泥石流路基防護(hù)阻攔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

武 立

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 太原 030000）

0 引言

案例公路過(guò)線規(guī)模較大的稀性泥石流溝，面臨嚴(yán)重的泥石流路基防護(hù)任務(wù)，隨著近年技術(shù)和經(jīng)濟(jì)能力的發(fā)展，決定進(jìn)一步提高泥石流風(fēng)險(xiǎn)路段的防護(hù)阻攔能力，圍繞阻攔結(jié)構(gòu)優(yōu)化形態(tài)、廢舊輪胎消能緩沖層技術(shù)引用以及組合防護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，開(kāi)展了一系列設(shè)計(jì)分析研究。這里梳理介紹相關(guān)設(shè)計(jì)研究及模擬結(jié)果，以期為同類(lèi)泥石流路基防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 案例簡(jiǎn)介

某泥石流溝屬于稀性泥石流溝，容重達(dá)到1.30～1.96 t/m3，近年有記錄最大泥石流流量155 m3/s，泥石流過(guò)程有大量各種規(guī)格石塊隨流運(yùn)輸，最大泥石流深度可達(dá)2.50 m。某高速公路的K31+401～K31+701 區(qū)段過(guò)線該處。該泥石流溝的源頭海拔2 858.00 m，泥石流溝口的海拔1 560.00 m，主溝長(zhǎng)度9.90 m，總落差達(dá)到1 298.00 m。分支溝多，垂直坡度陡，固體松散物質(zhì)豐富，威脅面積大。上次泥石流最大流速8.29 m/s，泥石流量164.47 m3/s，最大沖擊力在9.66×104Pa 左右。淤埋鐵路140.00 m 左右，淤埋道路100.00 m 左右，中斷交通達(dá)3 個(gè)月之久，造成嚴(yán)重交通災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失。

2 泥石流路基防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

（1）基于結(jié)構(gòu)規(guī)格形式的設(shè)計(jì)思路。模擬研究顯示，泥石流路基阻抗結(jié)構(gòu)受泥石流沖擊過(guò)程中，應(yīng)力集中主要發(fā)生在阻攔墻的墻腳兩側(cè)，如果該處穩(wěn)固性不足，在泥石流強(qiáng)力沖擊下，非常容易由該處開(kāi)始發(fā)生垮塌。因此在泥石流阻攔墻設(shè)計(jì)中，圍繞強(qiáng)化該處牢固性來(lái)加強(qiáng)泥石流路基阻攔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常必要和具有針對(duì)性，由此產(chǎn)生強(qiáng)化阻攔墻路基側(cè)的規(guī)格以及形式狀態(tài)的設(shè)計(jì)思路。

（2）基于優(yōu)化緩沖層設(shè)計(jì)思路。泥石流對(duì)保護(hù)路基阻攔墻的主要威脅在于沖擊破壞，抗沖擊設(shè)計(jì)一種思路是使墻體強(qiáng)度足以抵御抗沖強(qiáng)度，一種思路是在強(qiáng)度基礎(chǔ)上再賦予墻體一定程度的彈塑消能功效，通過(guò)消解沖擊能來(lái)相對(duì)提高抗沖擊性能。基于后者思路，人們探討設(shè)計(jì)了應(yīng)用廢舊輪胎做阻攔墻緩沖層的設(shè)計(jì)思路，即在阻攔墻墻體外側(cè)增加廢舊輪胎結(jié)構(gòu)層，輪胎內(nèi)部填充砂石與橡膠胎體一起形成彈塑性消能抗沖擊復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)再生利用廢舊輪胎，填充砂石不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，輪胎作為碰撞緩沖面，可以增加彈塑碰撞面積，具有良好的緩沖功效[1]。

3 泥石流路基不同防護(hù)設(shè)計(jì)形式的功效分析

3.1 改善規(guī)格形式的設(shè)計(jì)功效分析

（1）模型及主要分析參數(shù)。路基、泥石流以及阻攔結(jié)構(gòu)的物理模型如圖1 所示。模型中A→B→C→D 設(shè)為固定約束，N→J→F 設(shè)為耦合流固條件，D→K 和A→G設(shè)為水平約束。泥石流路基防護(hù)阻攔墻以C25 混凝土澆筑，允許剪力1.27 MPa，各工況對(duì)應(yīng)不同的傾角a，分別為5°、10°、15°、20°、25°、30°。

圖1 泥石流路基防護(hù)阻攔結(jié)構(gòu)的物理模型

（2）模擬分析結(jié)果。應(yīng)力與位移關(guān)系模擬分析結(jié)果如表1 所示。據(jù)此獲得了路基、阻攔墻最大應(yīng)力與傾角關(guān)系曲線，路基、阻攔墻形變與傾角的關(guān)系曲線，路基形變與傾角的關(guān)系曲線，其中路基、阻攔墻最大應(yīng)力與傾角關(guān)系曲線如圖2 所示[2]。

表1 改善規(guī)格形式的應(yīng)力與位移關(guān)系模擬分析結(jié)果

圖2 路基、阻攔墻最大應(yīng)力與傾角關(guān)系曲線

模擬結(jié)果顯示，阻攔墻所承受的最大應(yīng)力隨著a角度的增加而逐漸降低，最大應(yīng)力的降低速度隨著角度增加而逐漸加快，阻攔墻最大應(yīng)力降速在15°時(shí)開(kāi)始變得緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定。路基和阻攔墻的最大垂向移位隨著角度增加呈現(xiàn)先快速降低，然后逐漸趨于平穩(wěn)的變動(dòng)趨勢(shì)。路基和阻攔墻的最大水平移位隨著角度增加而勻速緩慢降低，全程不存在突變情況。加大阻攔墻路基側(cè)的規(guī)格以及角度狀態(tài)，對(duì)阻攔墻抗御泥石流沖擊的性能存在積極影響。尤其15°時(shí)，路基和阻攔墻的應(yīng)力和移位都較小。實(shí)際工程中a角也不能設(shè)置的過(guò)大，考慮施工條件和工程經(jīng)濟(jì)性等因素，所以案例工程選擇15°角度配置。

3.2 輪胎消能緩沖的設(shè)計(jì)功效分析

（1）模型及主要分析參數(shù)。廢棄輪胎消能緩沖層泥石流路基防護(hù)物理模型如圖3 所示，模型中A→B→C→D 采取固定約束，R→S→K 設(shè)為流固耦合條件，D→M 和A→G 設(shè)為水平約束。防護(hù)阻攔墻以C25混凝土澆筑，允許剪力1.27 MPa。廢棄輪胎消能緩沖層的厚度d，分別取20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm、120 cm，其他計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 廢棄輪胎消能緩沖層計(jì)算參數(shù)

圖3 廢棄輪胎消能緩沖層泥石流路基防護(hù)物理模型

（2）模擬分析結(jié)果。應(yīng)力與位移關(guān)系模擬分析結(jié)果如表3 所示，據(jù)此獲得了廢棄輪胎消能緩沖層最大應(yīng)力與厚度（d）的關(guān)系曲線，路基、阻攔墻形變與傾角的關(guān)系曲線，路基形變與厚度（d）的關(guān)系曲線，緩沖層形變與厚度（d）的關(guān)系曲線[3]。

表3 輪胎消能緩沖層應(yīng)力與位移關(guān)系模擬分析結(jié)果

模擬分析結(jié)果顯示，廢棄輪胎消能緩沖層在工況1達(dá)到了2.88 MPa 的最大應(yīng)力，工況2 達(dá)到了1.32 MPa 的最大應(yīng)力，表明緩沖層的應(yīng)力集中過(guò)大，甚至超過(guò)了混凝土C25的允許剪力1.27 MPa。隨著緩沖層厚度d的增加，消能緩沖層的最大應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)厚度達(dá)到100 cm 時(shí)，最大應(yīng)力則開(kāi)始趨于穩(wěn)定。緩沖層厚度從20 cm 逐漸增加，路基的垂向移位峰值對(duì)應(yīng)不斷降低，當(dāng)厚度達(dá)到100 cm 時(shí)，變化趨于平緩。隨著厚度d的增加，路基的水平位移逐漸降低，但是幅度并不大。隨著厚度d的增加，消能緩沖層的垂向移位峰值快速降低，當(dāng)厚度達(dá)到40 cm時(shí)，最大值波動(dòng)不大。而隨著厚度d的增加，消能緩沖層的水平移位峰值快速降低，當(dāng)厚度達(dá)到100 cm 時(shí)，變化趨于平穩(wěn)。

分析結(jié)果顯示，廢棄輪胎消能緩沖層采取不同厚度設(shè)計(jì)，與普通重力阻攔強(qiáng)相比，路基和阻攔墻的應(yīng)力和形變均明顯降低，顯示廢棄輪胎消能緩沖層的泥石流沖擊防護(hù)功效明顯。小型轎車(chē)的輪胎寬度在15.50～17.50 cm；大型轎車(chē)的輪胎寬度在18.50～24.50 cm；卡車(chē)、貨車(chē)以及特種車(chē)的輪胎相對(duì)還會(huì)更大些，意味可以有多種廢舊輪胎規(guī)格可以選擇，考慮施工條件和工程經(jīng)濟(jì)性等因素，所以案例工程選擇100 cm 厚度。

3.3 雙重組合防護(hù)的設(shè)計(jì)功效分析

（1）模型及主要分析參數(shù)。泥石流路基阻攔結(jié)構(gòu)物理模型中A→B→C→D 設(shè)為固定約束，R→S→K 采取耦合流固邊界條件，D→M 和A→G 設(shè)為水平約束。其他規(guī)格與圖1 相同，路基側(cè)阻攔墻實(shí)施傾斜設(shè)計(jì)，阻攔墻規(guī)格加大后a角為15°，墻外設(shè)計(jì)一層廢棄輪胎消能緩沖層，緩沖層厚度d取為100 cm。

（2）模擬分析結(jié)果。得到（d=100 cm，a=15°）雙重防護(hù)條件下應(yīng)力與位移關(guān)系模擬分析結(jié)果如表4 所示[4]。

表4 雙重防護(hù)條件下應(yīng)力與位移關(guān)系模擬結(jié)果

分析結(jié)果顯示，優(yōu)化阻攔墻路基側(cè)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，路基和阻攔墻水平和垂向移位均明顯降低。阻攔結(jié)構(gòu)的防護(hù)下，路基的最大應(yīng)力波動(dòng)較為平緩，廢棄輪胎消能緩沖層顯著降低阻攔墻的最大應(yīng)力，雙重防護(hù)的路基和阻攔墻的最大應(yīng)力、垂向最大移位和水平最大移位均低于單一措施的功效數(shù)值。說(shuō)明雙重防護(hù)設(shè)計(jì)具有明顯的組合增效特征，提升單一設(shè)計(jì)措施的抗泥石流沖擊的防護(hù)功效。所以只要條件允許，應(yīng)盡可能采取多種防護(hù)措施，實(shí)施多重技術(shù)手段組合防護(hù)，則泥石流路基防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性?xún)?chǔ)備會(huì)更充足，防護(hù)效果會(huì)更好。

4 結(jié)語(yǔ)

基于工程研究實(shí)例，開(kāi)展了泥石流路基防護(hù)阻攔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。介紹了案例泥石流路基防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。介紹了3 種設(shè)計(jì)形式的泥石流阻攔防護(hù)效果。

（1）改善規(guī)格形式設(shè)計(jì)的模擬結(jié)果顯示，阻攔墻最大應(yīng)力降速在15°時(shí)開(kāi)始變得緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定，該角度下，路基和阻攔墻的應(yīng)力和移位都較小；實(shí)際工程中a角也不能設(shè)置的過(guò)大，所以案例工程選擇15°角度設(shè)計(jì)配置。

（2）廢棄輪胎消能緩沖層設(shè)計(jì)的模擬結(jié)果顯示，不同緩沖層厚度設(shè)計(jì)下的路基和阻攔墻的應(yīng)力和形變均明顯降低，顯示廢棄輪胎消能緩沖層的泥石流沖擊防護(hù)功效明顯；存在多種廢舊輪胎規(guī)格可以選擇，考慮施工條件和工程經(jīng)濟(jì)性等因素，案例工程選擇100 cm 厚度。

（3）雙重組合設(shè)計(jì)的模擬結(jié)果顯示，組合設(shè)計(jì)具有明顯的組合增效特征，所以應(yīng)盡可能采取多種防護(hù)措施，實(shí)施多重技術(shù)手段組合防護(hù)，則泥石流路基防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性?xún)?chǔ)備會(huì)更充足，防護(hù)效果會(huì)更好。