蔡紅剛，裴向軍，唐秋元，何 妍

（1.中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計研究院有限公司，重慶400039；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都610059）

桃關(guān)泥石流溝是一條老溝，該溝于1962年6月15日發(fā)生泥石流，位于北緯31°11′50″，東經(jīng)103°38′5″，海拔1 100～1 600m，屬溝谷狹長地段。汶川“5.12”地震后導(dǎo)致溝內(nèi)不穩(wěn)定斜坡、滑坡、崩塌等極其發(fā)育，為泥石流的暴發(fā)提供了豐富物源。相關(guān)部門于2010年在溝道下游修建了漿砌塊石攔擋壩，該壩被后期暴發(fā)泥石流損毀。通過對汶川桃關(guān)溝泥石流流域特征、物源以及攔擋壩的損毀特征調(diào)查，反演分析該漿砌塊石壩的損毀機(jī)理。

1 汶川桃關(guān)溝泥石流特征

1.1 泥石流溝道特征

桃關(guān)溝長11.4km，匯水面積51km2，平均坡降128.6‰，兩河口經(jīng)上至桶棚梁子為匯水區(qū)，植被發(fā)育，覆蓋率達(dá)60%以上，兩河口至桃關(guān)工業(yè)園區(qū)為形成流通區(qū)，坡降為90‰，植被覆蓋率約30%，兩側(cè)山體坡度一般30°～50°，松散堆積層較豐富，特別是地震后在距園區(qū)200m形成了大量的松散碎塊石堆積體，一般粒徑為0.3～1.2m，最大粒徑可達(dá)8m，為泥石流的發(fā)生提供了物源。流通區(qū)溝道順直，未見陡坎，基本無卡口，物質(zhì)組成以碎石土為主，黏性小。工業(yè)園區(qū)至桃關(guān)村段為流通區(qū)，坡降為70‰，建桃關(guān)工業(yè)園區(qū)時已建排導(dǎo)槽。堆積區(qū)域?yàn)樘谊P(guān)溝下游至岷江河。

圖1 桃關(guān)溝泥石流分區(qū)圖（參考勘查報告）

1.2 水文及物源特征

據(jù)有關(guān)氣象資料統(tǒng)計，汶川一帶多年平均降雨量為524.03mm，極強(qiáng)降雨量為55.6mm／d。該泥石流溝常年流水，部分水流滲入地下，補(bǔ)給地下水。

桃關(guān)溝泥石流的物源主要為兩方面：一是地震后在溝道及坡腳等形成大量的松散崩坡積層，一般粒徑為0.3～1.2m，最大粒徑可達(dá)8m；二是溝道內(nèi)存在的沖洪積層，磨圓度較好，粒徑大小一般在2～200mm之間，少量漂石粒徑達(dá)400mm。

1.3 泥石流的平均流速及撞擊力

通過訪問和對溝內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行分析判斷，并對泥石流物質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場配比試驗(yàn)，容重為1.4～1.5之間，取值1.5，比重按2.65計算。

泥石流平均流速以及沖擊力的計算參照規(guī)范DZ／T 0220—2006《泥石流防治工程勘查規(guī)范》中相關(guān)公式，計算過程見文獻(xiàn)［1－3］，計算結(jié)果為VC＝5.09m／s；泥石流沖擊力計算按最危險情況考慮，該沖擊力計算包括整體沖擊力和單塊最大沖擊力計算，計算只考慮正面沖擊。計算結(jié)果為泥石流流體的沖擊力F＝13.1kN／m2，泥石流大塊石的沖擊力為FS＝57.0kN。

2 桃關(guān)溝泥石流漿砌塊石壩損毀特征

汶川震區(qū)桃關(guān)溝泥石流漿砌塊石壩的壩體材料為M10漿砌片石，片石單抗壓強(qiáng)度不底于30MPa，且為不易風(fēng)化的硬質(zhì)巖石。以桃關(guān)溝2＃漿砌塊石壩的損毀特征來分析該類型的壩體受泥石流塊石沖擊損毀的特征和機(jī)理。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壩體受大塊石的撞擊后，壩體撞擊區(qū)表面出現(xiàn)縱向裂隙和橫向裂隙，延伸長度0.5～2.5m，寬度約3mm，直接撞擊區(qū)受損嚴(yán)重，壩體出現(xiàn)張裂、掉塊，導(dǎo)致壩體的整體性受到嚴(yán)重破壞。未受大塊石直接沖擊的區(qū)域，局部出現(xiàn)小的裂縫，壩體整體性受輕微破壞。受塊石撞擊損毀的壩體在后期泥石流的持續(xù)沖擊下，凹坑逐漸變大，壩體整體極易出現(xiàn)潰壩，如圖2。

圖2 汶川桃關(guān)溝泥石流2＃壩

3 漿砌塊石壩受沖擊破壞數(shù)值仿真

桃關(guān)溝泥石流大塊石多為4～5m3，形成的塊石沖擊力較大，導(dǎo)致壩體受沖擊的變形較大。ANSYS／LS－DYNA軟件比較適合于大變形的沖擊動力模擬，結(jié)合該軟件建立1∶1的仿真模型，反演分析泥石流漿砌塊石壩受塊石沖擊損毀的過程和破壞機(jī)理。ANSYS／LS－DYNA軟件的相關(guān)原理內(nèi)容，可見參考文獻(xiàn)［4－5］。

3.1 模型特征

汶川地震后，桃關(guān)溝內(nèi)松散物源豐富，并于2009年7月23日暴發(fā)泥石流，其下游的2＃漿砌塊石壩受到嚴(yán)重?fù)p毀，其損毀原因主要是受大塊石沖擊損毀。本文選擇攔擋壩受塊石沖擊損毀段（最危險段）為研究對象，建立如圖3所示的三維模型。野外調(diào)查的桃關(guān)溝泥石流中大塊石為4.2m3，該數(shù)值仿真的主要目的是模擬壩體受大塊石沖擊的受力狀態(tài)和損毀特征，塊石外形對模擬的結(jié)果影響較小，故本文采用球體作為大塊石，考慮體積相近的原則，選用直徑為2m的實(shí)心球體等效。

圖3 塊石沖擊攔擋壩三維模型

由于壩體受法向沖擊是最易造成損毀的，故本文主要模擬壩體受塊石的正向沖擊損毀。該仿真模型以豎向?yàn)閆軸，順溝方向?yàn)閅軸，垂直溝道方向?yàn)閄軸，建立1∶1的等效模型。模型由3個實(shí)體組合而成，考慮到砌筑壩體的塊石粒徑約為0.20m，網(wǎng)格劃分為0.20m方體，總的單元為70 280個；土體采用映射網(wǎng)格劃為9 850個單元；塊石單元為3 986個，整個模型共有89 580個節(jié)點(diǎn)，總共為84 014個單元。

由于本文模擬的是壩體中部段，壩體兩側(cè)按固定邊界條件與實(shí)際相符，大塊石的初始速度按計算速度5m／s取值（模擬時按Z向速度為－2.2m／s、Y向速度為4.5m／s）采用。大塊石與壩體結(jié)構(gòu)面的接觸關(guān)系為CONTACT＿AUTOMATIC＿POINT＿TO＿SURFACE（點(diǎn)—面自動接觸）。模擬時間的確定主要依據(jù)考慮到泥石流中大塊石沖擊壩體的過程是實(shí)際極短的動力過程，沖擊作用為幾毫秒，壩體受沖擊作用后應(yīng)力—應(yīng)變存在調(diào)整的過程，整個沖擊模擬時間選擇為1.2s，其實(shí)際沖擊時間為0.1ms左右，沖擊角度采用正向沖擊，取沖擊角度為90°。

3.2 材料參數(shù)選取

對于大塊石，沖擊過程中不考慮本身的變形，需選用變形小，強(qiáng)度較高的材料按剛體考慮；對于壩體和土體，為彈塑性變形體，選擇彈塑性本構(gòu)模型的材料即可滿足要求。依據(jù)Hertz接觸理論［6－8］，假設(shè)材料 滿足Vonmises屈服準(zhǔn)則條件，材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

3.3 數(shù)值仿真分析

3.3.1 漿砌塊石壩體沖擊損毀特征分析

數(shù)值仿真切片顯示，壩體受泥石流大塊石的沖擊過程在極短時間內(nèi)完成，其損毀特征主要表現(xiàn)在壩體的變形和損毀區(qū)嚴(yán)重程度2個方面。首先，壩體在受大塊石沖擊的時候，壩體表部發(fā)生較大的變形，其變形隨沖擊的繼續(xù)逐漸增大，在壩體的變形量達(dá)到5～7cm，即超過該類壩體的抗變形極限值時，塊石將會脫落損毀，在多次沖擊作用下，壩體損毀嚴(yán)重；其次，仿真結(jié)果顯示，壩體受大塊石直接沖擊的區(qū)域損毀嚴(yán)重，而未受大塊石直接沖擊的區(qū)域受損程度較輕，為輕微損毀區(qū)。仿真結(jié)果與實(shí)地調(diào)查的壩體損毀特征基本一致。

圖4 壩體損毀特征

3.3.2 大塊石沖擊力與時間的關(guān)系

根據(jù)能量守恒原理，大塊石沖擊力與其體積、沖擊速度及塊石巖性（強(qiáng)度）等成正相關(guān)。塊石沖擊開始時，其速度最大，隨著沖擊過程的發(fā)生，動能轉(zhuǎn)化為變性能，撞擊接觸力達(dá)到最大值，之后接觸力逐漸減小。

泥石流大塊石對壩體的沖擊為法向沖擊，其沖擊力—時間關(guān)系如圖5。仿真結(jié)果顯示，法向接觸力在時間0.599 98～0.627 994s之間從0達(dá)到最大值66.31kN，其沖擊接觸時間極短，該沖擊過程為瞬時沖擊完成的。理論計算泥石流大塊石沖擊力為FS＝5.7tf，即為57.0kN，模擬的最大沖擊力較計算值大9.31kN，偏差范圍為14.04%，其主要原因是數(shù)值仿真模擬計算是一種理想的狀態(tài)，較相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計算更與實(shí)際吻合。數(shù)值仿真的結(jié)果在一定程度上可以指導(dǎo)該類壩體的設(shè)計及后期修復(fù)治理工作。

圖5 法向撞擊接觸力時間關(guān)系

4 結(jié)語

通過上述分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，壩體受大塊石的撞擊后，直接撞擊區(qū)受損嚴(yán)重；未受大塊石直接沖擊的區(qū)域，局部出現(xiàn)小的裂縫，整體性受輕微破壞。數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)地調(diào)查的壩體損毀特征基本一致。

（2）漿砌塊石壩體受大塊石的沖擊破壞過程是在極短的時間內(nèi)完成的，為瞬態(tài)過程；壩體受沖擊破壞的演變過程為：沖擊變形—形達(dá)到極限狀態(tài)—損毀。

（3）仿真結(jié)果顯示，法向接觸力的最大值66.31kN，理論計算的沖擊力為57.0kN，模擬的最大沖擊力較計算值大9.31kN，偏差范圍為14.04%，其主要原因是數(shù)值仿真模擬計算是一種理想的狀態(tài)，較相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計算更與實(shí)際吻合。

（4）數(shù)值仿真的結(jié)果在一定程度上可以指導(dǎo)該類壩體的設(shè)計及后期修復(fù)治理工作。

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