姚昌榮，王友彪，李亞東，強(qiáng)斌，劉賽智

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081)

泥石流是山地和丘陵地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，具有爆發(fā)突然、歷時短暫、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。泥石流會對橋梁造成嚴(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家應(yīng)急管理部[1]列為2019年全國十大自然災(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，中國在西部山區(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”這一研究課題同時涉及橋梁結(jié)構(gòu)和巖土兩個專業(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、無人機(jī)等[2-4]多技術(shù)融合的現(xiàn)場勘察方法。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)場測得泥石流沖擊力實(shí)屬不易，為此，1961年，中國科學(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站，采集了大量的泥石流觀測資料，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)更容易開展，而且可以按照不同的配比組合進(jìn)行有針對性的試驗(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個壓強(qiáng)傳感器，測量泥石流沖擊壓強(qiáng)在橋墩上的分布。該試驗(yàn)水槽總長度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)測得了很多有價值的數(shù)據(jù)。但是，一般的試驗(yàn)水槽規(guī)模都較小，長度在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安裝壓強(qiáng)傳感器和合力傳感器(圖1)，測得泥石流對方形和圓形截面橋墩模型的沖擊壓強(qiáng)及沖擊合力，并采用移動平均法對小波降噪后的沖擊力合力去除石子的隨機(jī)沖擊瞬時效應(yīng)，效果較好。因?yàn)橐话隳嗍鳑_擊試驗(yàn)測得的壓強(qiáng)是由壓力傳感器測得的壓力除以傳感器的面積得到的，所以，測點(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)置式壓力分布測量傳感器測量壩體的沖擊壓力，每個傳感器單元測量面積為1.5 cm×1.5 cm，傳感器陣列為32×32，實(shí)現(xiàn)了對整個沖擊面上沖擊壓力的測量，得到了沖擊壓力的時空分布特性。這種分布式傳感器用于測試平面模型效果較好，但測量圓柱式或矩形結(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量墩身的壓力分布，該傳感器測點(diǎn)密度可達(dá)到20點(diǎn)/cm2。

圖1 泥石流水槽試驗(yàn)布置[7]Fig.1 Layout plan of debris flow flume experiment[7]

1.2 數(shù)值模擬

圖2 三相(粗顆粒細(xì)顆粒黏性流體)泥石流物理模型[13]Fig.2 The drags CDG between the solid (s), fine-solid (fs), and fluid (f) phases [13]

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)動難以準(zhǔn)確描述，但從橋梁結(jié)構(gòu)分析來看，可以將泥石流對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)過程，較為清晰地展示了泥石流沖擊橋墩的過程(圖3)，用無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174.5 m、寬19.5 m的“足尺模型試驗(yàn)”(圖5)[21]。

圖3 泥石流沖擊橋墩過程示意圖[7,21]Fig.3 Side view of the debris-flow impact process[7,21]

圖4 泥石流沖擊力3層結(jié)構(gòu)示意[21]Fig.4 Three-layer impact sturcture diagram of debris flow[21]

圖5 足尺數(shù)值模型示意[21]Fig.5 Schematic diagram of full scale numerical model[21]

泥石流漿體沖擊壓強(qiáng)用動壓強(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期以來一直沒有明確。Cui等[24]進(jìn)行了水槽試驗(yàn)和DEM數(shù)值模擬研究，當(dāng)顆粒粒徑流動深度(δ/h)大于0.9且Fr小于3.5時，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]對漿體和塊石同時沖擊攔擋壩進(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)作用時的撞擊力。

2.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

圖6 泥石流沖擊石拱橋模型試驗(yàn)[38]Fig.6 Model test of debris flow impact masonry arch bridge[38]

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)險評估提供依據(jù)，為政策制定者的規(guī)劃提供支持，是減災(zāi)的重要手段。

3.2 結(jié)構(gòu)防護(hù)

為減輕泥石流帶來的橋梁災(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，避免對下游橋梁結(jié)構(gòu)的撞擊。張萬澤等[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，完全吸收沖擊能量；沖擊力足夠大時，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，可以采取主動防護(hù)，也可以采取被動防護(hù)。主動防護(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]；而被動防護(hù)是在橋墩上添加防撞設(shè)施，減小沖擊力對橋梁結(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，對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。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)研究可以從幾個方面開展工作：

1)開展廣泛的跨學(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)查事故案例一一對應(yīng)。

3)通過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)泥石流中大塊石對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊力有時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)可對泥石流中大塊石的運(yùn)動規(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)到快速評估橋梁安全性的目的。