内置H型钢泥石流拦挡坝抗块石冲击性能研究

王秀丽, 程荣荣, 朱中城，梁 海

(1.兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050; 2.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心, 甘肃 兰州 730050；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司, 陕西 西安 710000)

泥石流是地质不良山区常见的地质灾害,尤其是在中国西部地区,泥石流灾害频繁发生,对其危害范围内的各种构筑物、人类生命财产造成重大损失[1].由于泥石流具有规模大,活动频繁以及突发性等特点,所以目前对泥石流防治的主要措施是修建各种拦挡坝[2],从而达到泄洪、拦渣、固床、稳坡、控制固体物质的功效.国内外学者对泥石流灾害的调查以及防治措施的研究有很多.Dowling等[3]通过对1950年至2011年全球范围内泥石流灾害调查,说明了泥石流灾害一旦爆发将灾情严重.Takahashi等[4]通过实地调查泥石流灾害,对泥石流的形成、现有坝的破坏分析及泥石流灾害新的防治措施展开了研究,为防治泥石流提供了参考,提出的新型坝体为防治泥石流块石冲击提供了新思路.Shima 等[5]介绍了采用钢制开敞式坝防治泥石流灾害的情况,通过数值方法模拟了四种不同的泥石流灾害场景,利用ANSYS AutoDyn软件对坝进行块石冲击分析以及三维冲击框架的动力响应分析.Hiura等[6]通过数值模拟方法,分析了不同形状和不同坡面的开口式钢坝对泥石流的拦挡性能.周文兵等[7]通过对白龙江地区的泥石流拦砂坝进行调查和试验,对拦砂坝的运行现状以及调控效果进行了分析.罗祥等[8]提出了通过对泥石流防撞墩前放置废旧轮胎来抵抗泥石流中大块石冲击的方法.郑国足等[9]提出了带弹簧支撑的新型泥石流拦挡坝,并对其抗冲击性能进行研究,认为其具有良好的防治效果；王秀丽等[10]分析了具有自复位功能的泥石流拦挡坝抗冲击性能；柳春等[11]从坝体迎坡比、防撞墩和缓冲层三种因素改进拦挡坝,分析了大块石与泥石流浆体对拦挡坝的冲击性能.由于泥石流灾害一旦爆发,情况复杂,灾情严重,故需要对新型拦挡结构进行研究,以更好地防治泥石流.在普通重力式拦挡坝中加入新元素,以改善拦挡坝的性能是一种思路.针对H型钢抗冲击性能的研究,路国运等[12]对薄柔H型钢柱在侧向冲击荷载下的力学性能进行了分析,为薄柔构件冲击设计提供参考.孟刚等[13]把型钢内置于混凝土梁中,有效提高了梁的抗弯性能.朱翔等[14]分析了内插双H型钢钢管混凝土柱的抗冲击性能,通过对比认为,在相同条件下,内插双H型钢钢管混凝土柱的抗冲击性能比钢骨混凝土柱以及钢筋混凝土柱优越.王钧等[15]研究了预应力H型钢混凝土简支梁正截面受力性能,表明H型钢预应力混凝土梁的抗弯刚度可近似取为预应力混凝土梁的刚度与内置H型钢梁刚度之和.

内置H型钢混凝土结构兼具钢结构和混凝土结构的优点,具有良好的抗震性能和抗冲击性能.学者对H型钢混凝土结构性能的研究较少.本文为充分利用H型钢塑性和韧性好、抗冲击性能好的特点,改善普通重力坝在防治泥石流灾害中坝体易毁损的情况,提出了内置H型钢泥石流拦挡坝,并探究其在块石冲击荷载作用下的动力响应.

1 新型坝组成

本文以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为研究对象进行模拟分析.新型坝如图1所示,具体尺寸：坝长1.6 m,坝高1.2 m,坝底宽0.4 m,坝顶宽0.2 m.泥石流大块石采用刚性球等效来模拟[16],钢球直径0.6 m,H型钢采用I14,尺寸为140 mm×80 mm×5.5 mm×9.1 mm,均匀布置在坝体内.

图1 新型坝组成

型钢长1 100 mm,翼缘距坝体冲击面距离为30 mm,翼缘边缘距坝体左右面50 mm,型钢平截面中性轴间距284 mm,采用6根型钢均匀布置在坝体内.H型钢插入混凝土坝连接,通过单元共节点使之共同工作.H型钢在新型坝中具体定位如图2所示.

图2 新型坝中型钢在平面上的布置(mm)

2 有限元模型的建立

有限元分析中,普通坝与内置H型钢坝均采用理想弹塑性模型,其中拦挡坝采用C20混凝土,弹性模量E=25.5 GPa,密度ρ=2 500 kg/m3,立方体抗压强度fcu,k=20 MPa,泊松比ν=0.2.型钢采用Q345钢材,其弹性模量为E=206 GPa,泊松比ν=0.3,密度ρ=7 850 kg/m3,屈服应力fy=345 MPa.球体绑定为刚体,采用Q345钢,泊松比ν=0.3,密度ρ=7 850 kg/m3,弹性模量E=206 GPa.新型坝与普通坝的有限元网格划分方式相同,有限元模型如图3所示.边界条件设置为下部固定端约束.块石与坝体间的接触设置为面面接触.冲击位置选取为坝体中心点.

图3 新型坝有限元模型

3 计算结果及对比分析

钢球以8 m/s的速度分别冲击普通拦挡坝与新型坝,对其动力响应进行对比分析.

3.1 应力与应变对比

通过对比普通坝与新型坝的Von Mises应力云(图4和图5)可以得:在t=0.005 s时,钢球与坝体初始接触,普通坝碰撞部位变形较为明显,体现出应力集中,撞击处应力立刻达到混凝土的极限抗压承载力.普通坝除坝肩外由上到下混凝土几乎全部屈服,而新型坝内置H型钢,增大了坝体的整体刚度,使坝体下半部位应力达到抗压承载力,上半部位应力很小.内置H型钢除根部和撞击点处应力较大,剩余部分应力很小.随着继续发生接触,坝体变形明显,撞击处四周应力得到释放,应力由坝底向坝肩迅速扩展.在t=0.015 s时,型钢应力达到最大,为347.4 MPa,超出屈服应力2.4 MPa.随后,由于坝体来回震荡摆动,能量在传播中被H型钢耗散.

图4 新型坝Von Mises应力云图(MPa)

图5 普通坝Von Mises应力云图(MPa)

对混凝土的模拟结果可知：混凝土选取规范中单轴受拉的应力应变曲线进行模拟,该曲线引入混凝土单轴受拉损伤参数、形状参数,可适合不同强度等级混凝土的曲线形状变化.其中混凝土的破坏准则为混凝土受拉时,ftk达到1.54 MPa发生破坏.

3.2 坝底支反力对比

新型坝和普通坝在钢球撞击作用下,在坝底产生x、y、z三个方向的反力F.由于与冲击方向x方向相比,y、z向反力较小,可以忽略不计.因此本文只讨论x方向的支反力.从图6可以看出,普通坝体和新型坝在受到撞击后产生x方向的支反力,且达到支反力最大值.由于新型坝型钢底部产生屈服,上部型钢仍处于弹性阶段,故坝体在与x轴呈小于90°的锐角下来回震荡,支反力在10 kN的上下来回波动.普通坝在受到冲击后坝体中下部立刻进入屈服阶段,支反力在30 kN的上下来回波动.相比于普通坝体,新型坝的最大支反力只有普通坝的1/2,一方面这是由于H型钢强度高,塑形韧性好；另一方面由于型钢对混凝土的约束作用,使得型钢与混凝土之间形成“芯柱”.型钢消耗掉部分冲击力,所以整个坝体的基底支反力要小于普通坝.

图6 泥石流拦挡坝坝底支反力时程曲线

3.3 位移对比

从图7可以看出,在坝体受到撞击后,t=0.02 s时,普通坝的最大正位移为6.5 mm,新型坝的最大正位移为4.5 mm,普通坝的顶点位移是新型坝的1.44倍.这主要是两者的约束不同而造成的.普通坝底部为完全固接约束,钢球冲击作用下,拦挡坝顶部位移较大,而内置H型钢坝体由于有型钢的约束,在冲击力作用下,坝体内部型钢在不发生塑性破坏的情况下相当于一个支撑,会抵消一部分钢球的冲击力.所以相对于普通拦挡坝,内置H型钢坝体位移有所减小.可以看出,新型坝内置H型钢,刚度增大,故位移较普通坝较小.

图7 泥石流拦挡坝坝顶x方向位移时程曲线

3.4 加速度对比

加速度响应是结构在冲击荷载下的一个非常重要的参数.根据达朗贝尔原理,加速度会在结构中产生惯性力,结构在真实的外荷载、虚拟的惯性力共同作用下,处于动态平衡状态.从图8可以看出,新型坝在受到撞击后,撞击点处加速度立刻达到最大值62.8 km·s-2,然后迅速减小至0.普通坝在受到撞击后加速度达到最大值14.2 km·s-2,随后在x=0上下来回波动,新型坝撞击处所承担的最大加速度是普通坝的4.4倍.

图8 泥石流拦挡坝撞击点处x方向加速度时程曲线

3.5 能量对比

通过对比新型坝与普通坝的内能时程曲线,进而分析新型坝的耗能效果,从图9可以看出,新型坝在t=0.005 5 s时,内能达到最最大值28 kJ,随后处于波动状态.这是由于新型坝内置型钢,型钢发生较大变形,能吸收更多的能量,有效耗散了大块石作用于结构上的部分撞击能量,从而减小了冲击力对坝体的破坏,也对减轻坝体局部的冲切破坏起到了积极的作用.

图9 坝体内能时程曲线

4 参数分析

本文为更好地探究内置H型钢泥石流拦挡坝的冲击性能,进行新型坝体在不同撞击速度v下的的位移、加速度、能量的响应分析.如图10～12所示.从图10可以看出,在钢球撞击坝体瞬间,同一速度下新型坝较普通坝位移更小.普通坝与新型坝均在x=0上下波动,并且随着速度的增加,同一时刻普通坝与新型坝的位移差值变大.在v=4 m/s的撞击速度下,由于新型坝的内置型钢未达到屈服,故新型坝来回摆动的幅度均比普通坝小;在v=6 m/s的速度下,混凝土已经进入塑性屈服,但由于新型坝内置型钢,使得坝体仍能承受一定的冲击.

图10 不同撞击速度下新型坝与普通坝位移时程

图11 不同撞击速度下新型坝与普通坝加速度时程曲线

图12 不同撞击速度下新型坝与普通坝内能时程曲线

从图11～12可以看出：钢球在撞击新型坝体时,在x方向的加速度迅速降低.而撞击普通坝体时,加速度在x=0上下波动,当t=0.04 s时,加速度才降至0,这表明新型坝具有很好的抗冲击性能.随着冲击速度的增大,坝体内能也逐渐增大,且速度越大,新型坝体耗能效果越明显.

5 结论

通过对内置H型钢泥石流拦挡坝在泥石流块石冲击下的数值模拟,得出结论如下：

1)坝体在受到大块石冲击时,内置H型钢不发生塑性破坏的情况下,新型坝的顶点最大位移是普通坝的1/1.44倍,最大支反力只有普通坝的1/2,可以看出,H型钢会抵消部分钢球的冲击力.

2)新型坝在受到撞击后,撞击点处所承担的最大加速度是普通坝的4.42倍,且内置型钢并未发生完全屈服,说明新型坝的抗冲击性能十分优越.

3)新型坝的内置H型钢提高了结构的整体抗冲击性能,改善了由于混凝土屈服产生的坝体承载力骤降的现象;混凝土崩裂后,型钢与型钢约束范围内的核心混凝土形成“芯柱”,坝体仍具有较高的承载力.