泥石流沖擊橋梁2019年度研究進(jìn)展

姚昌榮 王友彪 李亞?wèn)| 強(qiáng)斌 劉賽智

摘 要：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，山區(qū)公路、鐵路橋梁越來(lái)越多，其中有很大一部分位于不良地質(zhì)區(qū)。泥石流災(zāi)害及其誘發(fā)的次生災(zāi)害是山區(qū)橋梁主要災(zāi)害之一，即將開(kāi)建的川藏鐵路橋梁工程也面臨泥石流的威脅。當(dāng)前，對(duì)泥石流沖擊橋梁結(jié)構(gòu)方面的研究相對(duì)較少，為促進(jìn)對(duì)該方向更加深入的研究，綜述了近兩年關(guān)于泥石流沖擊橋梁研究的新進(jìn)展，從研究方法、泥石流沖擊力以及橋梁防災(zāi)3個(gè)方面進(jìn)行回顧總結(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，在泥石流沖擊橋梁研究方面，應(yīng)跨學(xué)科聯(lián)合研究，對(duì)多個(gè)泥石流損壞橋梁的案例進(jìn)行研究，結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值模擬制定簡(jiǎn)化的泥石流沖擊橋梁結(jié)構(gòu)的荷載分布形式，并進(jìn)一步研究大塊石對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用，加強(qiáng)對(duì)泥石流中塊石沖擊作用的研究。

關(guān)鍵詞：泥石流;沖擊力;橋墩;數(shù)值模擬;水槽試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U445.7 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：R ? 文章編號(hào)：2096-6717（2020）05-0028-09

收稿日期：2020-04-03

基金項(xiàng)目：四川省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2019YFG0460）;國(guó)家自然科學(xué)基金（51478400）

作者簡(jiǎn)介：姚昌榮（1974- ），男，博士，副教授，主要從事橋梁地質(zhì)災(zāi)害防控、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與疲勞、健康監(jiān)測(cè)及施工控制研究，E-mail：chryao-1016@163.com。

Received：2020-04-03

Foundation items：Sichuan Science and Technology Program （No. 2019YFG0460）; National Natural Science Foundation of China （No. 51478400）

Author brief：Yao Changrong （1974- ）， PhD， associate professor， main research interests： geological disaster prevention and mitigation of bridge engineering， stability and fatigue of steel structure， health monitoring and construction control of bridge structure， E-mail： chryao-1016@163.com.

Abstract： With the development of national economic construction， there are more and more mountain highway and railway bridges， and a large part of them are locate in bad geological areas. Debris flow disasters and the secondary disasters induced by them are one of the major disasters of mountain bridges. The upcoming Sichuan-Tibet railway bridges will be also faced the threat of debris flow. At present， there are relatively few studies reviewed three aspects of the influence of debris flow impacting bridges at home and abroad. In order to promote more in-depth research in this direction， this paper briefly reviews the three aspects of debris flow impacting bridges at home and abroad in the past two years， including research methods， debris flow impact force and bridge disaster prevention.Finally， it was proposed that interdisciplinary joint research should be conducted in the study of debris flow impact bridges. Multiple cases of debris flow damage bridges should be studied. The simplified debris flow impact bridge structure load should be combined with tests and numerical simulations. The focus should be on the effect of large stones on the bridge structure and strengthen research on the impact of debris flow.

Keywords：debris flow; impact force; bridge piers; numerical simulation; flume experiment.

泥石流是山地和丘陵地區(qū)常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，具有爆發(fā)突然、歷時(shí)短暫、能量大等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅到人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。泥石流會(huì)對(duì)橋梁造成嚴(yán)重的破壞，如利子依達(dá)溝泥石流事故，泥石流沖斷橋墩，列車沖入大渡河，造成200余人死亡，這是世界上最大的一次泥石流破壞橋梁的事故。2019年，四川“8.20”強(qiáng)降雨特大山洪泥石流被國(guó)家應(yīng)急管理部[1]列為2019年全國(guó)十大自然災(zāi)害之一，阿壩州爆發(fā)數(shù)十處泥石流，導(dǎo)致多條公路受損嚴(yán)重，多座橋梁被泥石流損毀。

隨著中國(guó)西部經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，山區(qū)植被破壞，自然環(huán)境惡化，短時(shí)強(qiáng)降雨極端事件頻發(fā)，大地震誘發(fā)大量次生山地災(zāi)害，種種原因加劇了泥石流的發(fā)生。同時(shí)，中國(guó)在西部山區(qū)規(guī)劃了大量的鐵路、公路線路，大量橋梁不可避免地穿越泥石流多發(fā)區(qū)域。研究泥石流沖擊橋梁，厘清橋梁在泥石流作用下的破壞機(jī)理，提出合理的減災(zāi)措施，對(duì)西部地區(qū)的發(fā)展建設(shè)有重要意義。

“泥石流沖擊橋梁”這一研究課題同時(shí)涉及橋梁結(jié)構(gòu)和巖土兩個(gè)專業(yè)方向，是新興的研究領(lǐng)域，并逐步成為熱點(diǎn)研究方向。筆者主要對(duì)近年泥石流沖擊橋梁的研究方法、泥石流沖擊橋梁和泥石流減災(zāi)3個(gè)方面的研究進(jìn)行回顧。

1 研究方法

野外調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬是研究泥石流沖擊橋梁的3種常用方法。野外調(diào)查可以獲得第一手資料，分為區(qū)域調(diào)查和溝谷調(diào)查。野外調(diào)查除常規(guī)方法外，近年也發(fā)展了一些新的技術(shù)手段，如GPS（北斗）、航空遙感、激光掃描、無(wú)人機(jī)等[2-4]多技術(shù)融合的現(xiàn)場(chǎng)勘察方法。而室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面，近兩年也取得了較大進(jìn)展。

1.1 室內(nèi)試驗(yàn)

由于泥石流的發(fā)生具有偶然性，要在泥石流發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得泥石流沖擊力實(shí)屬不易，為此，1961年，中國(guó)科學(xué)院在有“泥石流天然博物館”之稱的云南蔣家溝建立了野外觀測(cè)站，采集了大量的泥石流觀測(cè)資料，為泥石流研究做出了巨大貢獻(xiàn)。相比于野外試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)更容易開(kāi)展，而且可以按照不同的配比組合進(jìn)行有針對(duì)性的試驗(yàn)，是目前絕大多數(shù)泥石流研究的方式。泥石流沖擊試驗(yàn)是通過(guò)在泥石流槽內(nèi)或出口布設(shè)壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行，泥石流沿水槽沖擊到傳感器上，從而測(cè)得沖擊壓強(qiáng)，缺點(diǎn)在于不能考慮橋墩的影響。王東坡等[5]把橋墩模型置于泥石流槽出口，在模型迎流面布置9個(gè)壓強(qiáng)傳感器，測(cè)量泥石流沖擊壓強(qiáng)在橋墩上的分布。該試驗(yàn)水槽總長(zhǎng)度18 m、料斗距地面高度12 m、最大容積4.71 m3，橋墩置于水槽之外，試驗(yàn)測(cè)得了很多有價(jià)值的數(shù)據(jù)。但是，一般的試驗(yàn)水槽規(guī)模都較小，長(zhǎng)度在5 m左右，容量小于0.5 m3，如果將橋墩（或立柱）放置在水槽外，泥石流出水槽之后比較分散，很難測(cè)到有用的數(shù)據(jù)。鑒于此，王友彪等[6-7]把橋墩模型安裝在泥石流槽的中央、距離槽口約50 cm處，并在橋墩模型上同時(shí)安裝壓強(qiáng)傳感器和合力傳感器（圖1），測(cè)得泥石流對(duì)方形和圓形截面橋墩模型的沖擊壓強(qiáng)及沖擊合力，并采用移動(dòng)平均法對(duì)小波降噪后的沖擊力合力去除石子的隨機(jī)沖擊瞬時(shí)效應(yīng)，效果較好。因?yàn)橐话隳嗍鳑_擊試驗(yàn)測(cè)得的壓強(qiáng)是由壓力傳感器測(cè)得的壓力除以傳感器的面積得到的，所以，測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)只能代表該點(diǎn)的值，而泥石流的沖擊力分布本身不均勻，因此，難以準(zhǔn)確地計(jì)算沖擊合力的大小。該試驗(yàn)除了得到壓強(qiáng)外，還采用合力傳感器測(cè)得泥石流沖擊的合力，可以更準(zhǔn)確地計(jì)算橋墩沖擊效應(yīng)。

為了能夠準(zhǔn)確地測(cè)試迎流面上的壓力分布，劉道川等[8]在實(shí)驗(yàn)中采用SPI TACTILUS內(nèi)置式壓力分布測(cè)量傳感器測(cè)量壩體的沖擊壓力，每個(gè)傳感器單元測(cè)量面積為1.5 cm×1.5 cm，傳感器陣列為32×32，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)沖擊面上沖擊壓力的測(cè)量，得到了沖擊壓力的時(shí)空分布特性。這種分布式傳感器用于測(cè)試平面模型效果較好，但測(cè)量圓柱式或矩形結(jié)構(gòu)的沖擊力難以得到好的效果。因此，筆者擬采用膜式傳感器測(cè)量墩身的壓力分布，該傳感器測(cè)點(diǎn)密度可達(dá)到20點(diǎn)/cm2。

1.2 數(shù)值模擬

泥石流是由水、土、砂、石等材料組成的復(fù)雜多相流體，其物理運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特征都非常復(fù)雜，結(jié)合泥石流沖擊試驗(yàn)開(kāi)展數(shù)值模擬是探究泥石流復(fù)雜運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象背后的機(jī)理、展示泥石流沖擊作用過(guò)程的一種有效研究手段。為了準(zhǔn)確模擬泥石流的沖擊作用過(guò)程，選擇合適的泥石流運(yùn)動(dòng)模型至關(guān)重要。目前已有多種泥石流運(yùn)動(dòng)模型，如單相的庫(kù)倫混合模型[9]、庫(kù)倫非牛頓流體模型[10]，兩相的庫(kù)倫非牛頓流體模型[11]、顆粒牛頓流體模型[12]等等。根據(jù)假設(shè)不同，這些模型考慮的物理作用不同，描述的物理現(xiàn)象存在差異。Pudasaini等[13]提出了三相的粗顆粒細(xì)顆粒黏性流體模型（圖2）：粗顆粒代表泥石流中的大塊石，用庫(kù)倫塑性模型表示;細(xì)顆粒代表泥石流中的砂子，用隨剪切和壓強(qiáng)改變的塑性主導(dǎo)粘塑體表示;黏性流體代表泥石流中的水和粘土混合物，用黏性主導(dǎo)的流變參數(shù)表示。

從工程角度出發(fā)，選擇可靠、穩(wěn)定、高效的數(shù)值模擬方法對(duì)泥石流沖擊橋梁更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。Wang等[7]基于有限體積法（FVM）采用開(kāi)源軟件OpenFOAM對(duì)泥石流沖擊不同截面形狀的橋墩進(jìn)行研究。Zhan等[14]用光滑粒子流動(dòng)力學(xué)（SPH）方法模擬顆粒流沖擊結(jié)構(gòu)體，該方法可模擬顆粒流動(dòng)、流固耦合以及結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。Luo等[15]基于任意拉格朗日歐拉方法（ALE）使用軟件LS-DYNA對(duì)泥石流沖擊作用下房屋的破壞進(jìn)行研究。陳庭宇[16]基于離散元方法（DEM）模擬分析滑坡體對(duì)橋墩的沖擊作用，并用試驗(yàn)驗(yàn)證。為了準(zhǔn)確模擬泥石流中漿體和固體顆粒的物理性質(zhì)，研究者常把泥石流和結(jié)構(gòu)分別用不同的方法進(jìn)行模擬，然后進(jìn)行耦合計(jì)算分析。Liu等[17]使用DEM和有限元（FEM）耦合的方法研究碎屑流沖擊柔性攔擋網(wǎng)，其中碎屑流用DEM模擬，攔擋網(wǎng)用FEM模擬。柳春[18]用SPH模擬泥石流漿體和大塊石，用FEM模擬結(jié)構(gòu)研究泥石流沖擊攔擋壩。這些數(shù)值模擬研究提升了對(duì)泥石流結(jié)構(gòu)相互作用的理解。

2 泥石流沖擊橋梁結(jié)構(gòu)研究

2.1 沖擊力

雖然泥石流成分復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)難以準(zhǔn)確描述，但從橋梁結(jié)構(gòu)分析來(lái)看，可以將泥石流對(duì)橋的沖擊力看作一種外部荷載（沖擊力）。圍繞泥石流沖擊力的確定，近年來(lái)取得了一些進(jìn)展。泥石流可看作是由水、土、砂混合而成的漿體和粗顆粒組成的物質(zhì)，相應(yīng)的沖擊力可分為漿體沖擊壓強(qiáng)和大塊石撞擊力。

黃遠(yuǎn)紅等[19]進(jìn)行了稀性泥石流沖擊力水槽試驗(yàn)，結(jié)果表明，泥石流沖擊壓強(qiáng)概率密度函數(shù)隨機(jī)分布函數(shù)符合Log-Logistic形式，函數(shù)變量與粗顆粒最大粒徑有關(guān)。王東坡等[5， 20]的水槽試驗(yàn)研究表明，泥石流的沖擊壓強(qiáng)可表達(dá)為弗汝德數(shù)Fr或雷諾數(shù)Re的冪函數(shù)形式，在豎向分層，且與泥石流的類型（稀性、粘性）相關(guān)。劉道川等[7]的水槽試驗(yàn)表明，泥石流的沖擊壓強(qiáng)需要考慮爬高因素的影響。王友彪等[21-22]通過(guò)一系列試驗(yàn)，得出泥石流的沖擊合力系數(shù)受到泥石流流動(dòng)形態(tài)、截面形狀的共同影響;并采用OpenFOAM模擬泥石流水槽試驗(yàn)過(guò)程，較為清晰地展示了泥石流沖擊橋墩的過(guò)程（圖3），用無(wú)量綱化處理沖擊合力和沖擊壓強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)泥石流漿體產(chǎn)生的沖擊力可簡(jiǎn)化為剪切層、栓塞層和爬高層3層（圖4）[21];在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用OpenFOAM模擬分析了長(zhǎng)174.5 m、寬19.5 m的“足尺模型試驗(yàn)”（圖5）[21]。

泥石流漿體沖擊壓強(qiáng)用動(dòng)壓強(qiáng)或靜壓強(qiáng)形式表達(dá)，大塊石的撞擊力可用Hertz理論計(jì)算[23]。使用這兩類公式的臨界粒徑長(zhǎng)期以來(lái)一直沒(méi)有明確。Cui等[24]進(jìn)行了水槽試驗(yàn)和DEM數(shù)值模擬研究，當(dāng)顆粒粒徑流動(dòng)深度（δ/h）大于0.9且Fr小于3.5時(shí)，應(yīng)考慮使用彈性碰撞理論求解。Song等[25]進(jìn)行了泥石流離心機(jī)試驗(yàn)，用大小不同的玻璃球模擬大塊石、砂子模擬漿體，沖擊攔擋壩模型，認(rèn)為h=δ/0.6可作為臨界粒徑判斷標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[26]進(jìn)一步對(duì)柔性攔擋網(wǎng)進(jìn)行含大塊石的泥石流離心機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明，柔性攔擋網(wǎng)由于變形大而使大塊石的沖擊力迅速衰減，防泥石流的柔性攔擋網(wǎng)設(shè)計(jì)中不需要考慮大塊石的作用。柳春[18]對(duì)漿體和塊石同時(shí)沖擊攔擋壩進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為漿體與塊石的耦合加大了塊石單獨(dú)作用時(shí)的撞擊力。

2.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

泥石流沖擊作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析既可通過(guò)泥石流結(jié)構(gòu)耦合模型[27-28]，又可通過(guò)將泥石流沖擊力施加到結(jié)構(gòu)模型上進(jìn)行[29-30]。文獻(xiàn)[31-34]使用LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬，研究泥石流中大塊石沖擊下新型泥石流攔擋壩、樁林、圓鋼管等結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，對(duì)破壞機(jī)理進(jìn)行探討。Luo等[15]和Li等[34]均對(duì)框架房屋結(jié)構(gòu)在泥石流沖擊下的響應(yīng)和破壞機(jī)理進(jìn)行研究。張迅等[35]提出了一種泥石流簡(jiǎn)化荷載模型，并將其施加到一座多孔簡(jiǎn)支梁無(wú)砟軌道鐵路橋數(shù)值模型上，研究泥石流沖擊作用下橋梁結(jié)構(gòu)和軌道的動(dòng)力響應(yīng);張迅等[36]進(jìn)一步建立了列車軌道橋梁系統(tǒng)數(shù)值模型，對(duì)泥石流沖擊作用下的列車行車安全性進(jìn)行研究[37]。研究泥石流沖擊橋梁中的橋梁對(duì)象多為簡(jiǎn)支梁橋或剛構(gòu)橋這種有橋墩支撐的橋梁，主要研究泥石流沖擊橋墩的作用。而文獻(xiàn)[38]則以石拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，系統(tǒng)地分析了作用在石拱橋上的泥石流橫向沖擊力，并進(jìn)行室內(nèi)拱橋縮尺模型試驗(yàn)（圖6），測(cè)試泥石流沖擊作用下石拱橋結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。分析泥石流沖擊作用下橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，首先要選擇合適的沖擊荷載分布模式（包括沖擊力大小及其分布，以及隨時(shí)間的變化規(guī)律），其次要分析沖擊荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)，將來(lái)可以考慮分析更為復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)形式在泥石流沖擊作用下的綜合響應(yīng)。

3 泥石流減災(zāi)

3.1 易損性分析

易損性這一概念廣泛地應(yīng)用于各類自然災(zāi)害研究，如地震[39]、洪水[40]、海嘯[41]、颶風(fēng)[42]、滑坡[43]、泥石流[44]等。易損性結(jié)果可為自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)，為政策制定者的規(guī)劃提供支持，是減災(zāi)的重要手段。

過(guò)去，針對(duì)泥石流易損性的研究多基于歷史數(shù)據(jù)或?qū)＜遗袛?，研究的結(jié)構(gòu)對(duì)象也多為房屋建筑[45]。近年來(lái)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用理論分析的易損性研究逐漸展開(kāi)。陳希虎[46]采用灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型對(duì)都汶公路上9座橋梁的泥石流災(zāi)害易損性進(jìn)行研究，結(jié)合橋梁所處的環(huán)境、泥石流災(zāi)害影響以及人類活動(dòng)評(píng)價(jià)各座橋梁的易損性，并提出相應(yīng)的防治對(duì)策。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系上主要考慮泥石流本身，橋梁結(jié)構(gòu)方面也僅是針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)類型、長(zhǎng)度、孔度、橋下凈空、墩臺(tái)結(jié)構(gòu)等形式的參數(shù)，并沒(méi)有涉及橋梁受泥石流沖擊的響應(yīng)。Dagá等[47]基于15座橋梁過(guò)去50年內(nèi)所受到的火山泥石流沖擊數(shù)據(jù)，使用流動(dòng)深度作為泥石流強(qiáng)度指標(biāo)，研究火山泥石流沖擊作用下橋梁結(jié)構(gòu)的易損性，指出橋梁的破壞模式更可能為由橋墩或橋臺(tái)傾覆引起的梁體掉落，而不是梁體被直接推移。Liang等[48]進(jìn)行了150個(gè)工況的有限元模擬，將損傷指標(biāo)定義為橋墩上部相對(duì)位移，計(jì)算分析了雙柱帶蓋梁橋墩在泥石流沖擊作用下的易損性曲線，易損性為對(duì)數(shù)正態(tài)分布形式。Yan等[49]同時(shí)考慮了泥石流和結(jié)構(gòu)的不確定性，破壞指標(biāo)基于彎矩墩頂位移曲線，得到了粘性和稀性泥石流沖擊作用下的單柱墩易損性曲線。文獻(xiàn)[48-49]用實(shí)例說(shuō)明損傷指標(biāo)的選擇，具體選擇什么樣的指標(biāo)來(lái)評(píng)估泥石流沖擊橋梁結(jié)構(gòu)的易損性，則還需要根據(jù)不同的橋型和泥石流沖擊的特性來(lái)確定。

3.2 結(jié)構(gòu)防護(hù)

為減輕泥石流帶來(lái)的橋梁災(zāi)害，可在橋梁周圍或橋墩上設(shè)置排擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。在泥石流溝底設(shè)置橫向護(hù)道（排導(dǎo)溝）可以約束泥石流的移動(dòng)路徑，以降低泥石流造成的破壞。Qiu等[50]研究了橫向護(hù)道的外形對(duì)防護(hù)效果的影響，認(rèn)為減小護(hù)道寬度能增加泥石流流速，從而避免橋下淤積和淤積導(dǎo)致的泥石流漫過(guò)橋面現(xiàn)象。在泥石流溝內(nèi)設(shè)置樁林能將泥石流中的大塊石攔截在上游，避免對(duì)下游橋梁結(jié)構(gòu)的撞擊。張萬(wàn)澤等[32]研究了典型品字形樁林結(jié)構(gòu)在大塊石撞擊下的破壞機(jī)理，為類似防護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提出建議。

更多防護(hù)相關(guān)的研究集中在橋墩防撞技術(shù)上。王東坡等[51]研究了5種不同結(jié)構(gòu)形式夾芯板的力學(xué)性能，其中，Ⅲ型結(jié)構(gòu)形式可以吸收更多能量而被應(yīng)用于實(shí)際橋墩防護(hù)工程。Lu等[52]將泡沫鋁應(yīng)用在框架結(jié)構(gòu)房屋中，結(jié)果表明，泡沫鋁加固后的框架結(jié)構(gòu)存在雙重保護(hù)機(jī)制：泥石流沖擊力小時(shí)，完全吸收沖擊能量;沖擊力足夠大時(shí)，泡沫鋁被反復(fù)的沖擊力強(qiáng)化，限制住包裹在其中的混凝土，從而提高框架結(jié)構(gòu)的承載能力。蒲黔輝等[53]提出一種正六邊形多胞結(jié)構(gòu)，并在每個(gè)正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)中加入圓形鋼管，采用ANSYS LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真分析計(jì)算，最終確定出合理的耗能材料配合比，使其在滿足耗能要求情況下減小撞擊力。Su等[54]利用廢的碎玻璃抵抗大塊石的沖擊耗能效果，并進(jìn)一步研究了顆粒粒徑和堆積厚度對(duì)石籠耗能能力的影響[55]。

橋梁防泥石流沖擊措施，可以采取主動(dòng)防護(hù)，也可以采取被動(dòng)防護(hù)。主動(dòng)防護(hù)就是疏導(dǎo)，避免泥石流沖擊橋梁結(jié)構(gòu)，如排導(dǎo)[50]和樁林結(jié)構(gòu)[32];而被動(dòng)防護(hù)是在橋墩上添加防撞設(shè)施，減小沖擊力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用，如文獻(xiàn)[52-55]。這兩種方式是目前主要的防護(hù)手段。

4 結(jié)論

近年來(lái)，對(duì)泥石流沖擊橋梁的研究不斷深入，取得了豐碩成果。研究方法方面，室內(nèi)模型試驗(yàn)及野外試驗(yàn)相結(jié)合;新型傳感器和各種數(shù)值模擬方法為未來(lái)研究提供了更好的手段。泥石流沖擊方面，提出了新的荷載模型可供結(jié)構(gòu)分析使用;橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析全面展開(kāi)。結(jié)構(gòu)防災(zāi)方面，易損性研究從歷史經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)入到數(shù)值模擬;新的防護(hù)措施不斷涌現(xiàn)。

后續(xù)研究可以從幾個(gè)方面開(kāi)展工作：

1）開(kāi)展廣泛的跨學(xué)科合作，土木學(xué)科應(yīng)與地球?qū)W科加強(qiáng)聯(lián)系，從野外調(diào)查、泥石流物理模型、橋梁結(jié)構(gòu)分析等方面開(kāi)展交流。

2）調(diào)查分析泥石流區(qū)橋梁沖毀事故，結(jié)合數(shù)值模擬探究泥石流沖擊作用下橋梁結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，做到數(shù)值分析結(jié)果與野外調(diào)查事故案例一一對(duì)應(yīng)。

3）通過(guò)泥石流沖擊橋墩試驗(yàn)，采集足夠多的沖擊力數(shù)據(jù)，分析不同特性泥石流沖擊橋墩的力的特性，在此基礎(chǔ)上制定適合橋梁結(jié)構(gòu)的泥石流荷載標(biāo)準(zhǔn)，為泥石流區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)。

4）泥石流中大塊石對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊力有時(shí)甚至大于漿體的沖擊力，是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損壞的主要因素，后續(xù)可對(duì)泥石流中大塊石的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與橋梁結(jié)構(gòu)的耦合作用進(jìn)行研究。

5）在泥石流災(zāi)害作用下，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的易損性方面繼續(xù)深入研究，達(dá)到快速評(píng)估橋梁安全性的目的。參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)應(yīng)急管理部. 應(yīng)急管理部公布2019年全國(guó)十大自然災(zāi)害[EB/OL]. （2020-01-12）[2020-03-16]. https：//www.mem.gov.cn/xw/bndt/202001/t20200112_343410.shtml

[2] 王詵， 孫永彬， 高麗輝， 等. 基于多種方法調(diào)查的泥石流特征及動(dòng)力學(xué)研究： 以延慶車道溝為例[J]. 礦產(chǎn)與地質(zhì)， 2019， 33（4）： 743-752.

WANG S， SUN Y B， GAO L H， et al. Debris flow characteristics and dynamic study based on various survey methods： Taking Chedaogou of Yanqing as an example [J]. Mineral Resources and Geology， 2019， 33（4）： 743-752. （in Chinese）

[3] 羅真富， 齊信， 易靜. 遙感三維可視化在南溝泥石流調(diào)查中的運(yùn)用[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理， 2010， 35（1）： 144-146.

LUO Z F， QI X， YI J. Application of three -dimensional visualization of remote sensing images in the investigation of the Nangou debris flow [J]. Environmental Science and Management， 2010， 35（1）： 144-146.（in Chinese）

[4] 白志勇. 陸地衛(wèi)星SPOT、TM數(shù)據(jù)復(fù)合影像在泥石流調(diào)查中的應(yīng)用[J]. 水土保持學(xué)報(bào)， 2001， 15（1）： 116-118， 121.

BAI Z Y. Application of synthetic satellite image of SPOT and TM data in debris flow investigation [J]. Journal of Soil and Water Conservation， 2001， 15（1）： 116-118， 121.（in Chinese）

[5] 王東坡， 陳政， 何思明， 等. 泥石流沖擊橋墩動(dòng)力相互作用物理模型試驗(yàn)[J]. 巖土力學(xué)， 2019， 40（9）： 3363-3372.

WANG D P， CHEN Z， HE S M， et al. Physical model experiments of dynamic interaction between debris flow and bridge pier model [J]. Rock and Soil Mechanics， 2019， 40（9）： 3363-3372. （in Chinese）

[6] 王友彪， 姚昌榮， 劉賽智， 等. 泥石流對(duì)橋墩沖擊力的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)， 2019， 40（2）： 616-623.

WANG Y B， YAO C R， LIU S Z， et al. Experimental study of debris flow impact forces on bridge piers [J]. Rock and Soil Mechanics， 2019， 40（2）： 616-623.（in Chinese）

[7] WANG Y B， LIU X F， YAO C R， et al. Debris-flow impact on piers with different cross-sectional shapes [J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2020， 146（1）： 04019045.

[8] 劉道川， 游勇， 杜杰， 等. 泥石流沖擊力的時(shí)空分布特征[J]. 工程科學(xué)與技術(shù)， 2019（3）： 17-25.

LIU D C， YOU Y， DU J， et al. Spatio-temporal distribution of the impact force of debris flow [J]. Journal of Sichuan University （Engineering Science Edition）， 2019（3）： 17-25.（in Chinese）

[9] IVERSON R M， DENLINGER R P. Flow of variably fluidized granular masses across three-dimensional terrain： 1. Coulomb mixture theory [J]. Journal of Geophysical Research： Solid Earth， 2001， 106（B1）537-552

[10] VON BOETTICHER A， TUROWSKI J M， MCARDELL B W， et al. DebrisInterMixing-2.3： A finite volume solver for three-dimensional debris-flow simulations with two calibration parameters - Part 1： Model description [J]. Geoscientific Model Development， 2016， 9（9）： 2909-2923.

[11] PUDASAINI S P. A general two-phase debris flow model [J]. Journal of Geophysical Research： Earth Surface， 2012， 117（F3）： F03010.

[12] ZHAO T. Investigation of landslide-induced debris flows by the DEM and CFD [D]. Oxford， United Kingdom： University of Oxford， 2014.

[13] PUDASAINI S P， MERGILI M. A multi-phase mass flow model [J]. Journal of Geophysical Research： Earth Surface， 2019， 124（12）2920-2942

[14] ZHAN L， PENG C， ZHANG B Y， et al. Three-dimensional modeling of granular flow impact on rigid and deformable structures [J]. Computers and Geotechnics， 2019， 112： 257-271.

[15] LUO H Y， ZHANG L L， ZHANG L M. Progressive failure of buildings under landslide impact [J]. Landslides， 2019， 16（7）： 1327-1340.

[16] 陳庭宇. 滑坡沖擊橋墩的離散元模擬及橋墩動(dòng)力響應(yīng)分析[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2019.

CHEN T Y. DEM simulation of landslide impacting on bridge pier and dynamic response analysis of pier [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2019. （in Chinese）

[17] LIU C， YU Z X， ZHAO S C. Quantifying the impact of a debris avalanche against a flexible barrier by coupled DEM-FEM analyses [J]. Landslides， 2020， 17（1）： 33-47.

[18] 柳春， 余志祥， 駱麗茹， 等. 含大塊石泥石流沖擊作用下混凝土攔擋壩的動(dòng)力學(xué)行為研究[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2019， 38（14）： 161-168， 238.

LIU C， YU Z X， LUO L R， et al. Dynamic behavior of a concrete dam impacted by debris flows with rock [J]. Journal of Vibration and Shock， 2019， 38（14）： 161-168， 238. （in Chinese）

[19] 黃遠(yuǎn)紅， 胡凱衡， 唐金波， 等. 稀性泥石流沖擊力隨機(jī)分布特征實(shí)驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2018， 37（Sup2）： 3918-3925.

HUANG Y H， HU K H， TANG J B， et al. Experimental study of random distribution characteristics of diluted debris-flow impact forces [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2018， 37（Sup2）： 3918-3925. （in Chinese）

[20] WANG D P， CHEN Z， HE S M， et al. Measuring and estimating the impact pressure of debris flows on bridge piers based on large-scale laboratory experiments [J]. Landslides， 2018， 15（7）： 1331-1345.

[21] 王友彪. 泥石流對(duì)橋墩沖擊力研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2019.

WANG Y B. Debris flow impact forces on bridge piers [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2019. （in Chinese）

[22] WANG Y B， LIU X F， YAO C R， et al. Finite release of debris flows around round and square piers [J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2018， 144（12）： 06018015.

[23] 何思明， 李新坡， 吳永. 考慮彈塑性變形的泥石流大塊石沖擊力計(jì)算[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2007， 26（8）： 1664-1669.

HE S M， LI X P， WU Y. Calculation of impact force of outrunner blocks in debris flow considering elastoplastic deformation [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2007， 26（8）： 1664-1669.（in Chinese）

[24] CUI Y F， CHOI C E， LIU L H D， et al. Effects of particle size of mono-disperse granular flows impacting a rigid barrier [J]. Natural Hazards， 2018， 91（3）： 1179-1201.

[25] SONG D， CHOI C E， ZHOU G G D， et al. Impulse load characteristics of bouldery debris flow impact [J]. Géotechnique Letters， 2018， 8（2）： 111-117.

[26] SONG D， CHOI C E， NG C W W， et al. Load-attenuation mechanisms of flexible barrier subjected to bouldery debris flow impact [J]. Landslides， 2019， 16（12）： 2321-2334.

[27] 勾婷穎. 泥石流沖擊連續(xù)剛構(gòu)橋的動(dòng)力響應(yīng)分析[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2017.

GOU T Y. Dynamic response analysis of continuous rigid frame bridge under impact load of debris flow [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2017. （in Chinese）

[28] 陳子俊. 泥石流沖擊作用下橋墩的動(dòng)力響應(yīng)分析[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)， 2017.

CHEN Z J. Dynamic response analysis of pier under impact of debris flow [D]. Guangzhou： South China University of Technology， 2017. （in Chinese）

[29] 姚昌榮， 王友彪， 劉賽智. 重力式橋墩在泥石流沖擊作用下的響應(yīng)分析[J]. 橋梁建設(shè)， 2017， 47（4）： 18-23.

YAO C R， WANG Y B， LIU S Z. Analysis of responses of gravity bridge pier under impact of debris flow [J]. Bridge Construction， 2017， 47（4）： 18-23. （in Chinese）

[30] LIU W， YAN S X， HE S M. Landslide damage incurred to buildings： A case study of Shenzhen landslide [J]. Engineering Geology， 2018， 247： 69-83.

[31] 王秀麗， 杜媛媛， 冉永紅， 等. 泥石流沖擊荷載下圓鋼管的破壞機(jī)理分析[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019， 45（3）： 132-138.

WANG X L， DU Y Y， RAN Y H， et al. Analysis of failure mechanism of circular steel pipe under impact load of debris flow [J]. Journal of Lanzhou University of Technology， 2019， 45（3）： 132-138.（in Chinese）

[32] 張萬(wàn)澤， 黃海峰， 孔偉， 等. 泥石流大塊石沖擊作用下樁林結(jié)構(gòu)的破壞形式及其優(yōu)化分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2018， 18（4）： 15-22.

ZHANG W Z， HUANG H F， KONG W， et al. Failure mode and optimization analysis of pile structure under the impact action of boulders in debris flow [J]. Science Technology and Engineering， 2018， 18（4）： 15-22.（in Chinese）

[33] 李俊杰， 王秀麗， 冉永紅. 泥石流塊石沖擊下新型攔擋壩動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 39（5）： 889-896.

LI J J， WANG X L， RAN Y. Experimental study dynamic response of a new dam to the impact of block stones in debris flow [J]. Journal of Harbin Engineering University， 2018， 39（5）： 889-896.（in Chinese）

[34] LI P Z， RONG K J， LU Z， et al. Experimental and numerical study on the performance of novel RC frame structure encased with shaped steel under debris flow impact [J]. Engineering Structures， 2020， 212： 110472.

[35] 張迅， 溫志鵬， 劉蕊， 等. 泥石流沖擊作用下無(wú)砟軌道橋梁的動(dòng)力響應(yīng)[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)， 2018， 35（1）： 70-77.

ZHANG X， WEN Z P， LIU R， et al. Dynamic responses of a ballastless track bridge under debris flow impacts [J]. Journal of Railway Engineering Society， 2018， 35（1）： 70-77.（in Chinese）

[36] ZHANG X， WEN Z P， CHEN W S， et al. Dynamic analysis of coupled train-track-bridge system subjected to debris flow impact [J]. Advances in Structural Engineering， 2019， 22（4）： 919-934.

[37] 溫志鵬. 泥石流沖擊作用下車線-橋系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)及高速列車運(yùn)行安全研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2019.

WEN Z P. Dynamic responses of coupled train-track-bridge system subjected to debris flow impacts and running safety analysis of high-speed train [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2019. （in Chinese）

[38] PROSKE D， KRAWTSCHUK A， ZEMAN O， et al. Debris flow impacts on masonry arch bridges [J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Bridge Engineering， 2018， 171（1）： 25-36.

[39] 李宏男， 成虎， 王東升. 橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性研究進(jìn)展述評(píng)[J]. 工程力學(xué)， 2018， 35（9）： 1-16.

LI H N， CHENG H， WANG D S. A review of advances in seismic fragility research on bridge structures [J]. Engineering Mechanics， 2018， 35（9）： 1-16.（in Chinese）

[40] 彭子祥. 洪水環(huán)境下群樁基礎(chǔ)橋梁易損性分析與評(píng)估[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2017.

PENG Z X. Fragility analysis and assessment for bridge supported on pile-group foundations under flood condition [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2017. （in Chinese）

[41] TARBOTTON C， DALLOSSO F， DOMINEY-HOWES D， et al. The use of empirical vulnerability functions to assess the response of buildings to tsunami impact： Comparative review and summary of best practice [J]. Earth-Science Reviews， 2015， 142： 120-134.

[42] SEO D W， CARACOGLIA L. Estimating life-cycle monetary losses due to wind hazards： Fragility analysis of long-span bridges [J]. Engineering Structures， 2013， 56： 1593-1606.

[43] ALEXANDER D. Vulnerability to landslides[M]//Landslide Hazard and Risk. Chichester， West Sussex， England： John Wiley & Sons， Ltd， 2012： 175-198.

[44] 曾超， 賀拿， 宋國(guó)虎. 泥石流作用下建筑物易損性評(píng)價(jià)方法分析與評(píng)價(jià)[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展， 2012， 27（11）： 1211-1220.

ZENG C， HE N， SONG G H. Analysis and assessment of methods to assess vulnerability of building in debris flow hazard [J]. Advance in Earth Sciences， 2012， 27（11）： 1211-1220.（in Chinese）

[45] PAPATHOMA-KHLE M， GEMS B， STURM M， et al. Matrices， curves and indicators： A review of approaches to assess physical vulnerability to debris flows [J]. Earth-Science Reviews， 2017， 171： 272-288.

[46] 陳?；? 都汶公路泥石流災(zāi)害橋梁易損性評(píng)價(jià)： 以映秀至徹底關(guān)段為例[D]. 湖南 湘潭： 湘潭大學(xué)， 2019.

CHEN X H. Bridge vulnerability assessment of debris flow disaster on Duwen Highway [D]. Xiangtan， Hunan： Xiangtan University， 2019. （in Chinese）

[47] DAGA J， CHAMORRO A， DE SOLMINIHAC H， et al. Development of fragility curves for road bridges exposed to volcanic lahars [J]. Natural Hazards and Earth System Sciences， 2018， 18（8）： 2111-2125.

[48] LIANG Y Z， XIONG F. Quantification of debris flow vulnerability of typical bridge substructure based on impact force simulation [J]. Geomatics， Natural Hazards and Risk， 2019， 10（1）： 1839-1862.

[49] YAN S X， HE S M， DENG Y， et al. A reliability-based approach for the impact vulnerability assessment of bridge piers subjected to debris flows [J]. Engineering Geology， 2020， 269： 105567.

[50] QIU F， HUANG J L， LI Y G， et al. Protecting highway bridges against debris flows using lateral berms： a case study of the 2008 and 2011 Cheyang debris flow events， China [J]. Geomatics， Natural Hazards and Risk， 2018， 9（1）： 196-210.

[51] 王東坡， 李偉， 何思明， 等. 泡沫鋁夾芯板加固山區(qū)跨泥石流橋墩抗沖結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2016， 35（10）： 108-114.

WANG D P， LI W， HE S M， et al. Structural optimization of aluminum foam sandwich panel for bridge pier reinforcement across debris flow in mountain areas [J]. Journal of Vibration and Shock， 2016， 35（10）： 108-114.（in Chinese）

[52] LU Z， RONG K J， ZHOU Z G， et al. Experimental study on performance of frame structure strengthened with foamed aluminum under debris flow impact [J]. Journal of Performance of Constructed Facilities， 2020， 34（2）： 04020011.

[53] 蒲黔輝， 黃儼， 高玉峰， 等. 橋墩防護(hù)裝置研究[J]. 西南公路， 2017（2）： 101-105.

PU Q H， HUANG Y， GAO Y F， et al. Research on bridge pier protection device[J]. Southuest Highway， 2017（2）： 101-105.（in Chinese）

[54] SU Y C， CHOI C， NG C W W， et al. Eco-friendly recycled crushed glass for cushioning boulder impacts [J]. Canadian Geotechnical Journal， 2019， 56（9）： 1251-1260.

[55] SU Y C， CUI Y， NG C W W， et al. Effects of particle size and cushioning thickness on the performance of rock-filled gabions used in protection against boulder impact [J]. Canadian Geotechnical Journal， 2019， 56（2）： 198-207.

（編輯 章潤(rùn)紅）