effective abrasion width with C and γ

對同一漿體黏度下不同固相比試驗結果進行對比分析，以漿體黏度γ=0.038工況為例，試驗結果如圖3所示。其中，固相比C=0時對應的磨蝕寬度d=40 cm；固相比C=0.08時磨蝕寬度d=48.5 cm；固相比C=0.10時，磨蝕寬度d=49.95 cm。在同一固相比下，泥石流的磨蝕寬度隨固相比的增大而增大，固相比C為0.10時，磨蝕寬度最大，接近混凝土試件的直徑。

圖3 C30混凝土磨蝕寬度與固相比關系Fig.3 Relationship between erosion width and solidity of C30 concrete

除磨蝕寬度外，還可用磨蝕深度h來描述泥石流對混凝土試件的磨蝕形態(tài)，統(tǒng)計分析不同工況下的磨蝕深度如圖4所示。從圖4可以看出，磨蝕深度隨泥石流固相比增大呈非線性增加，變化曲線突變現(xiàn)象不顯著；對同一漿體黏度而言，泥石流磨蝕深度h最大可超過3.5 cm，表明泥石流對試件存在較大的豎向作用力；在固相比相同條件下，磨蝕深度隨漿體黏度增大而明顯減小。

圖4 磨蝕深度隨C和γ的變化曲線Fig.4 The variation of abrasive depth with C and γ

泥石流磨蝕寬度與漿體黏度間的規(guī)律性較強，對同一固相不同漿體黏度工況下得到的試驗結果進行對比分析，以固相比C為0.04為例，試驗結果如圖5所示。γ=0.240時，試件磨蝕深度h=1.6 cm；γ=0.038時，h=2.3 cm；γ=0時，h=3.2 cm?？梢?，在同一固相比下，泥石流的磨蝕深度隨漿體黏度的增加而減小，漿體黏度γ=0時，磨蝕深度最大，主要原因在于漿體黏度為0時，漿體對泥石流固相顆粒的浮力最小，導致固相顆粒對混凝土試件的正壓力最大；同時漿體黏度越大對固相顆粒的包裹性和潤滑作用越強，使得對混凝土試件的磨蝕作用降低；故當固相比相同時，泥石流體漿體黏度與對混凝土的磨蝕程度呈反比關系。

圖5 C30混凝土磨蝕寬度與漿體黏度比關系Fig.5 Relationship between the erosion width of C30 concrete and the viscosity ratio of slurry

為進一步探討混凝土強度對泥石流磨蝕特性的影響，選取了C15、C25、C30、C40、C50共5組混凝土試件，采用黏度γ=0.038,固相比C=0.04的泥石流進行磨蝕試驗，試驗結果如圖6所示。當混凝土強度為C15時，泥石流的平均磨蝕深度h和最大磨蝕深度hmax分別為2.9 cm和3.2 cm；當混凝土強度為C50時，泥石流的平均磨蝕深度h和最大磨蝕深度hmax分別為0.5 cm和0.7 cm。從兩組數(shù)據(jù)對比來看，隨著混凝土強度的增加，泥石流磨蝕深度在大幅度減小，表明混凝土材料強度越高，抗磨蝕性能越好。

以上從固相比、漿體黏度以及混凝土強度3個方面定量研究了室內(nèi)不同配比下的泥石流體對混凝土試件的磨蝕特征。再從磨蝕形態(tài)演變過程進行分析：泥石流沿運動方向在混凝土表面存在磨蝕力，在磨蝕力的作用下混凝土試塊表面砂漿最先被逐漸剝落，使得粗骨料出露，由于粗骨料出露后導致混凝土表面的粗糙度增加，從而增大了泥石流固相顆粒與混凝土試件間的磨蝕力，當表層砂漿剝落后粗骨料隨即被磨蝕剝落，從砂漿剝落→粗骨料剝落→砂漿剝落……，隨著時間推移，混凝土材料被不斷磨蝕殆盡。

從試驗結果及磨蝕演變過程分析可得，實際工程中為降低泥石流對混凝土防治結構的磨蝕影響，宜提高混凝土標號并增大混凝土砂漿保護層厚度，以提高混凝土防治結構的耐磨性能。

圖6 磨蝕深度與混凝土強度變化曲線Fig.6 Variation curre of erosion depth and concrete strength

4 結 論

泥石流對混凝土防治結構的磨蝕特性是防治工程耐久性設計的關鍵參數(shù)。本文通過室內(nèi)試驗，研究了不同黏度和固相比的泥石流對混凝土材料的磨蝕特性，得出如下主要結論。

(1) 通過室內(nèi)磨蝕試驗得到，漿體黏度相同時，泥石流磨蝕系數(shù)與泥石流體固相比成正相關；固相比相同時，泥石流磨蝕系數(shù)與泥石流體黏度成負相關。

(2) 泥石流對混凝土試件磨蝕量、磨蝕寬度和磨蝕深度試驗結果表明，水石流及稀性泥石流的磨蝕能力顯著大于黏性泥石流。為降低泥石流對混凝土防治結構的磨蝕影響，工程中宜適當提高混凝土標號和增大混凝土砂漿保護層厚度。

(3) 在試驗成果基礎上應進一步從理論上研究分析泥石流對混凝土材料的磨蝕作用機理，可定量指導泥石流混凝土防治結構設計。