碎屑流沖擊橋墩的最大沖擊力影響因素試驗研究

陳勇 姚昌榮 朱永發(fā) 周迅 安浩然

西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 成都 610031

碎屑流是指在崩塌或滑坡的運(yùn)動過程中形成的碎屑流體，其質(zhì)量大、速度快，具有很強(qiáng)的破壞性，嚴(yán)重威脅著交通基礎(chǔ)設(shè)施和人民生命財產(chǎn)的安全［1-2］。橋梁是交通網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)，破壞后搶修難度大，造成的損失十分嚴(yán)重。近年來，碎屑流沖毀橋梁的事故屢有發(fā)生。2016 年，雅康高速公路天全段部分山體滑坡，碎屑流沖毀了在建的8 根橋墩；2020 年，雅西高速“9·20”高位山體崩塌引發(fā)碎屑流，導(dǎo)致姚河壩特大橋損毀。不同于單個滾石作用下的沖擊，碎屑流沖擊作用機(jī)理更復(fù)雜，且具有摩擦碰撞、時滯效應(yīng)、分布作用等特性。沖擊力是沖擊效應(yīng)最直接的衡量指標(biāo)［3］。實(shí)際地質(zhì)災(zāi)害中，碎屑流的沖擊工況復(fù)雜多變，在設(shè)計過程中須定性分析。因此，有必要對碎屑流沖擊橋墩的演化過程及最大沖擊力影響因素進(jìn)行研究，為工程設(shè)計提供參考。

關(guān)于碎屑流沖擊結(jié)構(gòu)物的動力學(xué)研究主要包括理論方法、數(shù)值模擬方法和模型試驗方法。理論研究方面，碎屑流細(xì)顆粒具有高速遠(yuǎn)程特性，其運(yùn)動特性與泥石流漿體類似［4］。關(guān)于漿體計算模型，大多研究主要基于動力學(xué)模型變形，通過推導(dǎo)得到不同適用條件的半經(jīng)驗理論計算模型。Armanini 等［5］提出適用于碎屑流沖擊攔擋結(jié)構(gòu)后發(fā)生反彈的沖擊力計算模型。Delannay 等［6］建立了碎屑流處于過渡態(tài)時，由重力分力和慣性力組成的沖擊力計算模型。此外，中國臺灣、加拿大、日本等許多設(shè)計規(guī)范都是基于動力學(xué)模型進(jìn)行制定的。由于公式中修正系數(shù)的變化范圍較大，對計算結(jié)果會造成一定誤差。數(shù)值模擬方面，碎屑流是由大量的離散顆粒組成的集合體，離散元（Discrete Element Method，DEM）作為一種處理非連續(xù)介質(zhì)的模擬方法，已被諸多學(xué)者用于碎屑流研究。張睿驍?shù)龋?］采用DEM 方法，研究了剛性擋板距離和坡度對碎屑流沖擊力的影響規(guī)律。Liu 等［8］采用離散元和有限元耦合的數(shù)值方法研究了碎屑流對柔性障礙物的動力學(xué)作用。物理模型試驗的試驗條件可控性較高，是研究碎屑流的重要方法之一，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量碎屑流沖擊結(jié)構(gòu)物的模型試驗。Jiang等［9］進(jìn)行了碎屑流沖擊擋墻模型試驗，基于試驗結(jié)果和已有沖擊力模型，重點(diǎn)關(guān)注碎屑流的法向沖擊力及作用點(diǎn)，提出了一種新的半經(jīng)驗沖擊力模型。Wang 等［10］通過物理模型試驗研究了擋墻結(jié)構(gòu)對碎屑流速度和堆積形式的影響。眭靜等［11］根據(jù)碎屑流沖擊剛性擋墻的試驗結(jié)果，提出了一種沖擊力力學(xué)模型，用于計算法向、切向沖擊力及沖擊力作用高度。冷曉玉等［12］開展碎屑流模型試驗，研究了沖擊坡度和顆粒級配對碎屑流運(yùn)動過程的影響規(guī)律。Kim 等［13］進(jìn)行了碎屑流沖擊圓柱形擋流板的模型試驗，研究了擋流板高度和行數(shù)對碎屑流能量耗散的影響規(guī)律。Ng 等［14］開展了碎屑流沖擊雙剛性攔擋結(jié)構(gòu)的模型試驗，研究了攔擋結(jié)構(gòu)高度和距離對碎屑流沖擊作用的影響。

綜上，已有研究主要集中于碎屑流對擋墻、攔擋結(jié)構(gòu)等構(gòu)筑物的沖擊行為，關(guān)于碎屑流沖擊橋墩結(jié)構(gòu)的研究相對較少，缺乏相關(guān)的設(shè)計指南，較少關(guān)注碎屑流沖擊橋墩時的最大沖擊力。因此，本文通過室內(nèi)模型試驗?zāi)M碎屑流沖擊橋墩的運(yùn)動過程，研究碎屑流對橋墩的沖擊效應(yīng)，以及碎屑流沖擊距離、體量對橋墩最大沖擊力的影響規(guī)律，為山區(qū)橋梁碎屑流災(zāi)害防治提供一定參考。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

試驗裝置主要包括斜槽、物料區(qū)、反力架、廢料箱等部分，見圖1。斜槽尺寸為2.0 m（長） × 0.3 m（寬） ×0.5 m（高），坡度為20°。斜槽側(cè)面采用透明亞克力板材質(zhì)，表面覆有網(wǎng)格尺寸為2 cm 的網(wǎng)格紙，以便統(tǒng)計碎屑流的運(yùn)動距離。將前后擋板粘貼于斜槽中形成物料區(qū)，臨時固定前擋板以便抽離，使碎屑流在重力作用下滑動。反力架由鋁合金焊接而成，用于支撐固定六分力傳感器及橋墩模型，其底部嵌固在地上。

圖1 碎屑流物理模型試驗裝置

1.2 橋墩模型及測量系統(tǒng)

以實(shí)際工程山區(qū)高架橋為原型，跨徑為25 m，橋墩墩高為10 m，直徑為1.5 m，按1∶50 的比例縮尺制作雙柱式橋墩模型。橋墩模型由樹脂材料采用3D 打印制成，直徑為0.03 m。定義來流方向一側(cè)的墩柱稱為近柱，另一墩柱為遠(yuǎn)柱。

測量系統(tǒng)包括六維力傳感器和高速相機(jī)。兩個六維力傳感器與兩個墩柱之間通過連接裝置用螺栓連接，六維力傳感器用螺絲固定于反力架上，見圖2。傳感器采樣頻率為50 Hz。在橋墩頂部、側(cè)面布置高速相機(jī)，用于記錄碎屑流的運(yùn)動形態(tài)。

圖2 橋墩模型傳感器布置（單位：mm）

1.3 試驗材料及方案設(shè)計

自然界中的碎屑流體通常由形狀大小各異的巖石塊組成，且粒徑級配分布十分廣泛，若在現(xiàn)場測量粒徑分布、形狀及其他參數(shù)，或在室內(nèi)模型試驗中再現(xiàn)真實(shí)的級配比例及形狀是非常困難的［15］。因此，采用模型試驗或數(shù)值模擬的方式研究碎屑流體的一般沖擊特性時，主要采用粒徑分布均勻、尺寸范圍較窄的碎石來模擬碎屑流體顆粒［16-17］。

已有研究表明顆粒平均粒徑與水槽寬度的比值在1/90 ～ 1/20 時，可忽略水槽寬度對碎屑流體自由滑動限制的影響［15］?？紤]試驗中橋墩模型的直徑及斜槽裝置的寬度，試驗材料選擇無黏性的礫石。

礫石初始粒徑分布均勻，粒徑分布范圍為8 ～16 mm，中值粒徑（D50）與水槽寬度比值為1/23，滿足試驗要求。礫石材料參數(shù)見表1。

表1 礫石材料參數(shù)

本文以碎屑流沖擊距離（L）、體量（V）為控制參數(shù)，通過改變初始堆積體高度（H）來實(shí)現(xiàn)V的變化。采用控制變量法研究碎屑流沖擊距離、體量對其運(yùn)動形態(tài)及沖擊橋墩時的沖擊力沿程演化規(guī)律。試驗工況見表2，每組工況重復(fù)三次試驗。

表2 試驗工況

2 碎屑流運(yùn)動形態(tài)分析

2.1 運(yùn)動過程

以試驗組B2 為例分析碎屑流運(yùn)動過程。為便于觀察比較，將圖片旋轉(zhuǎn)20°并按水平排列，見圖3（a）?？芍簍= 0.24 s 時，前擋板完全提起后，位于碎屑流體底部的顆粒率先下滑移動，帶動前緣顆粒移動的同時上部顆粒迅速下落；t= 0.60 s 時，前緣顆粒開始沖擊近柱橋墩；t= 0.77 s時，顆粒持續(xù)沖擊橋墩，出現(xiàn)顆粒碰撞飛濺的現(xiàn)象，少量顆粒開始沖擊遠(yuǎn)柱橋墩；t=1.60 s 時，由于顆粒之間、顆粒與斜槽之間的摩擦作用，碎屑流體穩(wěn)定堆積在斜槽與橋墩之間。綜上，碎屑流運(yùn)動過程可分為起動加速、持續(xù)沖擊、穩(wěn)定堆積三階段過程。

圖3 碎屑流運(yùn)動過程和顆粒飛濺效果對比

其他工況的試驗現(xiàn)象與試驗組B2類似，但有些許不同，見圖3（b）?？芍?dāng)沖擊距離增加后，碎屑流顆粒沖擊橋墩時的碰撞飛濺程度較弱，顆粒飛濺高度更低。這主要是由于碎屑流沖擊過程中，重力勢能轉(zhuǎn)換為動能和摩擦內(nèi)能，而摩擦內(nèi)能是最主要的耗能方式［17］。隨著沖擊距離的增加，顆粒之間、顆粒與斜槽之間由于摩擦消耗的能量更多，顆粒的沖擊速度變小，沖擊作用變?nèi)酢?/p>

2.2 運(yùn)動速度

定義前擋板提起瞬時為初始時刻（t= 0），碎屑流前端顆粒自初始時刻到?jīng)_擊近柱時刻的平均速度為vˉ1、沖擊近柱后到滑出斜槽的平均速度為vˉ2。兩段平均速度為對應(yīng)的運(yùn)動距離和運(yùn)動時間之比。運(yùn)動距離借助斜槽側(cè)面網(wǎng)格紙進(jìn)行統(tǒng)計，運(yùn)動時間通過回放試驗錄像獲得，繪制前端顆粒的平均運(yùn)動速度，從而分析碎屑流體量、沖擊距離對前端顆粒平均速度的影響規(guī)律，見圖4。

圖4 各試驗工況的前端顆粒平均速度

由圖4 可知：①當(dāng)碎屑流沖擊距離相同時（工況A1、A2、A3），vˉ1和vˉ2均隨碎屑流體量的增大而增大。碎屑流體底部的顆粒先下滑移動，導(dǎo)致上部顆粒迅速下落。本文試驗中碎屑流體量越大，初始堆積體的高度越高，且上部顆粒具有更大的重力勢能，因此下滑過程中產(chǎn)生的動能越大，速度越高。②當(dāng)碎屑流體量相同時（A1、B1、C1），vˉ1隨著沖擊距離的增大而增大，vˉ2隨著沖擊距離的增大而減小。這主要是由于碎屑流運(yùn)動過程中，重力勢能轉(zhuǎn)換為動能，沖擊距離越遠(yuǎn)初始重力勢能越大，自初始時刻到?jīng)_擊橋墩時速度越大。而撞擊橋墩后，因顆粒之間、顆粒與斜槽、顆粒與橋墩之間的摩擦作用，導(dǎo)致大部分顆粒堆積于斜槽和橋墩間，這種現(xiàn)象隨著沖擊距離的增加愈發(fā)明顯，導(dǎo)致后部顆粒的能量不能有效傳遞到前端顆粒，因此前端顆粒的運(yùn)動速度減小。

3 沖擊力特征

3.1 沖擊距離、體量對碎屑流沖擊力的影響

分析沖擊力試驗數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)近柱受到的沖擊力遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)柱，本文旨在探究碎屑流沖擊橋墩時最大沖擊力的影響因素規(guī)律，因此僅分析近柱的沖擊力規(guī)律。不同沖擊距離下碎屑流沖擊力時程演化曲線，見圖5。可知，沖擊力可分為碎屑流體運(yùn)動時的沖擊力波動段和穩(wěn)定堆積后的沖擊力穩(wěn)定段。隨著碎屑流沖擊距離的增加，碎屑流自起動加速到?jīng)_擊橋墩的時間增加，橋墩受到的最大沖擊力減小，橋墩受到碎屑流的堆積作用也變小，相同碎屑流體量下的試驗工況規(guī)律相同。原因是當(dāng)碎屑流沖擊距離增加時，沿程顆粒之間、顆粒與滑槽之間的碰撞、摩擦所消耗的能量增加，更多的顆粒堆積在斜槽中，導(dǎo)致沖擊橋墩時的顆粒數(shù)減少，所受沖擊力峰值也減小。

圖5 不同沖擊距離下碎屑流沖擊力時程演化曲線

不同碎屑流體量下沖擊力時程演化曲線見圖6?？芍?，體量的增加對碎屑流開始沖擊橋墩的時間影響不大。隨著碎屑流體量的增加，橋墩所受到的最大沖擊力增加，顆粒穩(wěn)定時的堆積作用越大。原因是當(dāng)碎屑流體量增加時，前端顆粒開始沖擊橋墩的時間不變，意味著速度變化不大，但同一時刻沖擊作用于橋墩的碎屑流顆粒數(shù)量增加，導(dǎo)致最大沖擊力和堆積作用力增加。

圖6 不同碎屑流體量下沖擊力時程演化曲線

3.2 最大沖擊力影響因素分析

沖擊距離、體量是影響碎屑流最大沖擊力的重要因素，提取各工況下的最大沖擊力數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，見圖7。圖中，R2為決定系數(shù)?？芍孩俪跏级逊e體高度為0.30、0.40、0.50 m 時，決定系數(shù)分別為0.983、0.998、0.991，回歸擬合度較好。當(dāng)碎屑流體量一致時，即初始堆積體高度相同時，最大沖擊力隨著沖擊距離的增加呈指數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān)，與文獻(xiàn)［18］規(guī)律基本一致。原因是當(dāng)碎屑流沖擊距離越大，顆粒碰撞飛濺的高度越低［參見圖4（b）］，即沖擊過程中碎屑流的運(yùn)動速度越小，碎屑流顆粒之間碰撞所消耗的動能越小，導(dǎo)致最大沖擊力下降的幅度較小。②沖擊距離為0.40、0.65、0.90 m 時，決定系數(shù)分別為0.869、0.998、0.973，回歸擬合度較好。當(dāng)沖擊距離相同時，最大沖擊力隨著碎屑流體量的增加呈指數(shù)函數(shù)正相關(guān)。原因是碎屑流體量越大，沖擊過程中作用于橋墩的碎屑流顆粒也越多，且碎屑流的運(yùn)動速度相對較大，從而導(dǎo)致最大沖擊力上升的幅度較大。

圖7 最大沖擊力與影響因素的擬合曲線

綜上，參照文獻(xiàn)［19］對碎屑流最大沖擊力（F）與L、V之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合關(guān)系式為

最大沖擊力與沖擊距離、體量之間的關(guān)系見圖8。可知：①碎屑流沖擊距離為0.90 m，體量為0.022 5 m3時，最大沖擊力為2.199 N，是所有工況中的最小值；沖擊距離為0.40 m，體量為0.037 5 m3時，最大沖擊力為18.908 N，是所有工況中的最大值。②碎屑流最大沖擊力與沖擊距離成反比，與碎屑流體量成正比。在山區(qū)橋梁碎屑流災(zāi)害防治中，應(yīng)優(yōu)先考慮碎屑流體量更大且沖擊距離更近的沖擊工況。

圖8 最大沖擊力與沖擊距離、體量之間的關(guān)系

4 試驗值與半經(jīng)驗公式預(yù)測值對比

文獻(xiàn)［4］研究表明，具有高速遠(yuǎn)程特征的碎屑流細(xì)顆粒，其運(yùn)動特性與泥石流“漿體”類似［4］。因此，采用流體動力學(xué)模型對比本文最大沖擊力試驗結(jié)果與常見的半經(jīng)驗理論公式預(yù)測結(jié)果［20］。模型表達(dá)式為

式中：P、ρmu、vmu分別為流體沖擊壓力、密度、運(yùn)動速度；α為動力修正系數(shù)。

參考T/CAGHP 006—2018《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范（試行）》［21］中工程截面為圓形時的情況，α取1.0。選取最大沖擊力對應(yīng)時刻的運(yùn)動速度作為vmu，獲取方式參考文獻(xiàn)［22］，即通過相鄰幾幀圖像上碎屑流前端顆粒的運(yùn)動距離變化，計算出相應(yīng)的前緣速度。同時考慮碎屑流沖擊橋墩的作用面積，橋墩直徑取0.03 m；通過回放試驗錄像獲得各工況下碎屑流在橋墩上的作用高度（0.02 ～ 0.09 m）。半經(jīng)驗公式為

式中：b為橋墩直徑，m；h為碎屑流作用高度，m。

對比不同工況下橋墩最大沖擊力的試驗值與半經(jīng)驗公式預(yù)測值，見圖9。可知，半經(jīng)驗公式預(yù)測值與試驗值最大誤差為23%，各工況下兩者的數(shù)值差異較小，可見半經(jīng)驗公式能夠較好地預(yù)測碎屑流沖擊橋墩時的最大沖擊力。不同工況下的半經(jīng)驗公式預(yù)測值比試驗值平均高18%，可見采用半經(jīng)驗公式計算的最大沖擊力偏保守。

圖9 最大沖擊力試驗值與半經(jīng)驗公式預(yù)測值對比

受試驗條件的限制，未能模擬出碎屑流沖擊橋墩過程中實(shí)際的地質(zhì)環(huán)境，如本文斜槽底部平整、無明顯起伏，碎屑流沖擊距離、體量變化范圍小等；碎屑流的顆粒粒徑考慮較為單一，沒有考慮含水量、塊狀黏性物質(zhì)等，因此試驗中未能體現(xiàn)出碎屑流運(yùn)動過程中的粘黏、破碎、篩分等現(xiàn)象。此外，本文未考慮試驗裝置的尺寸效應(yīng)。試驗條件的限制和未考慮試驗裝置尺寸效應(yīng)對碎屑流體的運(yùn)動形態(tài)、速度、沖擊力時程演化等具有重要影響，后續(xù)可開展不同尺度的模型試驗進(jìn)行研究。

5 結(jié)論

1）試驗過程中再現(xiàn)了碎屑流起動加速、持續(xù)沖擊、穩(wěn)定堆積的三階段過程。在撞擊橋墩前，碎屑流的運(yùn)動速度隨沖擊距離和體量的增大而增大；撞擊橋墩后，運(yùn)動速度隨沖擊距離的增大而減小。

2）碎屑流沖擊距離、體量是影響碎屑流最大沖擊力的重要因素。最大沖擊力隨沖擊距離的增加呈指數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān)，最大沖擊力隨碎屑流體量的增加呈指數(shù)函數(shù)正相關(guān)。

3）基于流體動力學(xué)模型的半經(jīng)驗公式能夠較好地預(yù)測碎屑流沖擊橋墩時的最大沖擊力，預(yù)測值比試驗值平均高18%，最大預(yù)測誤差為23%。采用半經(jīng)驗公式預(yù)測的最大沖擊力偏于保守。