尾礦庫潰壩對下游高速公路橋梁的損傷和滑動破壞評估

鄧金鵬 宋英華 胡少華 李墨瀟 周虹延 閆 嶄

(武漢理工大學安全科學與應急管理學院,湖北 武漢 430070)

高速公路作為我國十四五規劃中的重點建設內容,其對國家的飛速發展和社會經濟的快速提升都有著至關重要的作用。但隨著國內高速公路網覆蓋范圍及建設里程的持續增長以及礦業水平的不斷提高[1],導致高速公路和尾礦庫二者在地理空間位置上不可避免地發生交集,一旦尾礦庫發生潰壩,下瀉的潰壩尾砂泥石流將對下游高速公路的安全帶來巨大的危險。2022年3月27日17時左右,位于山西省呂梁市交口縣溫泉鄉的山西道爾鋁業有限公司一尾礦庫發生潰壩[2],大量褐色泥漿沖垮下游廠區大段圍擋涌上高速公路阻斷交通,致使周圍居民出行受阻并給后續清淤工作帶來極大困難。2006年4月30日18時40分,鎮安縣黃金礦業有限責任公司對其尾礦庫實施第六期加壩增容施工時,部分主體壩突然垮塌,尾礦漿瞬間奔涌而下,將壩下40間房屋與臨近的高速公路路段全部淹沒,淤積深度達3 m,公路路基嚴重受損。因此,開展潰壩尾砂泥石流對下游高速公路的損傷評估具有非常重要的意義。

目前,國內研究主要集中在泥石流對高速公路的損傷評估和尾礦庫潰壩后果分析,而針對潰壩尾砂泥石流對下游高速公路的損傷評估研究相對較少。楊銘[3]以被泥石流沖刷破壞的高速公路橋梁墩臺為研究對象,分析了泥石流對于橋梁墩臺地基的掏蝕機理以及沖刷坑形成后橋梁上部結構穩定性的變化,并通過相關工程實例的計算,驗證了該破壞機制的合理性。魏學利等[4]結合公路泥石流活動特點和公路等級安全要求,提出基于危險性的公路泥石流工程防治原則,并在總結分析我國西部山區公路的泥石流防治經驗基礎上,探討不同防治分類下公路泥石流防治模式。林小莉等[5]基于無人機航測生成的高精度數字高程模型(DEM)數據,采用深度積分的Massnow數值分析方法,對新疆某山區尾礦庫進行潰壩數值模擬,分析了尾礦庫礦砂運動路徑、淹沒區域及沿程堆積情況。李火坤等[6]利用Flow3D軟件模擬某尾礦庫逐漸潰壩時潰口隨時間的變化過程以及潰壩后尾礦砂的淹沒范圍。張珂等[7]根據尾礦庫潰壩特征,引入泥石流水力計算對尾礦庫潰壩事故進行計算模擬,并將模擬結果與GIS工具耦合,從空間層面對潰壩事故進程和產生的影響進行動態預測和展示,建立尾礦庫潰壩事故預警體系,為下游人員疏散工作提供指導。

由于潰壩尾砂泥石流既與水不同,也與一般的自然界泥石流不同,他是介于二者之間的一種顆粒相對均勻的砂-水混合物漿體,其流動性質及變化特性十分復雜[8],單純依托泥石流領域的研究成果可能會造成潰壩尾砂泥石流對下游高速公路的損傷評估出現偏差。因此,本文基于尾礦庫潰壩數值模擬并結合泥石流領域的損傷和滑動破壞研究,建立潰壩尾砂泥石流對下游高速公路橋梁的損傷和滑動評估模型。通過尾礦庫潰壩數值模擬,確定高速公路橋墩前潰壩尾砂泥石流的速度和深度變化,最后從橋梁損傷、橋梁滑動兩個方面進行綜合評估,以期為評估潰壩尾砂泥石流對下游基礎交通設施的損傷提供一些參考。

1 評估方法

1.1 問題描述

在尾礦庫下游影響范圍內的高速公路大多以跨徑橋梁形式存在,其結構一般分為上部結構、下部結構(橋墩與基礎)以及附屬結構三部分,潰壩尾砂泥石流對高速公路橋梁造成損傷主要是由于對橋梁下部結構的沖擊和局部沖刷。高速下瀉的潰壩尾砂泥石流波頭擾動劇烈沖擊力較強[9],在流經下游高速公路時受橋墩阻礙將自身動能轉化為沖擊勢能對橋墩造成損傷;同時伴隨著潰壩尾砂泥石流流場的急劇變化,產生強紊動和高流速的局部三維水流和漩渦刨蝕橋墩基礎周圍土壤,對橋墩基礎造成侵蝕破壞,進而導致整個橋墩結構失穩從而發生橫向移動。潰壩尾砂泥石流的沖擊和局部沖刷如圖1所示。

圖1 潰壩尾砂泥石流沖擊和局部沖刷Fig.1 Dam break tailings debris flow impact and local erosion

1.2 評估流程

本文首先依據無人機航測的尾礦庫及其周圍地形的三維點云數據建立尾礦庫三維數值模型,然后利用三維流體計算軟件對尾礦庫進行潰壩數值模擬,確定高速公路橋墩前潰壩尾砂泥石流的速度和深度變化情況,最后基于數值模擬結果從橋梁損傷、橋梁滑動兩個方面綜合評估潰壩尾砂泥石流對下游高速公路的損傷情況。評估流程如圖2所示。

圖2 橋梁損傷和滑動評估流程Fig.2 Bridge damage and slip assessment process

1.3 評估模型構建

1.3.1 高速公路橋梁損傷評估

1.3.1.1 橋墩損傷評估

(1)結構損傷評估。通過計算橋墩最大抗剪強度和潰壩尾砂泥石流最大沖擊力,將二者進行大小比較來定量評估橋墩的結構損傷。橋墩抗剪強度[10]計算公式如下:

式中,νn為橋墩抗剪強度;νc為混凝土提供的剪力;νs為鋼筋提供的剪力。

其中,鋼筋提供的抗剪力νs分為矩形截面與圓形截面兩種形式,即

式中,Av為平行于剪切方向的箍筋面積;Ah為單肢箍筋的截面積,Ah=0.758 4×d″2;d為計算方向上箍筋的肢距;d″為圓形箍筋的直徑;s為箍筋間距;fy為箍筋的抗拉強度設計值。

混凝土提供的抗剪力νc采用美國Cal-trans規范公式進行計算:

式中,f'c為混凝土抗壓強度標準值;Ae為橋墩截面有效剪切面積,取Ae=0.8×Ag,其中Ag為橋墩截面面積;k1=0.025≤+0.305-0.083μd＜0.25;其中ρs為配箍率,fyh為縱筋的抗拉設計強度,ud為縱筋配筋率;k2=1+＜1.5,其中N為截面軸向力。潰壩尾砂泥石流沖擊力依據《泥石流災害防治工程設計規范》[11]進行計算:

式中,γc為潰壩尾砂泥石流容重,kg/m3;λ為橋墩迎流面形狀系數(圓形墩取1.0,矩形墩取1.33);ν為潰壩尾砂泥石流流速,m/s;α為橋墩受力面與潰壩尾砂泥石流夾角;h為潰壩尾砂泥石流深度,m;b為橋墩直徑,m。

(2)功能損傷評估。功能損傷的結構狀態方程表示為

式中,Mu為橋墩的抗彎承載力;M為橋墩所受的最大彎矩。

橋墩的抗彎承載力根據《混凝土結構設計規范》[12]導出:

式中,fc為混凝土軸心抗壓強度設計值;N為墩柱軸向力;An為截面凈面積;Wnx為面內凈截面模量;γx為截面塑性發展系數;As為縱筋的截面面積總和;h0為截面有效高度;fy為縱筋屈服強度。

橋墩所受的最大彎矩參考謝中友等[13]提出的方法對側向加載下橋墩內力進行簡化,具體公式為

式中,H為橋墩總高;h為沖擊點高度;F為泥石流沖擊力。

1.3.1.2 橋墩基礎損傷評估

通過計算出潰壩尾砂泥石流局部沖刷最大深度,將其與橋墩基礎的埋置深度進行比較來定量評估橋墩基礎損傷結果。局部沖刷深度計算分為非粘性土和粘性土兩類,依據《公路工程水文勘測設計規范》[14]中公式進行計算。

(1)非粘性土局部沖刷深度計算公式:式中,Kξ為橋墩修正系數,圓形墩柱取1;B1為橋墩計算寬度,m;為河床顆粒影響系數;V'0=;V為一般沖刷后的垂線平均流速,由尾礦庫潰壩數值模擬得到。

(2)粘性土局部沖刷深度計算公式:

式中,IL為沖刷坑范圍內粘性土液性指數,適用范圍為0.16～1.48;hp為一般沖刷后的最大水深(由尾礦庫潰壩數值模擬得到)。

1.3.2 高速公路橋梁滑動破壞評估

橋梁滑動破壞根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》[15]計算其穩定系數進行判定。

式中,kc為橋墩基礎的抗滑動穩定性系數;∑Pi為豎向力總和;∑HiP為抗滑移水平力總和;∑Hia為滑動水平力總和;μ為基地與地基土的摩擦系數。

2 工程應用

2.1 工程概況

銅山口尾礦庫位于湖北省大冶市周家園尾礦庫西側,為傍山型尾礦庫。尾礦庫主壩初期壩為黏土壩,壩頂標高499 m,壩高70 m,壩頂寬度4 m,設計總庫容1 609.32萬m3。尾礦庫的東南面和南面兩面為山,北面和西面由筑壩補缺形成,在下游直線距離尾礦庫1.5 km處存在一條雙向四車道的蘄嘉高速公路,路寬26 m。尾礦庫西面壩體下方存在有一條自東南到西北走向的S形溝谷,壩腳下游區域溝谷寬度最窄,平均寬度僅為100 m,溝谷一直向下延伸到蘄嘉高速公路且靠近高速公路溝谷逐漸變得開闊平坦,谷中平均寬度漸增至200 m,位于溝谷路段的高速公路長約195 m,路下墩高10 m,直徑1.8 m,采用串列式雙圓墩設計,尾礦庫與高速公路位置衛星云圖如圖3所示。

圖3 尾礦庫與高速公路位置衛星云圖Fig.3 Satellite cloud image of tailing pond and expressway location

2.2 尾礦庫潰壩數值模擬

2.2.1 數值模型建立

基于無人機遙感測繪技術獲取銅山口尾礦庫和蘄嘉高速公路地形數據,將數據轉化為stl格式后,導入三維流體計算軟件,建立如圖4所示的尾礦庫三維數值模型。出于研究目的考慮,工況越危險對研究的指導意義越大,因此,在尾礦庫西面壩頂中部位置預制一個寬30 m,深2 m的潰口(圖4),引導尾礦庫潰壩模擬向最危險工況發展,潰壩計算總時長約687 s。潰壩泥石流尾砂特征參數如表1所示。

表1 尾砂特性控制參數Table 1 Tailings characteristic control parameters

圖4 尾礦庫潰壩三維數值模型Fig.4 Three-dimensional numerical model of tailings pond dam break

2.2.2 數值模擬結果

潰壩初期,潰壩尾砂泥石流重力勢能轉換為動能使其下瀉速度迅增。潰壩尾砂泥石流的演進過程如圖5所示。t=170 s時,潰壩尾砂泥石流沿S型溝谷到達高速公路,此時潰壩尾砂泥石流還未對高速公路造成影響;t=360 s時,潰壩尾砂泥石流前進受到高速公路橋墩阻礙呈現出不同流態如:沖起攀升、回流、下潛等,并將自身的動能轉化為沖擊勢能對橋墩進行沖擊;同時潰壩尾砂泥石流流場發生急劇變化,產生高流速的局部漩渦如:橫軸旋渦、馬蹄形旋渦等對橋墩基礎進行局部沖刷;t=660 s時,潰壩形勢接近尾聲,潰壩尾砂泥石流流速降低,對橋墩與基礎的沖擊和局部沖刷逐漸減弱,尾砂大量淤積在橋墩附近。

圖5 潰壩尾砂泥石流演進過程Fig.5 Evolution process of dam break tailings debris flow

為監測高速公路橋墩前潰壩尾砂泥石流深度和速度的變化情況,本文提前在受潰壩尾砂泥石流沖擊和沖刷最嚴重的高速公路溝谷路段處橫向均勻布設了4個監測點,如圖6所示。不同時刻高速公路墩前潰壩尾砂泥石流深度和流速變化如圖7、圖8所示。

圖6 監測點布置Fig.6 Layout of monitoring point arrangement

圖7 不同時刻高速公路墩前潰壩尾砂泥石流深度變化Fig.7 Change of depth of dam break tailing debris flow in front of expressway pier at different time

圖8 不同時刻高速公路墩前潰壩尾砂泥石流流速變化Fig.8 Velocity change of dam break tailing debris flow in front of expressway pier at different time

由圖7、圖8可知,潰壩尾砂泥石流流經高速公路時受橋墩阻礙,改變了其原有的流態和流場,使深度和速度二者均呈現出先激增而后受到擾動發生強烈波動的變化狀態。潰壩530 s時墩前潰壩尾砂泥石流深度達到最大為9.66 m;潰壩495 s時墩前潰壩尾砂泥石流速達到最大為3.87 m/s。

2.3 高速公路橋梁損傷評估

2.3.1 橋墩損傷評估

(1)結構損傷評估。① 橋墩抗剪強度計算:高速公路橋墩由C30級混凝土、HRB400級熱軋帶肋鋼筋(縱筋)、HPB300級鋼筋(箍筋)構建而成,《混凝土結構設計規范》規定HPB300級鋼筋的抗拉強度設計值為270 MPa,即fy取270,d″為12,s為150,Ah為113.097 6,代入式(2)得到νs為3.837 kN。規范規定C30級混凝土的抗壓強度標準值為20.1 N/mm2,即f'c取20.1,Ae計算為2.04 m2,代入式(3)得到νc≤3 018.159 kN,由式(1)可知νn≤3 022.032 kN,即橋墩最大抗剪強度為3 022.032 kN。② 潰壩尾砂泥石流沖擊力計算:由上文可知,墩前潰壩尾砂泥石流最大流速為3.87 m/s,最大深度為9.66 m,γc0為1 323(見表1),λ取1,g取9.8,b取1.8,α取5,將數據代入式(4)計算得到ρc為1 118.915 kN。

綜上,潰壩尾砂泥石流最大沖擊力小于橋墩的最大抗剪強度,約為橋墩最大抗剪強度的1/3,故橋墩的結構損傷滿足要求。

(2)功能損傷評估。依據《混凝土結構設計規范》,C30級混凝土的軸心抗壓強度設計值fc為14.3,fy為400,γx取1,Wnx=π×d3/32=0.57,d為橋墩直徑,N=ρc×cos5=1 114.657,An=π×r2=2.54,r為橋墩半徑,As=n×π×r2=3.8×10-3,h0取4.8,H為10,h=h0為4.8,F=N為1 114.657。將各參數取值分別代入式(6)、式(7)中,得Mu為4 252.86,M為2 114.46。由式(5)可知,Z=4 252.86-2 114.46=2 138.4＞0,故橋墩的功能損傷滿足要求。

綜上,在受到潰壩尾砂泥石流沖擊之后,高速公路橋墩的結構損傷和功能損傷均滿足要求。

2.3.2 橋墩基礎損傷評估

尾礦庫下游高速公路位于大冶市,當地的土壤類型主要為馬肝土、青剛土、淀漿土、紅黃土、黃土、雞眼土、砂土等,水田土型多為馬肝土、青剛土、淀漿土,旱地的土型多為黃土、雞眼土,其中,馬肝土分布面積最多,砂土面積最少。因此,大冶市土壤主要以馬肝土為代表的黏土為主,故采用式(9)進行計算,B1為1.8,hp取9.66,Kξ取1,IL基于安全考慮取0.98,V取3.87,計算得最大局部沖刷深度為4.456 m。高速公路橋墩基礎為4 m×4 m×4 m的方形墩臺,其設計埋置深度為8 m,即基礎頂部距離地面的高度為4 m,故一部分橋墩基礎將露出地表受到侵蝕破壞。

2.4 高速公路橋梁滑動破壞評估

高速公路橋梁滑動破壞主要是由于高速公路橋墩及橋墩基礎在受潰壩尾砂泥石流的沖擊和局部沖刷之后導致橋梁失穩,從而產生一定程度的橫向滑動。由式(10)可知,在進行橋梁滑動破壞評估之前需對橋墩進行力學分析,結合上文橋墩受力分析如圖9所示。

圖9 橋墩受力分析Fig.9 Force analysis of pier

圖中的G表示橋墩自身重力,f表示最大靜摩擦力。由前文計算結果可知F=ρc=1 118.915 kN,則F1為1 114.657 kN,F2為97.520 kN,F浮=ρ×g×ν排=318.712 kN,G=2 116.365 kN,μ取0.3,代入式(10),計算出橋墩的抗滑動穩定性系數為1.02,小于規范限值1.2,因此,橋梁有橫向滑動的風險。

3 結 論

(1)提出了將尾礦庫潰壩數值模擬與泥石流相關的損傷和滑動破壞研究相結合的評估方法,并建立潰壩尾砂泥石流對下游高速公路橋梁的損傷和滑動評估模型,可合理評估潰壩尾砂泥石流對下游高速公路的損傷程度,該方法可為類似工程評價提供理論支撐。

(2)經工程實例計算,橋墩的結構損傷和功能損傷均滿足要求,但在橋墩基礎損傷評估中,計算出潰壩尾砂泥石流局部沖刷最大深度為4.456 m大于橋墩基礎頂部距離地面的高度4 m,因此,一部分高速公路橋墩基礎將露出地表受到侵蝕破壞。

(3)在橋梁滑動評估中,計算出橋墩的抗滑動穩定性系數為1.02,低于規范限值1.2,故高速公路橋梁有橫向滑動的風險。