摘要： 泥石流對橋墩的沖擊破壞能力與其流速、固相物質(zhì)含量及顆粒組成有關(guān)?；诖?，從防護(hù)橋梁橋墩角度，提出一種新型的泥石流沖蝕橋墩防護(hù)格柵，新型格柵可持續(xù)對泥石流固相顆粒進(jìn)行調(diào)控，使泥石流固相顆粒粒徑減小、容重和沖擊力降低，可有效保護(hù)橋墩。在室內(nèi)開展一系列模型實(shí)驗(yàn)，研究格柵引流角度、格柵跨度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對防護(hù)效果的影響。結(jié)果表明：（1）隨引流角度增大，格柵內(nèi)側(cè)泥石流容重降低率和粗顆粒含量減小率均先增大后減小，具有二次函數(shù)關(guān)系;（2）隨格柵跨度增大，容重率逐漸降低，粗顆粒含量逐漸減小，并具有線性關(guān)系;（3）泥石流在格柵處的沖起高度，隨格柵與開口間距增大而逐漸減小，兩者之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系;沖起高度隨引流角度增大而逐漸增大，兩者之間具有線性關(guān)系。文章結(jié)合理論分析，建立新型格柵各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值方法，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 泥石流; 橋墩; 沖擊; 磨蝕

中圖分類號： P642.23""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2025）02-0342-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230506001

Model testing of protective grilles for debris

flow erosion on bridge piers

XIE Tao^1，2， LIU Yulin2， HUANG Qi2

（1. Key Laboratory of Geological Hazards Mitigation for Mountainous Highway and Waterway， Chongqing 400074， China;

2. College of River and Ocean Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

Abstract：

The impact and destructive capacity of debris flow on bridge piers are influenced by factors such as debris flow velocity， solid matter content， and solid particle composition. On this basis， a novel protective grille designed to shield bridge piers from debris flow erosion is proposed. The protective grille works by continuously regulating the solid particles in the debris flow， reducing the bulk density， the solid particle size， and impact force， thereby effectively protecting the bridge piers. A series of laboratory model tests were carried out to investigate the impact of structural parameters on the protection effect. Results indicate that： （1） As the drainage angle increases， the reduction rates of bulk density and coarse particle content in the debris flow within the grille initially increase and then decrease， following a quadratic function relationship; （2） As the grille span increases， the reduction rates of bulk density and coarse particle content consistently increase， displaying a linear relationship; （3） The scour height of the debris flow at the grille decreases as the relative opening spacing of the grille increases， showing an exponential function relationship. By contrast， the scour height gradually increases with the drainage angle， exhibiting a linear relationship. Meanwhile， through theoretical analysis， a method was developed to determine the structural parameters of the novel grille， including the drainage angle， span， height， and spacing. This approach provides a foundation for engineering design.

Keywords：

debris flow; bridge pier; impact; abrasion

0 引言

泥石流是一種由泥、沙、石塊等松散碎屑物質(zhì)和水構(gòu)成的特殊流體，通常具有暴發(fā)突然，歷時(shí)短暫，沖淤強(qiáng)烈的特點(diǎn)^［1-2］。我國是世界上受泥石流災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國家之一，特別是西南山區(qū)由于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、地形起伏大、降雨集中，泥石流分布密集、活動(dòng)頻繁。泥石流活動(dòng)對山區(qū)道路建設(shè)和運(yùn)營可造成嚴(yán)重影響，例如：路基坍塌、防護(hù)結(jié)構(gòu)毀損、橋梁墩臺破壞等。如1981年7月9日，大渡河支流利子依達(dá)溝暴發(fā)泥石流，將溝口的利子依達(dá)大橋沖毀^［3］;2013年7月10日，岷江上游暴發(fā)群發(fā)性泥石流，導(dǎo)致都汶公路沿線地區(qū)的草坡三號橋、毛家灣、皂角灣、小麻溝等4座橋梁垮塌^［4］。

泥石流對橋梁墩臺的沖擊破壞能力與其流速、固相物質(zhì)含量及組成等因素有關(guān)，其流速越大、固相物質(zhì)中粗顆粒越大、越多，沖擊力就越大^［5-7］。目前常在橋墩前方設(shè)置泥石流防撞墩來減小泥石流中的大石塊帶來的沖擊力。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土防撞墩施工周期長，且對地基擾動(dòng)大，因此，許多學(xué)者提出了新型橋墩防撞結(jié)構(gòu)。劉發(fā)明等^［8］設(shè)計(jì)了一種泥石流柔性防撞墩結(jié)構(gòu)，主要通過加大防撞墩的承臺，用微型鋼管作為承臺的地基并將無縫鋼管豎向貫穿承臺和泥石流防撞墩，以提高防撞墩抗沖擊能力。陳洪凱等^［9］通過在橋墩上游設(shè)置三角形防撞墩，并在防撞墩的頂角棱邊及兩側(cè)設(shè)有水幕噴頭，通過噴頭形成水幕對泥石流體施加反向荷載。周凌宇等^［10］在橋墩外設(shè)計(jì)了由若干防撞箱組成的防撞墻體，以實(shí)現(xiàn)對橋墩的保護(hù)。史光明等^［11］設(shè)計(jì)了一種帶有滑桿和彈性元件的橋墩泥石流沖擊保護(hù)裝置以緩和泥石流對橋墩的沖擊。以上防護(hù)裝置由于自身材料限制，存在消能能力一般，且經(jīng)過多次沖擊后結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形或破壞等缺點(diǎn)，可導(dǎo)致維護(hù)成本較高。

防撞設(shè)計(jì)的另一種新思路是利用吸能裝置中的特殊材料，吸收泥石流的沖擊能量，以減小泥石流對橋墩的沖擊力^［12］。如吳永等^［13］根據(jù)耗能減震理論，設(shè)計(jì)出一種填充泡沫鋁的雙腔橢圓偏心橋墩包裹結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對橋墩的保護(hù)。何思明等^［14］研發(fā)了一種新型橋墩抗?jié)L石沖擊復(fù)合墊層結(jié)構(gòu)，主要通過在橋墩內(nèi)、外側(cè)各設(shè)置兩層鋼套筒，并在鋼套筒中填充硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料，以實(shí)現(xiàn)減少泥石流對橋體的沖擊能量。上述緩沖材料墊層和剛性面層的組合結(jié)構(gòu)可以提供較好的緩沖作用，并有效減小泥石流的沖擊能量，但這些結(jié)構(gòu)制作和維護(hù)成本較高。

實(shí)際上，如能對流經(jīng)橋墩處的泥石流粗顆粒進(jìn)行調(diào)控，通過水石分離降低粗顆粒含量，便可有效降低泥石流的破壞力，從而減輕泥石流對橋墩的沖刷、磨蝕和沖擊作用，有效保證橋墩的安全，達(dá)到減災(zāi)目的。目前對粗顆粒具有調(diào)控作用的是主要是使用各種透過性壩體（格柵壩）^［15-17］。從工程實(shí)踐效果看，透過性壩體可對泥石流流域內(nèi)的松散碎屑物質(zhì)起到一定的調(diào)控作用，但由于攔截的粗顆粒直接堆積在壩內(nèi)，可造成排泄孔堵塞，如梁式格柵壩等。當(dāng)梁間距與泥石流體中最大顆粒粒徑之比≥1.5時(shí)未閉塞;當(dāng)該數(shù)值gt;1.0且lt;1.5時(shí)，格柵壩則半閉塞或臨時(shí)閉塞;當(dāng)該數(shù)值≤1.0時(shí)，格柵壩基本閉塞，水石分離功能則失效^［18-19］。同時(shí)，透過性壩體主要適用于泥石流流域綜合治理，對橋墩防護(hù)的針對性不強(qiáng)。為此，本文從防護(hù)橋梁橋墩角度出發(fā)，提出一種可持續(xù)實(shí)現(xiàn)水石分離功能的泥石流沖蝕橋墩防護(hù)格柵，通過模型實(shí)驗(yàn)研究防護(hù)格柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對防護(hù)效果的影響，并結(jié)合理論分析建立防護(hù)格柵設(shè)計(jì)方法。

1 新型泥石流沖蝕橋墩防護(hù)格柵

新型泥石流沖蝕橋墩防護(hù)格柵如圖1所示，由5根立柱及若干橫梁組成，結(jié)構(gòu)簡單，安裝便利。防護(hù)格柵安裝于橋墩上游側(cè)，當(dāng)泥石流流經(jīng)防護(hù)格柵和橋墩時(shí)，粒徑大于格柵開口間距的粗顆粒被攔擋分離在格柵外側(cè)，并沿著格柵外側(cè)排向下游，粒徑小于格柵開口間距的細(xì)顆粒及液相漿體進(jìn)入格柵內(nèi)部，并沿著格柵內(nèi)側(cè)排向下游，可避免防護(hù)格柵被堵塞，使水石分離功能可持續(xù)發(fā)揮。

通過防護(hù)格柵對粗顆粒的分離，可有效降低格柵內(nèi)側(cè)的泥石流容重和粗顆粒含量，以減輕泥石流對橋墩的沖擊力，從而達(dá)到保護(hù)橋墩的目的。

2 模型試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)防護(hù)格柵的效果，并確定結(jié)構(gòu)參數(shù)對防護(hù)效果的影響，開展了一系列模型實(shí)驗(yàn)，模擬泥石流與防護(hù)格柵的相互作用。

2.1 相似準(zhǔn)則

實(shí)驗(yàn)遵循重力相似原則，假設(shè)泥石流體中最大顆粒粒徑為100 cm，試驗(yàn)材料的上限粒徑為2 cm，由此得到模型的長度比尺、流速比尺分別為：

λL=1∶50 （1）

λV=λ^0.5L=1∶7.1 （2）

式中：λL為長度比尺;λV為速度比尺。

根據(jù)國內(nèi)外多條泥石流溝的測量資料顯示，泥石流平均流速介于2～20 m/s，由此計(jì)算的模型流速應(yīng)為0.28～2.82 m/s。試驗(yàn)中泥石流平均流速為1.21～1.56 m/s，可滿足實(shí)際工程要求。

同時(shí)，將格柵橫梁簡化為簡支梁，重點(diǎn)考慮橫梁在大石塊沖擊力下的強(qiáng)度計(jì)算，大石塊沖擊力可由下式計(jì)算：

F=48EJU2Gsin2θgl3 （3）

式中：F為泥石流對橫梁的大石塊沖擊力;E為彈性模量;J為慣性矩;U為大石塊速度;G為大石塊重量;g為重力加速度;l為橫梁長度;θ為格柵引流角度。

橫梁在沖擊力作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力為：

σmax=Fl4Wz （4）

式中：σmax為最大應(yīng)力;Wz為抗彎截面系數(shù)。

橫梁的強(qiáng)度條件為：

σmax≤［σ］ （5）

式中：［σ］為許用應(yīng)力。

由式（3）～式（5）可得到：

A≥12πEU2R3ρsin2θ［σ］2l （6）

式中：A為橫梁的截面面積;R為石塊半徑;ρ為石塊密度。

假設(shè)橫梁選用的鋼材型號為Q235，則［σ］=200 N/mm2，E=206×103 N/mm2，粗顆粒的最大粒徑為2 m，實(shí)驗(yàn)中橫梁長度介于12.2～38.6 cm，根據(jù)長度比尺得到實(shí)際橫梁最大長度為19.3 m，實(shí)驗(yàn)中流速介于1.21～1.56 m/s，根據(jù)流速比尺可得實(shí)際最大流速為11.08 m/s。根據(jù)式（6）可得，A≥0.218 m2，即橫梁截面寬和高可分別取0.3 m和1 m。根據(jù)長度比例，實(shí)驗(yàn)中格柵橫梁由寬0.6 cm、高為2 cm的扁鐵制作而成。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要包括水槽系統(tǒng)、防護(hù)格柵模型和橋墩模型，如圖2所示。水槽系統(tǒng)由料斗、水槽、尾料池組成，其中料斗體積1.2 m3，用于裝設(shè)預(yù)先配制好的泥石流體;水槽長6 m、寬0.45 m、高0.4 m，用于布設(shè)防護(hù)格柵和橋墩（圖3），并模擬形成泥石流。水槽側(cè)壁為透明玻璃，利于觀測。分別在水槽上方和側(cè)面架設(shè)高清攝像機(jī)，記錄實(shí)驗(yàn)過程;尾料池長1.2 m、寬1.2 m、高0.8 m，用于回收實(shí)驗(yàn)流體。

實(shí)驗(yàn)中所用橋墩模型尺寸為直徑40 mm、高度30 cm。同時(shí)，制作了不同尺寸的防護(hù)格柵模型，開展對比試驗(yàn)，以研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對防護(hù)效果的影響。實(shí)驗(yàn)中可改變的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：格柵引流角度θ（30°、50°、70°、90°、110°）、格柵跨度B（12 cm、16 cm、20 cm、24 cm、28 cm）、格柵間距D（1 cm、1.5 cm、2 cm），而格柵直線段長度L和高度H保持不變，分別為15 cm和25 cm，結(jié)構(gòu)參數(shù)示意如圖4所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

選用云南東川蔣家溝的泥石流原樣作為實(shí)驗(yàn)材料，上限粒徑分別取5 mm、10 mm、20 mm，粒徑分布如圖5所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)流程和量測項(xiàng)目

（1） 通過分別提取防護(hù)格柵內(nèi)部與外部的泥石流樣品，分析防護(hù)格柵內(nèi)部與外部的泥石流體容重和顆粒組成的差異，來檢驗(yàn)防護(hù)格柵的防治效果。

（2） 通過改變顆粒級配、格柵模型尺寸進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分析格柵間距、跨度、引流角度等參數(shù)對粗顆粒分離的影響，驗(yàn)證格柵的防護(hù)效果，并確定各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值方法。

（3） 實(shí)驗(yàn)測量項(xiàng)目包括：影像解析法獲取流速、篩分法獲取格柵內(nèi)外側(cè)泥石流固體物質(zhì)顆粒級配、稱重法獲取格柵內(nèi)外側(cè)泥石流容重、直尺測量流深、殘留層深度、格柵表面泥痕高度等。

2.5 防護(hù)效果評價(jià)指標(biāo)

泥石流沖蝕橋墩主要表現(xiàn)為泥石流沖擊作用。通過防護(hù)格柵進(jìn)行水石分離可以起到減輕泥石流沖擊能量的作用。當(dāng)泥石流流經(jīng)防護(hù)格柵時(shí)，固相物質(zhì)在格柵內(nèi)、外側(cè)的差異主要體現(xiàn)在泥石流容重和顆粒組成兩方面，因此采用格柵內(nèi)部泥石流容重減小率［式（7）］和各粒徑段顆粒質(zhì)量含量變化率［式（8）］兩個(gè)指標(biāo)表征結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果：

n=γ0-γiγ0×100% （7）

mi=pio-pii （8）

式中：n為防護(hù)格柵內(nèi)側(cè)泥石流容重減小率;γ0為格柵外側(cè)泥石流體容重;γi為泥石流格柵內(nèi)側(cè)泥石流體容重;mi為防護(hù)格柵內(nèi)、外側(cè)各粒徑段固體顆粒含量變化率;pio為防護(hù)格柵外側(cè)各粒徑段固體顆粒的質(zhì)量百分含量;pii為防護(hù)格柵內(nèi)側(cè)各粒徑段固體顆粒的質(zhì)量百分含量。

其次，泥石流沖蝕橋墩還包括泥石流對橋墩的磨蝕作用。根據(jù)秦明等^［19］的研究成果，泥石流對工程結(jié)構(gòu)的磨蝕量可由式（9）確定：

Δm=Kt （9）

式中：Δm為被磨蝕量;K為泥石流對混凝土材料磨蝕系數(shù);t為磨蝕時(shí)間。

由式（9）可知，橋墩材料的磨蝕量與磨蝕系數(shù)和磨蝕時(shí)間有關(guān)。同時(shí)研究表明：當(dāng)漿體黏度相同時(shí)，泥石流磨蝕系數(shù)與泥石流體固相比成正相關(guān);當(dāng)固相比相同時(shí)，泥石流磨蝕系數(shù)與泥石流體黏度成負(fù)相關(guān)。通過防護(hù)格柵對泥石流進(jìn)行水石分離，大于防護(hù)格柵設(shè)計(jì)間距的粗顆粒被分離，漿體部分順利透過格柵，從而導(dǎo)致流經(jīng)橋墩處的泥石流體固相比減小，減輕泥石流對橋墩的磨蝕作用。

綜上所述，通過分析格柵內(nèi)側(cè)泥石流容重和固體物質(zhì)含量變化率，可以確定格柵對泥石流沖蝕橋墩的防護(hù)效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 防護(hù)格柵引流角度的影響

圖6顯示了格柵內(nèi)側(cè)容重減小率、各粒徑段（（10，20］ mm，（5，10］ mm，（2，5］ mm，≤2 mm）顆粒的質(zhì)量百分含量變化比例、格柵處泥石流殘留層高度隨格柵引流角度的變化規(guī)律。從圖中可看出：

（1） 格柵內(nèi)側(cè)容重減小率、（10，20］ mm顆粒的質(zhì)量百分含量減小比例、≤2 mm顆粒的質(zhì)量百分含量增大率比例均隨著引流角度先增大后減小，與引流角度之間均存在二次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)引流角度為50°時(shí)，容重減小率、（10，20］ mm顆粒減小比例、≤2 mm顆粒增大比例最大，此時(shí)格柵防護(hù)效果最佳。

（2） 格柵內(nèi)側(cè)（5，10］ mm和（2，5］ mm顆粒質(zhì)量百分含量變化比例均較小，分別為0%和5%左右，說明防護(hù)格柵對粒徑小于格柵間距的固相顆粒分選作用不明顯。同時(shí)，不同工況下變化比例并未發(fā)生明顯波動(dòng)，說明引流角度對這些固相顆粒的分選過程影響較小。

（3） 格柵處泥石流殘留層高度隨著引流角度的增大而逐漸增大，兩者存在線性關(guān)系，說明隨著引流角度的增大，泥石流在格柵處發(fā)生堵塞的風(fēng)險(xiǎn)將逐漸增大。

3.2 防護(hù)格柵跨度的影響

圖7顯示了格柵內(nèi)側(cè)容重減小率、各粒徑段（（10，20］ mm，（5，10］ mm，（2，5］ mm，≤2 mm）顆粒的質(zhì)量百分含量變化比例、格柵槽底泥石流殘留層高度隨格柵跨度的變化規(guī)律。從圖中可看出：

（1） 格柵內(nèi)側(cè)容重減小率、（10，20］ mm顆粒的質(zhì)量百分含量減小比例、≤2 mm顆粒的質(zhì)量百分含量增大。比例均隨著格柵跨度增大而逐漸增大，與格柵跨度之間均存在線性關(guān)系，說明隨著格柵跨度的增大，格柵對固相顆粒的分選程度越高，防護(hù)效果越好。

（2） 不同工況下格柵內(nèi)側(cè)（5，10］ mm和（2，5］ mm顆粒質(zhì)量百分含量變化比例分別維持在（0，5%）和［5%，10%］，不同工況下變化比例也未發(fā)生明顯波動(dòng)。說明防護(hù)格柵對粒徑小于格柵間距的固相顆粒分選作用不明顯，且格柵跨度對上述固相顆粒分選過程影響也較小。

（3） 格柵處泥石流殘留層高度隨著格柵跨度的增大而逐漸增大，兩者存在線性關(guān)系。說明隨著格柵跨度的增大，泥石流在格柵處發(fā)生堵塞的風(fēng)險(xiǎn)將逐漸增大。

3.3 防護(hù)格柵沖起高度的變化規(guī)律

圖8顯示了防護(hù)格柵沖起高度隨格柵相對開口間距D/dmax和引流角度的變化規(guī)律。從圖中可看出：

（1） 沖起高度隨相對開口間距的增大而逐漸減小，兩者之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系。說明隨著相對開口間距的增大，泥石流越容易透過格柵，但也意味著格柵對固相顆粒的分選程度越低。

（2） 上限粒徑為10 mm和20 mm時(shí)，沖起高度隨引流角度的增大而逐漸增大，兩者之間均存在線性關(guān)系。說明隨著引流角度的增大，泥石流越不容易透過格柵。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)取值方法

4.1 防護(hù)格柵引流角度

引流角度影響泥石流與防護(hù)格柵相互作用過程，由3.1節(jié)可知，在30°、50°、70°、90°、110°五個(gè)取值中，引流角度為50°時(shí)，格柵對固相顆粒的分選程度最高，且格柵處泥石流殘留也較少，此時(shí)防護(hù)效果最佳。同時(shí)，格柵內(nèi)側(cè)容重減小率、（10，20］ mm顆粒的質(zhì)量百分含量減小比例、≤2 mm顆粒的質(zhì)量百分含量增大比例與引流角度之間符合二次函數(shù)關(guān)系y=ax2+bx+c，具體如表1所列。據(jù)此可知，容重減小率最大、（10，20］ mm顆粒減小比例最大、≤2 mm顆粒增大比例最大時(shí)，引流角度分別為53.8°、58.4°、62.5°。綜上所述，在實(shí)際工程中，為了保證格柵的防護(hù)效果，引流角度的建議取值范圍為50°～60°。

4.2 防護(hù)格柵跨度

由3.2小節(jié)可知，隨著格柵跨度的增大，防護(hù)格柵對泥石流物質(zhì)與能量的調(diào)控效果越好，但殘留在格柵附近的泥石流體也越多。這主要是由于隨著格柵跨度的增大，格柵外側(cè)過流面積逐漸減小，導(dǎo)致流通不暢，形成壅高。因此，為了兼顧防護(hù)效果和流通性，需確定合適的格柵跨度。

為了保證格柵外側(cè)的泥石流體流動(dòng)順暢，格柵兩側(cè)至溝床兩側(cè)的距離應(yīng)不小于泥石流體中最大顆粒粒徑的5倍，則格柵跨度的上限值為：

B≤W-10dmax （10）

式中：W為防護(hù)格柵修建位置處的泥石流溝道寬度;B為格柵跨度;dmax為泥石流中固相顆粒最大粒徑。

同理，為了保證格柵內(nèi)側(cè)的泥石流體流動(dòng)順暢，格柵內(nèi)部凈寬應(yīng)不小于固相顆粒的最大粒徑（設(shè)計(jì)分離粒徑）的5倍，則格柵跨度的下限值為：

B≥5d+b （11）

式中：d為防護(hù)格柵設(shè)計(jì)分離的顆粒粒徑;b為橋墩寬度。

4.3 防護(hù)格柵高度

防護(hù)格柵高度與泥石流深度、泥石流在格柵處的沖起高度有關(guān)，可由下式計(jì)算：

H=h+Δh+hs （12）

式中：H為防護(hù)格柵高度;h為泥石流泥深;hs為安全超高，通常取0.5～1 m;Δh為格柵沖起高度。

根據(jù)能量守恒定理，沖起高度可由下式計(jì)算^［20］：

Δh=αu22g （13）

式中：α為修正系數(shù);u為泥石流流速。

從式（13）可看出，修正系數(shù)α對確定防護(hù)格柵高度有較大影響。由3.3節(jié)可知，除受泥石流自身特性影響外，沖起高度主要與格柵相對開口間距和格柵引流角度兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。沖起高度與相對開口間距之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且隨著相對開口間距增大，沖起高度逐漸減小;沖起高度與引流角度之間存在線性函數(shù)關(guān)系，且隨著格柵引流角度增大，沖起高度越大，引流角度也將影響泥石流對格柵的沖擊角度。因此，本文分別利用e^-D/dmax和sin2（θ/2）這兩個(gè)參數(shù)表征相對開口間距和引流角度對沖起高度的影響。根據(jù)擬合數(shù)據(jù)得到關(guān)系式y(tǒng)=0.67x^0.48（圖9），從而得到?jīng)_起高度修正系數(shù)α 可由下式計(jì)算：

α=0.67e^Ddmaxsin2θ2^0.48 （14）

式中：D為格柵間距;dmax為泥石流中固相顆粒最大粒徑;θ為格柵引流角度。

綜上所述，防護(hù)格柵高度可由下式計(jì)算：

H=h+0.67e^-Ddmaxsin2θ2^0.48u22g+hs（15）

4.4 防護(hù)格柵間距

防護(hù)格柵間距對被分離的固相顆粒的粒徑起決定作用，其值取決于需要將多大粒徑的固相顆粒分離到格柵外側(cè)。由大石塊沖擊力計(jì)算公式可知^［21］，沖擊力與大石塊粒徑存在如下關(guān)系：

P=γUsinβπρg6（c1+c2）d³² （16）

式中：P為泥石流對橋墩的大石塊沖擊力;d為大石塊粒徑;γ為動(dòng)能折減系數(shù);U為大石塊速度;β為沖擊角度;ρ為大石塊密度;c1、c2均為石塊及圬工材料的彈性變形系數(shù)。

假設(shè)分離前泥石流沖擊力為P，泥石流中固相顆粒最大粒徑為dmax，分離前后大石塊速度不變。為了保證橋墩安全，修建防護(hù)格柵后沖擊力的減小比例為k，則分離后的泥石流沖擊力為kP，進(jìn)而根據(jù)下式可知，需要被格柵分離的顆粒上限粒徑為：

d=dmaxk²³ （17）

式中：d為被格柵分離的顆粒上限粒徑;k為沖擊力減小比例;dmax為分離前泥石流中固相顆粒最大粒徑。

為了保證顆粒分選效果，格柵間距宜略小于設(shè)計(jì)分離的顆粒粒徑，可由下式確定。

D=（0.5～1.0）dmaxk²³ （18）

式中：D為格柵間距;k為沖擊力減小比例;dmax為分離前泥石流中固相顆粒最大粒徑。

5 結(jié)論與討論

本文提出了一種新型泥石流沖蝕橋墩防護(hù)格柵，新型格柵對泥石流容重、固相顆粒組成均有良好的調(diào)控作用，可有效降低泥石流對橋墩的沖擊力，保證橋梁安全。通過理論分析和模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對防護(hù)效果的影響規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值方法，得到以下結(jié)論：

（1） 格柵引流角度對新型格柵防護(hù)效果有影響，隨引流角度逐漸增大，格柵內(nèi)側(cè)容重減小率、≤2 mm顆粒增加比例、（10，20］ mm顆粒減小比例，呈先增大后減小，并具有二次函數(shù)關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中引流角度的建議取值為50°～60°。

（2） 格柵跨度對新型格柵防護(hù)效果也有影響，隨格柵跨度逐漸增大，格柵內(nèi)側(cè)容重減小率、≤2 mm顆粒增加比例、（10，20］ mm顆粒減小比例，呈逐漸增大，并具有線性關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證格柵內(nèi)外側(cè)流通性，可由式（10）和式（11）確定格柵跨度的取值范圍。

（3） 泥石流在格柵處的沖起高度受相對開口間距和引流角度的影響，相對開口間距越小、引流角度越大，沖起高度將越大。同時(shí)，沖起高度將決定格柵修建高度，根據(jù)能量守恒定理，結(jié)合沖起高度隨相對開口間距和引流角度的變化規(guī)律，可得到?jīng)_起高度計(jì)算方法，進(jìn)而可由式（15）確定格柵高度的合理取值。

（4） 在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)大石塊沖擊力與泥石流對橋墩沖擊力的關(guān)系，設(shè)計(jì)減小比例，確定需要格柵分離的固相顆粒粒徑，進(jìn)而由式（18）確定格柵間距的合理取值。

由于室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)不能完全反映天然泥石流的特性，在今后研究中應(yīng)開展現(xiàn)場模型試驗(yàn)，進(jìn)一步檢驗(yàn)新型格柵的防護(hù)效果。此外，還需進(jìn)一步關(guān)注泥石流與新型防護(hù)格柵之間的動(dòng)力響應(yīng)，以保證格柵自身的穩(wěn)定性。

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（本文編輯：任 棟）