泥石流对桥墩的冲击作用响应研究

(重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074)

引言

桥墩的损毁一直是桥梁结构设计关注的一个重要问题，目前桥墩损毁研究主要集中在地震损毁和船舶对桥墩的撞击等，国内外对泥石流灾害防治的基础理论研究还相对比较薄弱。尤其在我国山区不良地质条件下，桥梁数量逐年增加，同时因人工活动和极端气候条件导致的泥石流病害出现的频率也不断增多，许多桥墩出现了被泥石流冲击破坏的现象，而有关泥石流冲击荷载的形式、冲击力的计算以及工程结构的冲击动力破坏机理等关键科学问题还没有系统成果，相关方面的技术研发还有待加强。

一、泥石流冲击作用研究现状

关于泥石流冲击力的研究主要集中在冲击力计算模型研究和冲击力信号实地观测研究。研究工作主要通过理论分析、试验研究以及野外实地观测来展开。

世界各国的专家学者们，从不同的角度出发建立了多种泥石流冲击力计算模型：流体模型(一维流体模型、二维流体模型)；冲量-动量模型；石块冲击力计算公式(悬臂梁、简支梁冲击力计算公式，基于弹性碰撞理论的冲击力计算公式，基于 Hertz 接触理论的冲击力计算公式，接触刚度法，能量法)此外，还有一些特殊的计算模型，例如王林峰等提出的弹簧-阻尼器模型等，因为模型所需要的输入参数很复杂，难以在工程设计中推广。

泥石流是由固液两相物质组成的，其冲击荷载是由相对匀质的整体流体冲击力和较大粒径滚石的冲击荷载。按照泥石流体中石块含量以及荷载持续时间的不同，泥石流的荷载作用形式可以基本分为锯齿形脉冲、矩形脉冲和尖峰型脉冲。就泥石流的冲击形式而言，可以将其分为阵性泥石流和连续性泥石流。

二、泥石流对桥墩的作用研究

(一)泥石流对桥梁的主要作用

泥石流对桥梁的作用主要为冲刷、冲击、磨蚀、淤埋、振动等。冲刷作用主要在泥石流沟上游段，包括冲刷下切作用，冲刷旁蚀作用，局部冲刷作用。泥石流的冲击作用包括动压力、大石块撞击力以及泥石流冲击引起的冲击高、爬高、弯道超高等能力。泥石流的堆积主要在沟道下游，中上游有部分临时堆积，上有堆积淤埋沟床，促进改道；下游堆积淤埋桥墩及桥面系。泥石流中的沙石成分对建筑物各种工程表面有强烈的磨蚀作用。对于高速粘性泥石流，其振动十分强烈，振动可使桥梁等构筑物出现裂缝并降低其强度，增加毁坏几率。

(二)泥石流作用下桥梁的损毁方式

近年来，伴随泥石流频发，尤其在我国西部，山区的地震地质活跃带，泥石流灾害对位于泥石流沟道、沟口等位置处的桥墩构成重大威胁。高能量反复冲击作用，使得桥墩保护层破坏，甚至将桥墩的箍筋和主筋砸断，导致桥梁整体垮塌。如不及时对受损桥墩进行修复，桥墩极有可能在下一季洪水期间发生整体冲击破坏，导致桥梁垮塌。

桥梁的破坏方式：桥梁桥墩因泥石流冲击破坏而丧失承载力；桥梁基础因泥石流的冲刷掏蚀破坏而丧失稳定性；桥梁因大体积固体物质的撞击作用而局部破坏后影响桥梁的整体性能；沉积区桥梁因大量泥石流的停留而堵塞，泥石流堆积物漫过桥梁而破坏桥梁上部结构影响桥梁的继续使用。王林峰提出泥石流冲击桥墩后，损毁方式主要有3种：桥墩与泥石流接触部位混凝土被冲坏，桥墩下的抗滑力不够导致桥墩滑动引起桥梁破坏，桥墩的抗倾覆能力不够引起桥墩倾覆破坏。

(三)对泥石流作用下桥墩的研究

近年来，关于桥墩在泥石流作用下的桥墩响应分析增长迅速，尤其是在泥石流灾害发生较多的西南地区等。谭沸良对双圆柱、圆端柱和尖角柱冲击响应进行了对比分析，得出流线型桥墩有一定的导流作用，冲击动压相对减小；尖角型桥墩削弱泥石流的爬高，泥石流的整体冲击压力减小；双圆柱桥墩在泥石流到达时有很大的不平衡压强，受冲击的桥墩受力最大，所以此类桥墩是最不适合建在泥石流沟壑区。覃月璋通过对双柱中相同横截面积的圆形、圆端形和矩形桥墩的对比得出，圆端形桥墩不管是抗倾覆，还是抗滑都是最好的，矩形次之，圆形最次。由此可见，泥石流作用区的桥墩，减小其横截面宽度，从而减少受力面积，增加横截面的长度，有助于提高桥墩的稳定性。孙鸿斌通过对泥石流流速、桥墩混凝土强度、配箍率、冲击位置的对比分析，对桥梁破坏失效进行研究分析。常凯通过黄土泥石流对桥墩的不同工况进行对比分析，得出了不同截面桥墩、不同冲击角度对阵发性、持续性泥石流的冲击响应。

对泥石流作用下的桥墩的动力响应进行研究，大部分是利用仿真软件FLAC 3D/LS-DYNA，在考虑上部结构恒载的作用下，分析桥墩在泥石流不同流速的冲击作用下，其墩顶的位移、墩底的应力以及桩基变形和应力的变化情况，进而为桥墩抵抗泥石流冲击设计提供参考。

三、泥石流区桥墩的防护措施

泥石流区桥梁的防护措施包括直接防护和间接防护。直接防护就是直接设置在或附着在桥墩或桥台上的防护构造，用以直接抵御洪水或泥石流的冲刷，如桥墩、桥台周围床面的铺砌、护坦、抛石、石笼以及在桥墩墩身上的防冲盘、防护墩等。间接防护则是通过在桥梁上游设置调治或防护构造物，如丁坝、导流堤、桩排或在桥孔下游设置急流槽和消力池等，固定桥孔下游冲刷基准面，来调整桥下泥石流的运动状态，避免墩台过度冲刷。

王东坡等对泡沫铝夹芯板加固山区跨泥石流桥墩抗冲结构优化进行了研究，通过对五种不同结构形式的泡沫铝夹芯结构的静力加载试验得出吸收能量较好的结构形式。

江杨、刘思聪通过钢套筒硬质聚氨酯泡沫结构，可以最大限度地吸收大块孤石的冲击能量，减轻其对桥梁的破坏，提高桥梁结构在使用过程中的安全性。

四、结论与展望

泥石流对桥墩的冲击作用是一个非常复杂、有待研究的问题。在泥石流桥墩碰撞问题上，决定撞击荷载对桥墩损伤程度的因素很多，除桥墩本身的结构特性外，泥石流的速度、撞击方向、撞击物的结构、刚度、撞击点的位置、变形能力等都起着至关重要的作用，加快泥石流与桥墩之间的相互作用的研究会对未来山区的建设提供更多的可参考的依据。

鉴于泥石流对桥墩的冲击响应涉及的试验工程量大，耗时也较长，技术偏难，硕士论文等皆以数值模拟为主，关于桥梁受泥石流冲击作用的响应还需更多的研究。