具有自复位功能的泥石流拦挡坝抗冲击性能

王秀丽++高芳芳++张嘉懿++韩志平

摘要：为了解决泥石流拦挡坝在泥石流发生时容易被大块石损毁的问题，提出了一种具有自复位功能的泥石流拦挡坝，并采用钢球代替泥石流中的大块石，运用有限元软件ABAQUS对其进行冲击模拟，从坝体的变形、支反力、位移、加速度等方面与普通重力式泥石流拦挡坝进行了对比分析。结果表明：自复位拦挡坝较普通重力式泥石流拦挡坝有良好的抗冲击性能，其应力小且分布比普通重力式泥石流拦挡坝更均匀，支反力和加速度较普通重力式泥石流拦挡坝有显著降低，位移略大于普通重力式泥石流拦挡坝。

关键词：自复位；泥石流拦挡坝；抗冲击性能；ABAQUS；数值模拟

中图分类号：TV642.3 文献标志码：A

0 引 言

泥石流是地质不良山区常见的地质灾害[1]，其主要类型有：雨水泥石流（主要由降雨激发而形成的一大类泥石流）、溃决泥石流（各种天然的与人工水体的岸、堤、坝溃决形成的泥石流）、地下水泥石流（岩土体长期在地下水浸透作用下突然暴涌形成的泥石流）、冰（川）雪泥石流（主要由冰川或积雪消融激发而成的泥石流）、崩（塌）滑坡泥石流（滑坡型泥石流是一种特殊能量转换体运动类型，它是在很短时间内由滑坡体的位能快速转化为强大动能的一次性滑动流动堆积）、火山泥石流（火山爆发引发的泥石流）、地震泥石流（由地震作用导致的泥石流）、人为泥石流（主要由于人类不合理的经济活动而造成的一大类型泥石流）[2]。中国地域辽阔，2/3以上为山区，因此大多数灾害是由强降雨及地震引发的滑坡泥石流，造成严重的人员伤亡和经济损失[36]。泥石流浆体的动压力及其所含块石的撞击力是危害泥石流防治工程体系的直接因素，后者是导致结构破坏的最主要荷载[710]。

自恢复体系是一种新型的减震控制结构体系，主要原理是放松结构与基础交界面处或者结构构件交界面处的约束，使该界面仅有受压能力而无受拉能力，结构在地震作用下发生摇摆而本身并无太大的弯曲变形，通过自重或预应力恢复到原有的位置时不会产生永久性的残余变形[1112]。这样的构造体系会大幅度提升结构的耗能能力，减少结构破坏。为了提高泥石流拦挡坝的抗冲击性能，本文将这一理念运用到泥石流防治体系中，设计出一种可自复位的拦挡坝（下称自复位坝），并用ABAQUS软件对普通重力式泥石流拦挡坝（下称普通坝）和自复位拦挡坝进行了抗冲击性能的对比分析，其结果对于自复位体系在泥石流防治工程中的应用具有一定借鉴作用。

1 自复位坝体组成

自复位的思想来源于预制无粘结预应力混凝土框架的研究[1314]。研究人员发现通过预应力钢索，可以有效地控制结构的破坏，同时使结构构件表现出良好的复位能力。自复位的思想首先运用在了钢框架结构体系中。2001年Ricles等[15]设计了一种具备自复位能力的钢梁柱节点，见图1，通过沿钢梁轴向给梁柱节点施加预应力，保证梁翼缘与柱翼缘紧密接触，施加预应力的钢绞线在柱的外翼缘锚固，梁的上下翼缘通过角钢与柱连接。这种框架具有足够的刚度、强度及延性，表现优于具有传统节点的框架体系。很多学者又针对节点进行了改进研究，将摩擦阻尼器增加到节点中[1618]，形成SCCBF系统，见图2，增加了节点的耗能性能。本文主要将无粘结后张拉预应力技术运用到钢筋混凝土泥石流拦挡坝体中，在普通坝坝体中布置了6根1860级预应力钢绞线，形成自复位的拦挡坝体。自复位坝和普通坝尺寸相同。坝体迎流面垂直，背流面坡度取1∶0.067[19]。限于计算机的计算能力及数值模拟的可操作性，本文采用甘肃省舟曲县三眼峪沟泥石流灾害治理工程中拦挡坝的缩尺模型进行模拟对比。考虑到后续试验的可行性，泥石流中大块石采用钢球进行等效[20]，钢球直径为0.7 m。坝体模型为缩尺模型[21]，具体尺寸为：坝长2 m，坝高1.5 m，坝底宽0.5 m，坝顶宽0.3 m。无粘结预应力钢绞线均布在自复位坝体内，见图3。

这种自复位坝体由钢筋混凝土墙与内置的竖向无粘结预应力钢绞线组成。坝体与基础靠无粘结预应力钢绞线连接，当没有荷载作用时，坝体和预应力钢绞线都无变形和位移；当有荷载时，坝体可以绕中轴转动，如图4所示，通过预应力钢绞线提供约束和恢复力。

2 自复位坝体和普通坝体抗冲击性能对比分析

2.1 自复位坝和普通坝有限元模型

采用有限元软件ABAQUS对结构进行了模拟，其中普通坝和自复位坝均采用理想弹塑性模型，其密度ρ=2 500 kg·m-3，弹性模量E=25.5 GPa，泊松比ν=0.2。无粘结预应力钢绞线为Truss单元，其密度ρ=7 800 kg·m-3，弹性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.3，热膨胀系数a=1.2×10-5，截面面积A=285 mm2。球体绑定为刚体，采用Q345钢，密度ρ=7 850 kg·m-3，弹性模量E=206 GPa。除约束条件和内置预应力钢绞线外，普通坝体和预应力坝体模型大小一样。在分析过程中，接触的目标面和接触面虽已知，但接触位置并不确定，因此模型中的接触定义为面面自动接触[22]。自复位坝体底面定义为铰接，预应力钢绞线底部和基础固接，顶部和坝体定义为MPCtie连接，通过降温法对钢绞线施加预应力。普通坝体底部定义为固接。模型划分网格时避免切割球体采用四面体自由划分，坝体采用结构划分，如图5所示。

2.2 应力对比分析

本文对钢球质量为0.5 t，速度为8 m·s-1，撞击高度为0.75 m，温度为-100 ℃的典型工况进行有限元模拟，对自复位坝和普通坝的应力、坝底支反力、位移及加速度进行对比分析。图6为-100 ℃时预应力钢绞线Von Mises应力云图。图7为自复位坝和普通坝变形，图8和图9分别为普通坝和自复位坝不同时刻的Von Mises应力云图。

由图6可知，在温度为-100 ℃时，预应力钢绞线上均匀受力为252 MPa，远小于它的屈服应力。从图7可以看出：普通坝和自复位坝的变形均很小，普通坝较自复位坝变形稍微明显，这是因为普通坝的约束强于自复位坝，在受到冲击时，自复位坝体由于绕横轴的转动摇摆，使得球体和坝体接触面变大，接触时间延长，冲量变小所致。

从图8和图9可以看出，在时间t=0.037 s时，钢球和坝体刚好接触，普通坝碰撞部位变形较为明显，应力比较集中，形成一个直径约为20 cm的撞击坑，撞击处应力立刻达到混凝土极限抗压承载力，这说明撞击部位混凝土已经失效，随着冲击的继续进行，应力由碰撞区域向四周和由坝底向上部及四周迅速扩展，坝肩处应力一直较小。钢球撞击坝体时间较短，整个冲击时间为0.013 s。自复位坝体由于放松坝体底部和基础的约束，在受到冲击时，坝体绕横轴发生转动，使得钢球和坝体的接触面积发生变化，碰撞区域扩展开来，因此自复位坝撞击区域处的应力并未像普通坝那样集中。同时由于自复位坝体内部钢绞线提供了恢复力，坝体绕横轴发生往复摇摆，大部分冲击力被消耗掉，故而坝体的应力呈往复减小变化，扩展小于普通坝，并且应力始终小于普通坝的应力。整个过程持时0.033 s，为普通坝冲击时间的2.54倍。

2.3 坝底支反力、位移及加速度对比分析

自复位坝和普通坝在钢球的撞击作用下，在坝底会产生X，Y，Z三个方向的反力F。由于与冲击方向X方向相比，Z方向反力较小，Y方向自复位坝体由于预应力钢绞线的存在又比较大，没有可比性，因而就不在此讨论了。普通坝和自复位坝的X方向坝底支反力、坝顶位移、加速度时程曲线如图10～12所示。表1为普通坝和自复位坝的最大支反力、位移、加速度对比。

从图10可以看出，普通坝和自复位坝的坝底支反力FX时程曲线均在直线FX=0的上下来回波动，这说明普通坝和自复位坝在受到冲击后在X方向发生了振荡，但是相比于普通坝，自复位坝的支反力要小很多，最大支反力只有普通坝的1/3.95。坝体的振荡是由撞击之后的惯性引起的，但是在自复位坝中，放松的基底约束减小了钢球对坝体的冲量，竖向预应力钢绞线减小了坝体在X方向由冲击引起的惯性力，自复位体系消耗掉了部分冲击力，所以整个坝体的基底支反力要小于普通坝体。

从图11可以看出，普通坝X方向的最大正位移为5.07 mm，自复位坝最大正位移为8.32 mm，自复位坝的坝顶位移是普通坝的1.64倍，这主要是约束不同造成的。普通坝体底部约束为完全固接，在受到冲击时整个坝体只有坝顶部位会产生较大位移，而自复位坝体由于坝底并未完全固接，在冲击力作用下，坝体会在X，Y，Z方向发生转动，冲击发生在X方向，导致X方向的位移会比较大，但由于坝体内部预应力钢绞线提供了恢复力，所以相对于普通坝体，自复位坝体位移并未太大。

根据达朗贝尔原理，在冲击荷载作用下，结构由于加速度产生的惯性力及外荷载会使结构处于动平衡状态，因此，结构的加速度响应尤其是最大加速度是非常重要的一个参数。从表1及图12可以看出，在撞击过程中，自复位坝体的加速度响应远小于普通坝体，其最大加速度为普通坝的1/3.7，并且在撞击 结束后迅速减小至0。普通坝加速度幅值较大，

在计算结束时仍在波动，其惯性效应远大于自复位坝。3 参数分析

本文参数分析主要讨论了不同撞击速度、不同撞击高度以及不同预应力对泥石流拦挡坝的基底支反力、坝顶位移及加速度的影响。

表2为不同撞击速度下普通坝的最大支反力和位移。表3为不同撞击速度、温度下自复位坝的最大支反力和位移。不同撞击速度v和撞击高度对自

从表2，3和图13～17可以看出：普通坝和自复位坝的位移和X方向的支反力都随钢球冲击速度的增大而增大；在相同的撞击速度下，坝体的位移和支反力会随撞击点高度的增加而增加；自复位坝的支反力和加速度随预应力的增加而增加，位移随预应力的增加而减小，这是因为钢绞线上施加的预应力增大，坝体的约束变强，在受到冲击荷载时，位移就会减小，支反力及加速度增大；与普通坝相比，自复位坝的最大支反力和加速度大幅度降低，位移略有增加，整个结构的自复位组件耗能性能很明显。

4 结 语

（1）与普通坝相比，自复位坝的约束较弱，因此在受到冲击荷载时，坝体可以发生转动，从而减小了钢球和坝体接触时的冲量和应力集中，降低坝体由于冲击力过大发生局部破坏的可能。

（2）自复位坝和普通坝相比，其支反力是普通坝的1/3.95，位移是普通坝的1.64倍，加速度响应是普通坝的1/3.7，说明自复位组件在泥石流拦挡坝中发挥了良好的耗能性能，自复位泥石流拦挡坝具有良好的抗冲击性能。

（3）普通坝和自复位坝的位移及支反力都会随钢球冲击速度的增大而增大，自复位坝的支反力会随钢绞线上预应力的增大而增大，位移随预应力的增大而减小，说明坝体约束的强弱在一定程度上会影响坝体的抗冲击性能。

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