泥石流沖擊橋梁2019年度研究進展

姚昌榮 王友彪 李亞東 強斌 劉賽智

摘 要：隨著中國經濟建設的發展，山區公路、鐵路橋梁越來越多，其中有很大一部分位于不良地質區。泥石流災害及其誘發的次生災害是山區橋梁主要災害之一，即將開建的川藏鐵路橋梁工程也面臨泥石流的威脅。當前，對泥石流沖擊橋梁結構方面的研究相對較少，為促進對該方向更加深入的研究，綜述了近兩年關于泥石流沖擊橋梁研究的新進展，從研究方法、泥石流沖擊力以及橋梁防災3個方面進行回顧總結。研究發現，在泥石流沖擊橋梁研究方面，應跨學科聯合研究，對多個泥石流損壞橋梁的案例進行研究，結合試驗和數值模擬制定簡化的泥石流沖擊橋梁結構的荷載分布形式，并進一步研究大塊石對橋梁結構的作用，加強對泥石流中塊石沖擊作用的研究。

關鍵詞：泥石流;沖擊力;橋墩;數值模擬;水槽試驗

中圖分類號：U445.7 ? 文獻標志碼：R ? 文章編號：2096-6717（2020）05-0028-09

收稿日期：2020-04-03

基金項目：四川省重點研發項目（2019YFG0460）;國家自然科學基金（51478400）

作者簡介：姚昌榮（1974- ），男，博士，副教授，主要從事橋梁地質災害防控、鋼結構穩定與疲勞、健康監測及施工控制研究，E-mail：chryao-1016@163.com。

Received：2020-04-03

Foundation items：Sichuan Science and Technology Program （No. 2019YFG0460）; National Natural Science Foundation of China （No. 51478400）

Author brief：Yao Changrong （1974- ）， PhD， associate professor， main research interests： geological disaster prevention and mitigation of bridge engineering， stability and fatigue of steel structure， health monitoring and construction control of bridge structure， E-mail： chryao-1016@163.com.

Abstract： With the development of national economic construction， there are more and more mountain highway and railway bridges， and a large part of them are locate in bad geological areas. Debris flow disasters and the secondary disasters induced by them are one of the major disasters of mountain bridges. The upcoming Sichuan-Tibet railway bridges will be also faced the threat of debris flow. At present， there are relatively few studies reviewed three aspects of the influence of debris flow impacting bridges at home and abroad. In order to promote more in-depth research in this direction， this paper briefly reviews the three aspects of debris flow impacting bridges at home and abroad in the past two years， including research methods， debris flow impact force and bridge disaster prevention.Finally， it was proposed that interdisciplinary joint research should be conducted in the study of debris flow impact bridges. Multiple cases of debris flow damage bridges should be studied. The simplified debris flow impact bridge structure load should be combined with tests and numerical simulations. The focus should be on the effect of large stones on the bridge structure and strengthen research on the impact of debris flow.

Keywords：debris flow; impact force; bridge piers; numerical simulation; flume experiment.

泥石流是山地和丘陵地區常見的地質災害之一，具有爆發突然、歷時短暫、能量大等特點，嚴重威脅到人民群眾的生命和財產安全。泥石流會對橋梁造成嚴重的破壞，如利子依達溝泥石流事故，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”強降雨特大山洪泥石流被國家應急管理部[1]列為2019年全國十大自然災害之一，阿壩州爆發數十處泥石流，導致多條公路受損嚴重，多座橋梁被泥石流損毀。

隨著中國西部經濟日益發展，山區植被破壞，自然環境惡化，短時強降雨極端事件頻發，大地震誘發大量次生山地災害，種種原因加劇了泥石流的發生。同時，中國在西部山區規劃了大量的鐵路、公路線路，大量橋梁不可避免地穿越泥石流多發區域。研究泥石流沖擊橋梁，厘清橋梁在泥石流作用下的破壞機理，提出合理的減災措施，對西部地區的發展建設有重要意義。

“泥石流沖擊橋梁”這一研究課題同時涉及橋梁結構和巖土兩個專業方向，是新興的研究領域，并逐步成為熱點研究方向。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3個方面的研究進行回顧。

1 研究方法

野外調查、室內試驗和數值模擬是研究泥石流沖擊橋梁的3種常用方法。野外調查可以獲得第一手資料，分為區域調查和溝谷調查。野外調查除常規方法外，近年也發展了一些新的技術手段，如GPS（北斗）、航空遙感、激光掃描、無人機等[2-4]多技術融合的現場勘察方法。而室內試驗和數值模擬方面，近兩年也取得了較大進展。

1.1 室內試驗

由于泥石流的發生具有偶然性，要在泥石流發生現場測得泥石流沖擊力實屬不易，為此，1961年，中國科學院在有“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。相比于野外試驗，室內試驗更容易開展，而且可以按照不同的配比組合進行有針對性的試驗，是目前絕大多數泥石流研究的方式。泥石流沖擊試驗是通過在泥石流槽內或出口布設壓強傳感器進行，泥石流沿水槽沖擊到傳感器上，從而測得沖擊壓強，缺點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個壓強傳感器，測量泥石流沖擊壓強在橋墩上的分布。該試驗水槽總長度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，試驗測得了很多有價值的數據。但是，一般的試驗水槽規模都較小，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，很難測到有用的數據。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沖擊瞬時效應，效果較好。因為一般泥石流沖擊試驗測得的壓強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，測點的壓強只能代表該點的值，而泥石流的沖擊力分布本身不均勻，因此，難以準確地計算沖擊合力的大小。該試驗除了得到壓強外，還采用合力傳感器測得泥石流沖擊的合力，可以更準確地計算橋墩沖擊效應。

為了能夠準確地測試迎流面上的壓力分布，劉道川等[8]在實驗中采用SPI TACTILUS內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，實現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構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，該傳感器測點密度可達到20點/cm2。

1.2 數值模擬

泥石流是由水、土、砂、石等材料組成的復雜多相流體，其物理運動和動力學特征都非常復雜，結合泥石流沖擊試驗開展數值模擬是探究泥石流復雜運動現象背后的機理、展示泥石流沖擊作用過程的一種有效研究手段。為了準確模擬泥石流的沖擊作用過程，選擇合適的泥石流運動模型至關重要。目前已有多種泥石流運動模型，如單相的庫倫混合模型[9]、庫倫非牛頓流體模型[10]，兩相的庫倫非牛頓流體模型[11]、顆粒牛頓流體模型[12]等等。根據假設不同，這些模型考慮的物理作用不同，描述的物理現象存在差異。Pudasaini等[13]提出了三相的粗顆粒細顆粒黏性流體模型（圖2）：粗顆粒代表泥石流中的大塊石，用庫倫塑性模型表示;細顆粒代表泥石流中的砂子，用隨剪切和壓強改變的塑性主導粘塑體表示;黏性流體代表泥石流中的水和粘土混合物，用黏性主導的流變參數表示。

從工程角度出發，選擇可靠、穩定、高效的數值模擬方法對泥石流沖擊橋梁更有實際應用價值。Wang等[7]基于有限體積法（FVM）采用開源軟件OpenFOAM對泥石流沖擊不同截面形狀的橋墩進行研究。Zhan等[14]用光滑粒子流動力學（SPH）方法模擬顆粒流沖擊結構體，該方法可模擬顆粒流動、流固耦合以及結構的變形和應力。Luo等[15]基于任意拉格朗日歐拉方法（ALE）使用軟件LS-DYNA對泥石流沖擊作用下房屋的破壞進行研究。陳庭宇[16]基于離散元方法（DEM）模擬分析滑坡體對橋墩的沖擊作用，并用試驗驗證。為了準確模擬泥石流中漿體和固體顆粒的物理性質，研究者常把泥石流和結構分別用不同的方法進行模擬，然后進行耦合計算分析。Liu等[17]使用DEM和有限元（FEM）耦合的方法研究碎屑流沖擊柔性攔擋網，其中碎屑流用DEM模擬，攔擋網用FEM模擬。柳春[18]用SPH模擬泥石流漿體和大塊石，用FEM模擬結構研究泥石流沖擊攔擋壩。這些數值模擬研究提升了對泥石流結構相互作用的理解。

2 泥石流沖擊橋梁結構研究

2.1 沖擊力

雖然泥石流成分復雜，其運動難以準確描述，但從橋梁結構分析來看，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，相應的沖擊力可分為漿體沖擊壓強和大塊石撞擊力。

黃遠紅等[19]進行了稀性泥石流沖擊力水槽試驗，結果表明，泥石流沖擊壓強概率密度函數隨機分布函數符合Log-Logistic形式，函數變量與粗顆粒最大粒徑有關。王東坡等[5， 20]的水槽試驗研究表明，泥石流的沖擊壓強可表達為弗汝德數Fr或雷諾數Re的冪函數形式，在豎向分層，且與泥石流的類型（稀性、粘性）相關。劉道川等[7]的水槽試驗表明，泥石流的沖擊壓強需要考慮爬高因素的影響。王友彪等[21-22]通過一系列試驗，得出泥石流的沖擊合力系數受到泥石流流動形態、截面形狀的共同影響;并采用OpenFOAM模擬泥石流水槽試驗過程，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，發現泥石流漿體產生的沖擊力可簡化為剪切層、栓塞層和爬高層3層（圖4）[21];在此基礎上，進一步采用OpenFOAM模擬分析了長174.5 m、寬19.5 m的“足尺模型試驗”（圖5）[21]。

泥石流漿體沖擊壓強用動壓強或靜壓強形式表達，大塊石的撞擊力可用Hertz理論計算[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]進行了水槽試驗和DEM數值模擬研究，當顆粒粒徑流動深度（δ/h）大于0.9且Fr小于3.5時，應考慮使用彈性碰撞理論求解。Song等[25]進行了泥石流離心機試驗，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，認為h=δ/0.6可作為臨界粒徑判斷標準。文獻[26]進一步對柔性攔擋網進行含大塊石的泥石流離心機試驗，結果表明，柔性攔擋網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設計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行了數值模擬，認為漿體與塊石的耦合加大了塊石單獨作用時的撞擊力。

2.2 結構響應

泥石流沖擊作用下結構的響應分析既可通過泥石流結構耦合模型[27-28]，又可通過將泥石流沖擊力施加到結構模型上進行[29-30]。文獻[31-34]使用LS-DYNA進行數值模擬，研究泥石流中大塊石沖擊下新型泥石流攔擋壩、樁林、圓鋼管等結構的響應，對破壞機理進行探討。Luo等[15]和Li等[34]均對框架房屋結構在泥石流沖擊下的響應和破壞機理進行研究。張迅等[35]提出了一種泥石流簡化荷載模型，并將其施加到一座多孔簡支梁無砟軌道鐵路橋數值模型上，研究泥石流沖擊作用下橋梁結構和軌道的動力響應;張迅等[36]進一步建立了列車軌道橋梁系統數值模型，對泥石流沖擊作用下的列車行車安全性進行研究[37]。研究泥石流沖擊橋梁中的橋梁對象多為簡支梁橋或剛構橋這種有橋墩支撐的橋梁，主要研究泥石流沖擊橋墩的作用。而文獻[38]則以石拱橋為研究對象，系統地分析了作用在石拱橋上的泥石流橫向沖擊力，并進行室內拱橋縮尺模型試驗（圖6），測試泥石流沖擊作用下石拱橋結構的響應。分析泥石流沖擊作用下橋梁結構的響應，首先要選擇合適的沖擊荷載分布模式（包括沖擊力大小及其分布，以及隨時間的變化規律），其次要分析沖擊荷載作用下橋梁結構的整體響應，將來可以考慮分析更為復雜的橋梁結構形式在泥石流沖擊作用下的綜合響應。

3 泥石流減災

3.1 易損性分析

易損性這一概念廣泛地應用于各類自然災害研究，如地震[39]、洪水[40]、海嘯[41]、颶風[42]、滑坡[43]、泥石流[44]等。易損性結果可為自然災害風險評估提供依據，為政策制定者的規劃提供支持，是減災的重要手段。

過去，針對泥石流易損性的研究多基于歷史數據或專家判斷，研究的結構對象也多為房屋建筑[45]。近年來，對橋梁結構應用理論分析的易損性研究逐漸展開。陳希虎[46]采用灰色系統評價模型對都汶公路上9座橋梁的泥石流災害易損性進行研究，結合橋梁所處的環境、泥石流災害影響以及人類活動評價各座橋梁的易損性，并提出相應的防治對策。在評價指標體系上主要考慮泥石流本身，橋梁結構方面也僅是針對橋梁結構類型、長度、孔度、橋下凈空、墩臺結構等形式的參數，并沒有涉及橋梁受泥石流沖擊的響應。Dagá等[47]基于15座橋梁過去50年內所受到的火山泥石流沖擊數據，使用流動深度作為泥石流強度指標，研究火山泥石流沖擊作用下橋梁結構的易損性，指出橋梁的破壞模式更可能為由橋墩或橋臺傾覆引起的梁體掉落，而不是梁體被直接推移。Liang等[48]進行了150個工況的有限元模擬，將損傷指標定義為橋墩上部相對位移，計算分析了雙柱帶蓋梁橋墩在泥石流沖擊作用下的易損性曲線，易損性為對數正態分布形式。Yan等[49]同時考慮了泥石流和結構的不確定性，破壞指標基于彎矩墩頂位移曲線，得到了粘性和稀性泥石流沖擊作用下的單柱墩易損性曲線。文獻[48-49]用實例說明損傷指標的選擇，具體選擇什么樣的指標來評估泥石流沖擊橋梁結構的易損性，則還需要根據不同的橋型和泥石流沖擊的特性來確定。

3.2 結構防護

為減輕泥石流帶來的橋梁災害，可在橋梁周圍或橋墩上設置排擋結構進行防護。在泥石流溝底設置橫向護道（排導溝）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]研究了橫向護道的外形對防護效果的影響，認為減小護道寬度能增加泥石流流速，從而避免橋下淤積和淤積導致的泥石流漫過橋面現象。在泥石流溝內設置樁林能將泥石流中的大塊石攔截在上游，避免對下游橋梁結構的撞擊。張萬澤等[32]研究了典型品字形樁林結構在大塊石撞擊下的破壞機理，為類似防護結構的合理設計提出建議。

更多防護相關的研究集中在橋墩防撞技術上。王東坡等[51]研究了5種不同結構形式夾芯板的力學性能，其中，Ⅲ型結構形式可以吸收更多能量而被應用于實際橋墩防護工程。Lu等[52]將泡沫鋁應用在框架結構房屋中，結果表明，泡沫鋁加固后的框架結構存在雙重保護機制：泥石流沖擊力小時，完全吸收沖擊能量;沖擊力足夠大時，泡沫鋁被反復的沖擊力強化，限制住包裹在其中的混凝土，從而提高框架結構的承載能力。蒲黔輝等[53]提出一種正六邊形多胞結構，并在每個正六邊形蜂窩結構中加入圓形鋼管，采用ANSYS LS-DYNA軟件進行仿真分析計算，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，也可以采取被動防護。主動防護就是疏導，避免泥石流沖擊橋梁結構，如排導[50]和樁林結構[32];而被動防護是在橋墩上添加防撞設施，減小沖擊力對橋梁結構的作用，如文獻[52-55]。這兩種方式是目前主要的防護手段。

4 結論

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，室內模型試驗及野外試驗相結合;新型傳感器和各種數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構分析使用;橋梁結構的響應分析全面展開。結構防災方面，易損性研究從歷史經驗判斷進入到數值模擬;新的防護措施不斷涌現。

后續研究可以從幾個方面開展工作：

1）開展廣泛的跨學科合作，土木學科應與地球學科加強聯系，從野外調查、泥石流物理模型、橋梁結構分析等方面開展交流。

2）調查分析泥石流區橋梁沖毀事故，結合數值模擬探究泥石流沖擊作用下橋梁結構的破壞機理，做到數值分析結果與野外調查事故案例一一對應。

3）通過泥石流沖擊橋墩試驗，采集足夠多的沖擊力數據，分析不同特性泥石流沖擊橋墩的力的特性，在此基礎上制定適合橋梁結構的泥石流荷載標準，為泥石流區橋梁結構設計計算提供依據。

4）泥石流中大塊石對橋梁結構的沖擊力有時甚至大于漿體的沖擊力，是導致橋梁結構損壞的主要因素，后續可對泥石流中大塊石的運動規律及其與橋梁結構的耦合作用進行研究。

5）在泥石流災害作用下，對橋梁結構的易損性方面繼續深入研究，達到快速評估橋梁安全性的目的。參考文獻：

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（編輯 章潤紅）