泥石流淤埋戰備浮橋承載力分析

辛鵬

摘 要：該文依托天山公路K630泥石流淤埋路段工程實例，提出一種泥石流淤埋戰備浮橋應急通行結構，介紹相應結構設計形式。建立ANSYS有限元模型，對戰備浮橋整體及細部構造進行承載力分析。結果表明，泥石流淤埋戰備浮橋結構安全可靠，可以解決大型泥石流淤埋道路后應急通行問題，為搶險救災工程節約寶貴時間。

關鍵詞：泥石流淤埋路段 戰備浮橋 承載墩 承載力分析

中圖分類號：U44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（a）-0014-04

Abstract： A debris flow passage structure of emergency readiness buried pontoon is designed， baseing on the K630 section of the Tianshan Highway debris flow buried engineering examples. The ANSYS finite element model is established for analysis of the bearing capacity of the whole bridge and the detail structure of combat readiness. Results show that the safety and reliability of debris flow buried readiness pontoon structure. The structure can solve the problem of disaster relief emergency traffic， saving valuable time when the buried road debris flow.

Key Word： Mudslides buried section； Combat readiness bridge； Bearing pier； Carrying capacity analysis

作為一種典型的災害性地質現象，泥石流在我國西部山區發生次數頻繁，對山區公路運行和養護過程產生了很大的破壞，嚴重影響到我國西部地區國民經濟建設和人民的人身財產安全。僅僅2015年，我國西部地區泥石流突發淤埋沿線公路的重大事件就有20余起，累計造成的交通中斷時間達到100余天，直接造成經濟損失高達30億元。尤其是特大泥石流暴發后，造成沉積物淤埋深度大于3 m，累計方量達到上萬立方米，清淤工作量巨大，中斷交通時間長達15天以上，嚴重阻礙了災后的搶險救災和備戰能力，給國家帶來了重大的經濟損失。因此，大型泥石流淤埋路段應急搶險修復技術是減弱泥石流災害的關鍵所在，是亟待解決的關鍵性問題。

目前，國內外學者在泥石流防災減災方面的研究已經取得了較多的成果，從工程措施和生態修復等方面形成了較完備的泥石流防治體系[1-4]。陳洪凱等提出了速流結構、翼型墩匯流結構、底埋隧道等泥石流防治措施，大量工程實踐表明防治效果顯著，取得了較大的社會和環境效益[5]。王兆印等通過比較分析攔擋壩與階梯-深潭消能對文家溝泥石流的防護效果，提出攔擋壩有利于穩固邊坡，階梯-深潭可以消散泥石流能量從而保護攔擋壩穩定溝床，兩者綜合運用對大型泥石流防護效果顯著[6]。Takahara等設計一種新型緊密水平單元的防砂壩結構，更好地防止土顆粒流失，降低泥石流發生的概率[7]。崔鵬等針對大型泥石流成災特點，提出了不同孔徑的攔砂壩群對泥石流分級攔淤，谷坊群對泥石流物源攔截等泥石流防治規劃設計方法[8]。

然而，目前國內外對泥石流淤埋斷道應急搶險方面的研究仍然十分薄弱，當發生泥石流淤埋道路后，需要較長時間才能恢復交通，嚴重阻礙了災后搶險救災以及應急備戰。該文以天山公路K630泥石流沖失路段為依托，介紹了一種可以在大型泥石流淤埋道路后快速恢復交通的戰備浮橋結構，并分析了其整體結構穩定性以及相應細部構造的受力情況，可為泥石流災害發生后應急搶險提供寶貴的時間。

1 工程概況

G217國道地處拉帕特河道右岸，是連接新疆阿勒泰與和田市的重要交通運輸通道，但由于地處K630泥石流沉積區腹地，自1977年通車以來，基本平均每年暴發1～2次泥石流災害，中斷時間均為10天以上，嚴重影響新疆北部的交通情況。圖1為最近一次K630泥石流暴發情況，此次泥石流淤埋方量達到4萬 m3，淤埋沿線15 m長的公路，泥石流淤埋體厚度達到4 m左右，造成經濟損失多達1億元。

2 戰備浮橋結構設計

泥石流淤埋戰備浮橋裝置由承載墩、連系桿、橋面板以及側向錨固拉鎖組成，所有構件都是可批量生產的，可以自由地組裝拆卸，運輸十分方便。泥石流淤埋戰備浮橋整體結構示意圖如圖2所示。

承載墩是整個泥石流淤埋戰備浮橋裝置中最核心部分，它是由上部充氣氣墩和下部防側傾穩定裝置組成，如圖3所示。氣墩采用高強度橡膠制品，呈圓柱體，底面半徑R為50 cm，高為80 cm。氣墩上下表面為兩層橡膠制品，夾層內制有一塊1 cm厚的輕質鋁合金板，上下表面鋁合金板圓心處分別固定一個直徑4 cm，高為10 cm的螺芯，并制備與之配套的螺帽，構成承載墩的鎖固端。鎖固端與連系桿可以通過定制的連接板連接起來。在承載墩上表面制有充氣閥門，用于氣墩的充放氣體。下部防側傾穩定裝置是由角鋼、PVC板和正方形輕質鋁合金板組成。鋁合金板邊長為1 m，厚為8 mm，與氣墩下部鎖固端連接。在鋁合金板的4個角邊緣下部連接長為0.8 m的角鋼，并用相應尺寸的PVC板連接四周。下部防側傾裝置可以很好地限制承載墩的側向傾斜。

泥石流淤埋戰備浮橋是一種可循環利用應急搶險設施，綜合考慮結構用途、經濟性以及材料的耐腐蝕程度等方面因素，浮橋連系桿選用材質為Q345，型號為22a的標準工字鋼，雖然Q235鋼較Q345鋼價格上便宜一些，但由于連系桿所處工作環境極易腐蝕，故選用結構強度更高，耐腐蝕性更好的Q345鋼。連系桿預制成2 m和0.9 m兩種長度，并預留相應孔位以便自由拼裝。浮橋的橋面板采用耐腐蝕性較強的PVC木塑復合板，板厚為5 cm，縱向長為2 m，橫向長為0.9 m，待連系桿架設好后可依次用螺栓與其進行搭接鋪設。戰備浮橋橋體結構架設完成后，沿浮的橋兩側各設置兩條斜向剛性拉鎖與地面連接，為浮橋整體發生側移留有安全儲備。

3 戰備浮橋結構承載能力分析

3.1 有限元模型的建立

基于天山公路K630泥石流淤埋路段工程情況，建立相應泥石流淤埋戰備浮橋有限元模型，模型尺寸長為20 m，寬為3.6 m，分為5個橋跨，戰備浮橋承載墩采用三維有限應變LINK180單元模擬，橫縱連系桿采用BEAM188模擬，橋面板采用SHELL63單元模擬。泥石流淤埋戰備浮橋整體有限元模型如圖4所示。

單塊橋面板尺寸為2 m×0.9 m×0.08 m，與下部連系桿剛性連接，其材料參數中彈性模量為3.776E+09Pa，泊松比為0.16。整個戰備浮橋結構設計采用連續體系，橫縱連系桿在節點處剛性連接，其截面尺寸設計為標準22a工字鋼，彈性模量為2.08E+11Pa，泊松比為0.16。承載墩在泥石流淤埋體中可以隨著外部荷載的變化進行沉浮，其受到泥石流淤埋體對它的承載力和浮力的疊加作用。泥石流淤埋體承載力會隨著固結時間的增加而變大，新近淤埋體承載力最小。該文模擬泥石流戰備浮橋最不利情況下的結構穩定性，故不考慮泥石流淤埋體承載力作用，將其作為安全儲備。承載墩與連系桿節點處不限制Uz方向位移，讓其可以自由沉浮。承載墩材料參數中泊松比為0.16，彈性模量考慮到其所受浮力作用，其值為1.71E+05Pa。

3.2 橋面板承載強度分析

橋面板采用耐腐蝕性較強的PVC木塑板，其物理力學參數如表1所示。

單塊橋面鋪裝板長為2 m，寬為0.9 m，泥石流淤埋戰備浮橋設計載重為10 t，車輛移動荷載布置在以浮橋中心線為對稱軸、間距為1.8 m的兩個a×b的矩形區域內。由于單塊橋板尺寸較小，荷載壓應力遠遠小于板的抗壓強度，故只需對橋面板的抗彎性能進行分析。單塊橋面板的最大彎曲應力為σ1為：

MPa

橋面板最大彎曲應力σ1小于PVC木塑板的抗彎強度，故橋面板承載強度滿足要求。

3.3 橫縱連系桿受力分析

戰備浮橋橫縱連系桿采用型號為22a的Q345標準工字鋼，橫縱連系桿以剛接形式連接。橫向連系桿主要起到連接承載墩，提高浮橋整體穩定性的作用。由于浮橋橋面板是單向受力板，其將大部分外部荷載傳遞給縱向連系桿受力，橫向連系桿受力較少，故應對縱向連系桿進行受力分析來驗證連系桿整體的承載能力。

浮橋整體有6根縱向連系桿組成的承載梁，將其編號為1～6號縱梁，呈對稱性，圖5為1/4橋長處1～3號縱梁的應力影響線。

橋面板所施加汽車荷載位置與2、4號縱梁位置較符合，2、4號縱梁較其他縱梁承受更大荷載值，其相應的應力峰值也是最大的，與圖5中應力影響線相一致。圖6為2號縱梁相應點處的應力影響線，可以看出車輛荷載作用位置處其縱梁應力達到峰值。浮橋起點處所受應力峰值較小，隨著位置點向橋中推移，其相應的應力峰值逐漸增大，在1/4橋長處達到最大，之后應力峰值有輕微回落。分析得出，2號縱梁1/4橋長所受應力為全部連系桿中的應力峰值，其值為σ2=177.03 MPa。σ2遠遠小于連系桿選用Q345鋼的屈服強度，故戰備浮橋橫縱連系桿滿足承載力要求。

3.4 浮橋整體穩定性分析

承載墩是泥石流淤埋戰備浮橋的核心所在，各個承載墩的沉浮情況直接影響浮橋的整體穩定性。由于橫向連系桿與承載墩的剛性連接作用，將橫向每排3個承載墩可看成一個整體，其沉浮情況基本一致。圖7為車輛荷載作用在不同位置時各排承載墩和橋中處的位移影響曲線。

由圖7可知，車輛荷載作用在浮橋起點時，第一排承載墩起主要作用，其下沉深度最大，達到0.41 m，其余各排承載墩參與作用較少。隨著荷載向橋中位置的推移，各排承載墩承載作用逐漸明顯，受力較平均，其最大下沉深度穩定在0.33 m左右。分析可知，車輛荷載作用在浮橋起點處時，浮橋整體穩定性最差，承載墩最大淤埋深度為0.41 m。

泥石流淤埋戰備浮橋采用剛接體系，其縱向坡度較小，可不考慮其對浮橋穩定性的影響。承載墩高為0.8 m，安全系數取為0.8，其允許最大淤埋深度為0.64 m，大于最大下沉深度0.41 m，故泥石流承載墩滿足承載力要求。

通過上述對承載墩、連系桿以及橋面板結構承載力的分析，表明泥石流淤埋戰備浮橋結構安全穩定，可以很好地應用在大型泥石流淤埋道路后的應急搶險中，大大減少泥石流阻斷交通的時間。

4 結論

（1）依托天山公路K630泥石流淤埋路段工程實例，提出一種泥石流淤埋戰備浮橋應急通行結構，其主要由承載墩、連系桿、橋面板和橫向拉索等部分組成。

（2）承載墩是泥石流淤埋戰備浮橋核心所在，其下部防側傾穩定裝置可以通過改變高度來調整承載墩的抗傾覆能力。

（3）基于ANSYS有限元分析平臺，對泥石流戰備浮橋結構承載能力進行分析。結果表明戰備浮橋整體及細部構造均滿足承載力要求，可以很好地應用在大型泥石流淤埋道路搶險應急通行中。

參考文獻

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