新型泥石流攔擋壩抗塊石沖擊動力響應分析

呂志剛

（廣東碧桂園職業學院建筑工程技術教研室，廣東 清遠 511510）

我國地質構造復雜，地形起伏大，降雨集中，泥石流分布廣泛，暴發頻繁，危害嚴重［1］。2010年8月7日，甘肅舟曲發生特大泥石流災害，1471人遇難，496人失蹤，5508間房屋被毀，是建國以來最嚴重的泥石流災害事件［2］。

泥石流沖擊力中大塊石的沖擊力很容易造成攔擋結構的破壞，針對這一問題提出一種彈簧格構泥石流攔擋壩（下稱新型壩）。應用ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊對新型壩和普通重力式泥石流攔擋壩（下稱普通壩）進行了計算分析，結果表明新型壩具有優越的抗大塊石沖擊的能力。

1 彈簧格構壩提出

泥石流大塊石對橫向沖擊攔擋壩的最大沖擊力計算公式如公式（1）所示［3］，式中最大沖擊力用Pmax表示，大塊石的質量用m表示，塊石的沖擊速度用v表示，c，n為的壩體材料特性參數。由公式（1）可知，同一沖擊能量下不同材質構成的壩體沖擊力隨c值的增大而增大，而c值反映了壩體材料的剛度特性，剛度越大，c值也越大，沖擊力也越大。因此，以降低結構沖擊接觸面剛度從而降低沖擊作用的思想提出了彈簧格構泥石流攔擋壩。

2 新型壩組成

新型壩由三部分組成，分別為后部混凝土壩體、中間彈簧和前部鋼架。前部鋼架和中間彈簧的設置可以起到一定的緩沖作用［4］，避免了后部混凝土壩體受到大塊石的直接沖擊破壞。新型壩的后部混凝土壩體迎流面垂直，便于設置中間彈簧。文中采用LS-DYNA軟件進行數值模擬，新型壩后壩長取2m，高取1.5m，壩頂厚0.15m，壩底厚0.25m，彈簧長度為0.25m［5］。圖1（a）為新型壩基本組成。如圖1（b）前部鋼架布置方式，其規格為100×50×5×7的H型鋼。

圖1 新型壩的組成（mm）

3 新型壩與普通壩抗沖擊性能對比分析

3.1 新型壩與普通壩有限元模型

新型壩有限元模型前部鋼架采用本構模型為理想彈塑性模型的SHELL163單元［6］，中間彈簧采用剛度為200kN/m的COMBIN165單元，后部混凝土壩體和普通壩采用本構模型為理想彈塑性模型的SOLID164單元。鋼球本構模型為剛體模型。普通壩長2m，高1.5m，頂厚0.3m，底厚0.4m。新型壩與普通壩的有限元模型如圖2所示。

圖2 新型壩和普通壩的有限元模型

3.2 變形及應力對比分析

文中對鋼球質量為0.9t、速度為8m/s、撞擊點為壩體中部的典型工況進行模擬計算，對新型壩和普通壩的變形、應力，及沖擊力與位移進行了對比分析。圖3為新型壩和普通壩的變形及應力。

圖3 新型壩和普通壩的變形及應力

由圖3可知，普通壩受到鋼球撞擊時，碰撞接觸點處的混凝土發生了塑性變形，應力值達到了20MPa，說明混凝土已被壓碎，壩體底部應力較大，其他部位應力較小。新型壩受到鋼球撞擊時，前部鋼架首先與鋼球接觸，發生較大塑性變形，鋼架整體向后傾斜，壓縮中間彈簧。整個撞擊過程新型壩后壩沒有受到直接沖擊，并且前部鋼架和中間彈簧起到了一定的緩沖作用，后壩應力一直處于較低的水平，最大應力只有9.73MPa。

3.3 沖擊力、位移分析

文中的位移均為壩頂中部x方向的水平位移，新型壩研究后壩的水平位移。新型壩與普通壩最大沖擊力與最大位移如表1所示，沖擊力、位移時程曲線如圖4、5所示。

表1 新型壩與普通壩的最大沖擊力與位移

圖4 新型壩與普通壩沖擊力時程曲線

圖5 新型壩與普通壩位移時程曲線

由表1和圖4、圖5可知，在相同鋼球沖擊作用下，新型壩受到的沖擊力遠小于普通壩的沖擊力，只有普通壩的1/7.5，由于新型壩沖擊接觸面剛度小于普通壩，沖擊接觸時間長，沖擊力持續時間約為普通壩的6倍；新型壩后壩位移只有普通壩位移的1/3.3，兩種壩體在受到沖擊的瞬間位移達到最大值，但新型壩位移的振幅較普通壩小很多，這也是前部鋼架與中間彈簧的作用效果。

4 參數分析

不同的沖擊速度v以及不同的彈簧剛度k對新型壩的動力響應有很大影響［7］，表2為普通壩在不同撞擊速度下最大沖擊力與位移數據，表3為新型壩在不同撞擊速度和彈簧剛度下最大沖擊力、位移的降幅。沖擊速度與彈簧剛度對新型壩最大沖擊力、位移的影響規律如圖6、7所示。塊石質量為0.5t，撞擊點均為壩體中部。

表2 不同撞擊速度下普通壩的最大沖擊力、位移

表3 不同撞擊速度和彈簧剛度下新型壩最大沖擊力、位移的降幅

圖6 撞擊速度和彈簧剛度對新型壩最大沖擊力的影響

圖7 撞擊速度和彈簧剛度對新型壩最大位移的影響

從表2、3和圖6、7中可以看出，普通壩和新型壩的最大沖擊力、位移隨撞擊物速度的增大而增大；新型壩的最大沖擊力和位移隨彈簧剛度的增大呈增大趨勢；隨著沖擊速度的增大，新型壩的最大沖擊力和位移的降幅都呈增大趨勢；但隨著彈簧剛度的增大，新型壩的最大沖擊力和位移的降幅呈減小趨勢；由于彈簧剛度過大有些工況的位移出現了負增長；與普通壩相比，新型壩最大沖擊力、位移降幅均很明顯，最大值分別達到了87.3%、70.7%。

5 結論

本文以調整結構剛度降低沖擊作用的思想提出了新型泥石流攔擋壩，利用有限元軟件對新型壩和普通壩進行了數值模擬及對比分析，得出了以下結論：

5.1 受到大塊石沖擊時，新型泥石流攔擋壩具有優越的抗沖擊性能，由于前部鋼架和中間彈簧的耗能作用，新型壩后壩的變形與應力明顯減小。

5.2 沖擊過程中普通壩碰撞接觸點處的混凝土發生了較大的塑性變形，混凝土被壓碎，壩體底部應力較大，而新型壩后壩基本沒有發生塑性變形，并且應力很??；新型壩最大沖擊力只有普通壩的1/7.5，最大位移只有普通壩的1/3.3。

5.3 新型壩的最大沖擊力和位移隨撞擊物速度及彈簧剛度的增大而增大；新型壩最大沖擊力、位移的降幅均很明顯，最大值分別達到了87.3%和70.7%。

［1］趙健.我國泥石流防治措施研究［J］.中國水利，2007（14）：50-52.

［2］胡桂勝，陳寧生，鄧明楓，等.甘肅舟曲三眼峪溝泥石流粗大顆粒沖擊力特征分析［J］.地球與環境，2011（4）：478-484.

［3］何思明，吳永，沈均.泥石流大塊石沖擊力的簡化計算［J］.自然災害學報，2009（5）：51-56.

［4］何思明，吳永.新型耗能減震滾石棚洞作用機制研究［J］.巖石力學與工程學報，2010（5）：926-932.

［5］鄭國足.帶彈簧支撐的新型新型泥石流攔擋壩抗沖擊性能研究［J］.蘭理工大學學報，2013：14-20.

［6］張鵬，周德源.基于ANSYS/LS-DYNA的護欄沖擊模擬分析精度研究［J］.振動與沖擊，2008，27（4）：147-152.

［7］王澤鵬，胡仁喜，康士延，等.ANSYS13.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程［M］.北京：機械工業出版社，2011.