泥石流地区涵洞毁损机理探讨范文

摘要:由于特殊的地质情况，我国西部山区常发生泥石流灾害，冲刷涵洞导致涵洞毁损，极大影响了交通运营。依据云南东川黑水河的基本情况，以流固耦合理论为依据，运用有限元软件ADINA仿真模拟泥石流冲蚀涵洞过程、涵洞的应力特性和泥石流流态变化特征，探讨泥石流冲蚀涵洞的进程当中涵洞的毁损机理，并以此得到涵洞受泥石流冲击过程当中所受的最大应力及其位置。研究表明:经泥石流的反复冲刷后涵洞从产生塑性变形到最终屈服破坏的过程表现为微观到宏观的演绎过程;涵洞经历泥石流四次冲蚀后，涵洞最不利位置出现在侧墙中部至下部与铺底局部区域，最大应力值为0．739MPa。

关键词:涵洞;泥石流地区;毁损机理;数值模拟;流固耦合

0引言

我国西部山区泥石流区域面广，夏季强降雨容易爆发泥石流，导致涵洞易失稳、淤埋。为了提高涵洞抗冲刷、疏导功能，研究泥石流地区涵洞的毁损机理十分有必要。近年来，国内外研究许多关于泥石流冲击、磨蚀作用及泥石流冲蚀防护结构的数值模拟。陈洪凯［1］等探究泥石流冲击、磨蚀速流结构过程及毁损机理;吴四飞［2］等利用ADINA建立数模，模拟西昌平川泥石流冲击、磨蚀速流结构过程并分析冲蚀过程中的动力响应;杨铭等［3］通过建立突变河流对山区沿河公路路基的冲刷模型，分析泥石流冲蚀桥梁墩台毁损机理;Yvonne等［4］通过调查不列颠哥伦比亚省海达•盖伊并建立数值模型，以泥石流的复发间隔、沟道补给速率和影响泥石流物质沉积因素为基础，推算调查地区泥石流量;崔鹏［5］等人依据泥石流运动阻力特性建立泥石流阻力模型;叶圣生等［6］考察某库坝区泥石流沟情况，确定泥石流沟的基本参数与特性，探讨该地区泥石流沟的形成与发育规律。以往针对于泥石流对岸坡、桥墩及拦挡结构破坏研究较多，而对涵洞毁损机理研究较少，研究涵洞的毁损机理有助于合理有效的设计涵洞，使得涵洞能良好地发挥排导疏浚功能。以泥石流区高速公路关键技术研究为依托，以流固耦合理论为基础，依据云南东川黑水河的基本情况，运用ADINA软件研究在泥石流的反复冲蚀过程中涵洞毁损机理。

1泥石流与涵洞流固耦合原理

1．1基于不可压缩泥石流体的k－ε紊流模型泥石流是一种不定常、高紊流及不可压缩流体，将k－ε紊流模型与紊流动能及其耗散结合。

1.2基于ADINA计算模块FIS的时间积分数值仿真泥石流与涵洞耦合过程时，时间设置必须相容，泥石流和涵洞建模作用界面单元时间要保持同步性。在ADINA有限元模型中，假设流体变量设置为f，结构位移设置为d(m)，根据上述时间条件得出流体方程和结构方程分别满足:Gf(f，f')=0和Gs(d，d'，d″)=0，将t+Δt时刻泥石流流体的速度、加速度方程以及位移量方程作用到泥石流与涵洞的耦合系统当中。

1．3基于ADINA有限元的流固耦合方程假定将X=(Xf，Xs)记为耦合系统当中的解向量。其中Xf代表流体上的解向量;Xs表示结构节点上的解向量。因此有ds=ds(Xs)，τf=τf(Xf)。流体和结构方程可分别表示为Ff［Xf，0］=0，Fs［Xs，0］=0。

2泥石流与涵洞耦合过程数值模拟

2．1黑水河流域自然概况据考察，黑水河沟域上游区域水土流失严重，为常年流水沟。在多雨季节时，黑水沟经常性地发生阵性泥石流，且主要为絮流型泥石流，泥石流紊流变化剧烈，在公路淤积区中出现泥深2．5m的最大冲击痕迹。泥石流沟域的两侧山体极为破碎。崩塌、滑坡群堆积于沟道两侧及沟道中，松散固体物质丰富，据调查，主沟长9．9km，比降为1/5．4，流速为8.3m/s，一次冲出流量为30000～50000m3。

2．2建立泥石流与涵洞耦合模型在泥石流冲蚀涵洞的过程当中，泥石流对涵洞侧墙主要产生磨蚀和冲刷作用，泥石流对铺底主要产生掏蚀和冲刷作用。以云南东川黑水河为研究对象来分析泥石流区域涵洞毁损机理，经调查，黑水河下游公路跨沟区盖板涵侧墙和铺底冲蚀和掏挖严重，以此为依据建立物理模型和力学模型。

2．3时间步长及仿真参数据调查，黑水河在雨季易发生突发性泥石流，作用时间一般为15s～3min，考虑计算机运行时间设定泥石流作用时间为17s，时间步长设为170步每步0．1s。数值仿真参数见表2，其中a表示泥石流体;b表示混凝土;c表示路基填土;d表示铺底基岩;e表示浆砌片石。

2．4．2泥石流冲蚀涵洞应力变化结果及分析流场中箭头表示泥石流速度矢量图;结构区域里箭头表示涵洞受冲刷后受力图，当受冲击部位红色箭头越大越密时，表示泥石流紊流变化越激烈，作用在此部位应力越集中，此时涵洞容易产生塑性破坏。

3结论

(1)泥石流冲蚀涵洞的过程表现出微观到宏观的推演进程。在四次冲蚀过程当中，泥石流对路基填料接触的侧墙泥深范围、侧墙和盖板的接缝位置以及涵洞基础与铺底接缝位置产生了应力集中，致使屈服破坏;同时也影响着路基填料。因此设计涵洞时要对涵洞外侧填料和盖板的厚度、密实度进行合理设计。(2)涵洞经历泥石流四次冲蚀后，涵洞最不利位置出现在侧墙中部至下部与铺底局部区域，最大应力值为0．739MPa，毁损区域未直接受到剪切破坏，但发生弯曲塑性变形，并最终在反复冲蚀过程当中出现屈服剥离。发生弹性变形的局部区域会继续遭受泥石流的反复冲击，最终发生屈服破坏。

参考文献

［1］陈洪凯，唐红梅，吴四飞．泥石流对速流结构的磨损作用研究［J］．应用数学与力学，2004，25(11):1151－1156．

［2］吴四飞，唐红梅，李强，等．泥石流和速流结构耦合作用数值模拟［J］．重庆交通学院学报，2004，23(5):89－93．

［3］杨铭，陈洪凯，陈斯棋．泥石流区桥梁墩台破坏机制研究［J］．公路，2017，66－70.

［5］崔鹏，唐金波，林鹏智．泥石流运动阻力特性及其研究进展［J］．四川大学学报(工程科学版)，2016(3):1－11．

［6］叶圣生，梁梁，李会中，等．某库坝区泥石流发育分布规律及活动特征研究［J］．资源环境与工程，2017(4):501－505．

［7］张兆顺．紊流理论与模拟［M］．北京:清华大学出版社，2005:210－213．

作者：张梅意1，袁猛2 单位：1．重庆交通大学土木工程学院，2．广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院