沖擊荷載下梳齒壩支墩厚度對(duì)支墩受力特性的影響分析

黃龍陽(yáng)　王　寧

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院　四川綿陽(yáng)　621010)

泥石流是一種典型的地質(zhì)自然災(zāi)害，其破壞性非常巨大，因此對(duì)泥石流的防治已經(jīng)成為當(dāng)前工程界的重要任務(wù)之一。泥石流一般發(fā)生在多山地區(qū)，是一種含有大量泥沙石塊的固、液、氣三相流體[1]，具有成因復(fù)雜、爆發(fā)突然、破壞性大等特點(diǎn)。目前工程中應(yīng)用的泥石流攔擋結(jié)構(gòu)主要是實(shí)體壩、輕型壩、格柵壩、樁林壩等[2-3]。為防治和減小泥石流的危害，研究開(kāi)發(fā)有效的泥石流防治結(jié)構(gòu)具有重要的意義。

梳齒壩是近年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越多的泥石流攔擋壩，其支墩間可以通過(guò)粒徑較小的碎塊石與水流，而整體能夠阻擋較大的石塊，從而起到攔粗排細(xì)，減小泥石流破壞性能的效果，因此特別適合對(duì)山區(qū)泥石流進(jìn)行攔擋。梳齒壩的應(yīng)用目前主要集中在山區(qū)溝谷型泥石流發(fā)育的地區(qū)。馮佳俊[4]、李德華[5]、袁穎[6]等對(duì)梳齒壩在泥石流治理中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。對(duì)梳齒壩受力特性的分析未見(jiàn)報(bào)道。由于梳齒壩形式較特殊，受力較復(fù)雜，故工程應(yīng)用中梳齒壩支墩尺寸在設(shè)計(jì)時(shí)多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定，缺乏完善的設(shè)計(jì)規(guī)范和計(jì)算理論。

目前工程應(yīng)用中梳齒壩支墩厚度一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，多在1.0～1.5 m，按照擋土墻模型進(jìn)行驗(yàn)算，沒(méi)有考慮泥石流中大石塊作用在支墩邊緣時(shí)形成偏壓使支墩在厚度方向產(chǎn)生較大位移的情況。由于支墩高度一般很高，在厚度方向有較大作用力時(shí)，將形成很大的彎矩和撓度，極易損壞。本文在對(duì)泥石流脈沖形式、沖擊力等運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬。以支墩厚度為變量，分析梳齒壩支墩厚度對(duì)支墩在泥石流沖擊力作用下變形、受力等方面的特性，明確支墩厚度對(duì)其位移、彎矩分布等的影響規(guī)律，為梳齒壩在工程應(yīng)用中結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取提供參考。

1　泥石流主要運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

1.1　泥石流脈沖形式

泥石流脈沖形式體現(xiàn)了泥石流沖擊力大小跟其流速、流量、容重的內(nèi)在關(guān)系，是其動(dòng)力演化的依據(jù)。目前大部分學(xué)者將其分解為泥石流整體沖擊力和大石塊沖擊力的疊加，將泥石流沖擊形式歸為三類[7]，即：尖峰形脈沖、鋸齒形脈沖和矩形脈沖。

尖峰形脈沖泥石流沖擊時(shí)間很短，因此較尖銳的波峰很少，體現(xiàn)了流體中大粒徑顆粒與塊石的碰撞現(xiàn)象，對(duì)建構(gòu)筑物破壞性很大。鋸齒狀脈沖波峰與波谷間起伏較大，呈鋸齒狀，代表流體中大、小石塊相碰撞的疊加現(xiàn)象，若再疊加少量較大孤峰，可看作是個(gè)別大石塊的作用，這種脈沖也最為典型。矩形脈沖沒(méi)有大的波峰波谷，較為平緩，代表流體成分較均一，固體粒徑較小。

1.2　泥石流沖擊力計(jì)算方法

(1)泥石流整體沖擊力

泥石流的沖擊力是工程破壞的直接原因，目前其沖擊力計(jì)算方法主要有流體動(dòng)力法、船筏撞擊法、材料力學(xué)法、彈性碰撞法等。一般根據(jù)兩相流理論，假定泥石流的沖擊力是由泥石流整體沖擊力和泥石流中大塊石的沖擊力疊加構(gòu)成。

泥石流整體沖擊力[8]見(jiàn)式(1)：

(1)

式中，F(xiàn)表示泥石流整體沖擊力，γc表示泥石流容重，Vc表示泥石流平均流速，α表示建筑物受力面與泥石流沖擊方向的夾角，λ表示建筑物形狀系數(shù)，通常圓形建筑取值為1.0，矩形建筑物取1.33，方形建筑物取值為1.47。

(2)泥石流中大石塊沖擊力

泥石流對(duì)構(gòu)筑物的破壞，常常是個(gè)別大石塊沖擊導(dǎo)致，在構(gòu)件截面形成瞬時(shí)超大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，引起結(jié)構(gòu)局部開(kāi)裂，最終發(fā)展成整體破壞。

當(dāng)受泥石流沖擊的構(gòu)筑物為墩、臺(tái)或柱時(shí)，大塊石沖擊力計(jì)算公式[9]見(jiàn)式(2)：

(2)

當(dāng)受沖擊構(gòu)筑物為壩或格柵等時(shí)，沖擊力計(jì)算公式見(jiàn)式(3)：

(3)

式中，F(xiàn)表示泥石流大塊石沖擊力，E表示構(gòu)件彈性模量，J表示構(gòu)件截面中心軸的慣性矩，L表示構(gòu)件長(zhǎng)度，V表示石塊運(yùn)動(dòng)速度，W表示石塊質(zhì)量，α表示塊石運(yùn)動(dòng)方向與構(gòu)件受力面的夾角。

在泥石流對(duì)攔擋壩發(fā)生沖擊的過(guò)程中，泥石流體持續(xù)的沖擊導(dǎo)致攔擋壩疲勞破壞，其所含大石塊的撞擊使攔擋壩產(chǎn)生瞬時(shí)斷裂。大石塊速度根據(jù)其粒徑的不同，一般為十幾到幾十米每秒，故對(duì)于梳齒壩支墩，在大石塊沖擊力下，結(jié)構(gòu)將迅速達(dá)到最大反應(yīng)。

泥石流對(duì)攔擋壩的沖擊作用主要由于大石塊的作用位置與作用數(shù)量不定，故工程應(yīng)用中，通常按照最不利情況，即整個(gè)攔擋壩的迎水面全部按承受大石塊沖擊力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。本文為了與工程實(shí)際相聯(lián)系，使得出的規(guī)律能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用提供參考，因此采用瞬態(tài)分析模擬泥石流對(duì)梳齒壩支墩的沖擊過(guò)程，除了研究支墩在偏壓作用時(shí)局部加載大石塊沖擊力外，其它分析都將較短時(shí)間內(nèi)的石塊沖擊力作用加載在整個(gè)支墩的迎水面進(jìn)行分析。

2　數(shù)值模擬

2.1　建立模型

本文所選案例為2014年瀘定縣杵坭村三叉溝泥石流治理工程中所使用的梳齒形泥石流攔擋壩。三叉溝泥石流爆發(fā)于2005年6月30日，造成6人死亡，毀壞房屋數(shù)十間。流域面積約2.83×104m2，平均厚度約20 m，總方量約17.6×104m3。在蘆山地震災(zāi)后重建工程中，該溝內(nèi)設(shè)置了梳齒壩對(duì)泥石流進(jìn)行攔擋，該梳齒壩設(shè)計(jì)庫(kù)容約0.82萬(wàn)m3，有效壩高7 m，基礎(chǔ)長(zhǎng)17 m。由5個(gè)支墩、6個(gè)溢流斷面與左右兩翼組成。在本文分析中，支墩厚度作為變量，分別為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 m厚，混凝土彈性模量3×104N/mm2,泊松比0.2，模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。根據(jù)案例中泥石流密度1.614 t/m3、平均流速6.4 m/s、石塊密度2.65 t/m3、大石塊直徑2.5 m求得泥石流整體沖擊力為87.44 kPa，大石塊的沖擊力為513.33 kPa。把整體沖擊力簡(jiǎn)化為矩形荷載，把大石塊沖擊力簡(jiǎn)化為集中荷載，通過(guò)疊加得到理想的時(shí)間-沖擊力的關(guān)系曲線，然后通過(guò)兩種工況(圖2)施加于梳齒壩支墩上。

圖1　結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分圖Fig.1　The structure model grid partition map

圖2　沖擊力與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.2　The relation curve of time and impact force

工況一：攔擋結(jié)構(gòu)只受到泥石流的整體沖擊壓力，忽略大石塊的沖擊作用，如圖2(a)。

工況二：攔擋結(jié)構(gòu)受到泥石流整體沖擊壓力的同時(shí)，在6～6.5 s和11～11.5 s施加兩次大石塊的沖擊力，如圖2(b)。

2　結(jié)果分析

2.1　位移時(shí)程曲線分析

提取工況二不同厚度支墩頂部中間節(jié)點(diǎn)Y方向位移繪制時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖3。分析可知，泥石流整體沖擊力下，支墩頂部具有較小的位移，突然施加大石塊沖擊力的瞬間，支墩頂部位移突然增大；當(dāng)大石塊沖擊力消失時(shí)，支墩回彈至之前的位移，并出現(xiàn)小幅度擺動(dòng)后趨于平穩(wěn)。

圖3　工況二下支墩頂部位移-時(shí)間曲線Fig.3　The time-displacement curves of the buttress in Condition Two

2.2　局部大石塊沖擊力下墩身位移分析

當(dāng)大石塊沖擊力作用在支墩邊緣時(shí)，容易在厚度方向形成較大的偏壓，從而使支墩在厚度方向產(chǎn)生較大的位移。大石塊沖擊力作用瞬間墩身各部位在厚度方向的位移情況見(jiàn)圖4。

圖4　支墩X方向位移對(duì)比曲線Fig.4　The displacement curves of buttress in the X direction

從圖4可知，同一支墩，由于底部為嵌固端，位移為零，隨著高度的增加，墩身位移增大，即支墩頂部，懸臂端在X方向的位移最大。厚度為0.5 m的支墩，其墩身各部位的位移明顯大于其他厚度支墩的位移。2.5 m厚支墩到1.0 m厚支墩，X方向的位移變化很平緩，但從1.0 m厚支墩到0.5 m厚支墩，支墩頂部X方向的位移變化很大。說(shuō)明在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，梳齒壩的支墩厚度不宜小于1.0 m，若小于1.0 m，在泥石流大塊石作用下產(chǎn)生的位移將會(huì)很大。

2.3　墩身彎矩對(duì)比

梳齒壩支墩可看做是一個(gè)倒置的變截面懸臂梁構(gòu)件，在泥石流大石塊沖擊力作用下，墩身內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生剪力與彎矩。不同厚度支墩在整個(gè)迎水面作用大石塊沖擊力時(shí)的彎矩變化見(jiàn)圖5。

圖5　墩身彎矩對(duì)比曲線Fig.5　The bending moment curves of buttress

從圖5可以看出，不同厚度支墩墩身彎矩均是固定端最大，隨著墩身高度的增加，彎矩逐漸減小，在4.5～5.0 m之間出現(xiàn)反彎點(diǎn)，即墩身高度2/3處，之后彎矩變?yōu)樨?fù)值，在支墩頂部彎矩又趨于零。墩身的負(fù)彎矩可能是因?yàn)橹Ф沼嗣娴氖芰κ谴怪庇谟娴模瑢?duì)支墩軸向形成了一定的壓力引起的，因?yàn)檫@個(gè)負(fù)彎矩較小，故對(duì)整個(gè)支墩影響較小。

另外，從圖5可以看出，對(duì)于不同厚度的支墩，隨著支墩厚度的增加，支墩固定端的彎矩呈遞增的趨勢(shì)，但各種厚度支墩的反彎點(diǎn)均在4.5 m高度附近，且各種厚度支墩頂部彎矩均接近于0。對(duì)于隨著支墩厚度增大墩身截面彎矩增大的現(xiàn)象，主要是由于當(dāng)支墩厚度增大時(shí)，其迎水端面面積增大，即受力面增大，當(dāng)力與其他條件不變時(shí)，隨著支墩厚度，即截面的增大時(shí)，彎矩值自然會(huì)增大。

3　結(jié)論

本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)泥石流沖擊荷載下不同厚度梳齒壩支墩的受力性能進(jìn)行了分析對(duì)比，得到以下結(jié)論：(1)對(duì)梳齒壩支墩產(chǎn)生較大位移與應(yīng)力的是泥石流中大塊石沖擊力。(2)當(dāng)大塊石沖擊力作用在支墩邊緣時(shí)，會(huì)對(duì)支墩厚度方向產(chǎn)生很大位移，如果支墩厚度過(guò)小，本文中小于1 m后，將使支墩厚度方向的位移明顯增加。(3)大塊石沖擊力作用下，支墩底部彎矩最大，沿墩身高度逐漸減小，在支墩2/3高度左右出現(xiàn)反彎點(diǎn)，直到支墩頂部彎矩為零。

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