泥石流地區(qū)涵洞毀損機(jī)理探討范文

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摘要:由于特殊的地質(zhì)情況，我國西部山區(qū)常發(fā)生泥石流災(zāi)害，沖刷涵洞導(dǎo)致涵洞毀損，極大影響了交通運(yùn)營。依據(jù)云南東川黑水河的基本情況，以流固耦合理論為依據(jù)，運(yùn)用有限元軟件ADINA仿真模擬泥石流沖蝕涵洞過程、涵洞的應(yīng)力特性和泥石流流態(tài)變化特征，探討泥石流沖蝕涵洞的進(jìn)程當(dāng)中涵洞的毀損機(jī)理，并以此得到涵洞受泥石流沖擊過程當(dāng)中所受的最大應(yīng)力及其位置。研究表明:經(jīng)泥石流的反復(fù)沖刷后涵洞從產(chǎn)生塑性變形到最終屈服破壞的過程表現(xiàn)為微觀到宏觀的演繹過程;涵洞經(jīng)歷泥石流四次沖蝕后，涵洞最不利位置出現(xiàn)在側(cè)墻中部至下部與鋪底局部區(qū)域，最大應(yīng)力值為0．739MPa。

關(guān)鍵詞:涵洞;泥石流地區(qū);毀損機(jī)理;數(shù)值模擬;流固耦合

0引言

我國西部山區(qū)泥石流區(qū)域面廣，夏季強(qiáng)降雨容易爆發(fā)泥石流，導(dǎo)致涵洞易失穩(wěn)、淤埋。為了提高涵洞抗沖刷、疏導(dǎo)功能，研究泥石流地區(qū)涵洞的毀損機(jī)理十分有必要。近年來，國內(nèi)外研究許多關(guān)于泥石流沖擊、磨蝕作用及泥石流沖蝕防護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬。陳洪凱［1］等探究泥石流沖擊、磨蝕速流結(jié)構(gòu)過程及毀損機(jī)理;吳四飛［2］等利用ADINA建立數(shù)模，模擬西昌平川泥石流沖擊、磨蝕速流結(jié)構(gòu)過程并分析沖蝕過程中的動(dòng)力響應(yīng);楊銘等［3］通過建立突變河流對山區(qū)沿河公路路基的沖刷模型，分析泥石流沖蝕橋梁墩臺毀損機(jī)理;Yvonne等［4］通過調(diào)查不列顛哥倫比亞省海達(dá)•蓋伊并建立數(shù)值模型，以泥石流的復(fù)發(fā)間隔、溝道補(bǔ)給速率和影響泥石流物質(zhì)沉積因素為基礎(chǔ)，推算調(diào)查地區(qū)泥石流量;崔鵬［5］等人依據(jù)泥石流運(yùn)動(dòng)阻力特性建立泥石流阻力模型;葉圣生等［6］考察某庫壩區(qū)泥石流溝情況，確定泥石流溝的基本參數(shù)與特性，探討該地區(qū)泥石流溝的形成與發(fā)育規(guī)律。以往針對于泥石流對岸坡、橋墩及攔擋結(jié)構(gòu)破壞研究較多，而對涵洞毀損機(jī)理研究較少，研究涵洞的毀損機(jī)理有助于合理有效的設(shè)計(jì)涵洞，使得涵洞能良好地發(fā)揮排導(dǎo)疏浚功能。以泥石流區(qū)高速公路關(guān)鍵技術(shù)研究為依托，以流固耦合理論為基礎(chǔ)，依據(jù)云南東川黑水河的基本情況，運(yùn)用ADINA軟件研究在泥石流的反復(fù)沖蝕過程中涵洞毀損機(jī)理。

1泥石流與涵洞流固耦合原理

1．1基于不可壓縮泥石流體的k－ε紊流模型泥石流是一種不定常、高紊流及不可壓縮流體，將k－ε紊流模型與紊流動(dòng)能及其耗散結(jié)合。

1.2基于ADINA計(jì)算模塊FIS的時(shí)間積分?jǐn)?shù)值仿真泥石流與涵洞耦合過程時(shí)，時(shí)間設(shè)置必須相容，泥石流和涵洞建模作用界面單元時(shí)間要保持同步性。在ADINA有限元模型中，假設(shè)流體變量設(shè)置為f，結(jié)構(gòu)位移設(shè)置為d(m)，根據(jù)上述時(shí)間條件得出流體方程和結(jié)構(gòu)方程分別滿足:Gf(f，f')=0和Gs(d，d'，d″)=0，將t+Δt時(shí)刻泥石流流體的速度、加速度方程以及位移量方程作用到泥石流與涵洞的耦合系統(tǒng)當(dāng)中。

1．3基于ADINA有限元的流固耦合方程假定將X=(Xf，Xs)記為耦合系統(tǒng)當(dāng)中的解向量。其中Xf代表流體上的解向量;Xs表示結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上的解向量。因此有ds=ds(Xs)，τf=τf(Xf)。流體和結(jié)構(gòu)方程可分別表示為Ff［Xf，0］=0，F(xiàn)s［Xs，0］=0。

2泥石流與涵洞耦合過程數(shù)值模擬

2．1黑水河流域自然概況據(jù)考察，黑水河溝域上游區(qū)域水土流失嚴(yán)重，為常年流水溝。在多雨季節(jié)時(shí)，黑水溝經(jīng)常性地發(fā)生陣性泥石流，且主要為絮流型泥石流，泥石流紊流變化劇烈，在公路淤積區(qū)中出現(xiàn)泥深2．5m的最大沖擊痕跡。泥石流溝域的兩側(cè)山體極為破碎。崩塌、滑坡群堆積于溝道兩側(cè)及溝道中，松散固體物質(zhì)豐富，據(jù)調(diào)查，主溝長9．9km，比降為1/5．4，流速為8.3m/s，一次沖出流量為30000～50000m3。

2．2建立泥石流與涵洞耦合模型在泥石流沖蝕涵洞的過程當(dāng)中，泥石流對涵洞側(cè)墻主要產(chǎn)生磨蝕和沖刷作用，泥石流對鋪底主要產(chǎn)生掏蝕和沖刷作用。以云南東川黑水河為研究對象來分析泥石流區(qū)域涵洞毀損機(jī)理，經(jīng)調(diào)查，黑水河下游公路跨溝區(qū)蓋板涵側(cè)墻和鋪底沖蝕和掏挖嚴(yán)重，以此為依據(jù)建立物理模型和力學(xué)模型。

2．3時(shí)間步長及仿真參數(shù)據(jù)調(diào)查，黑水河在雨季易發(fā)生突發(fā)性泥石流，作用時(shí)間一般為15s～3min，考慮計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間設(shè)定泥石流作用時(shí)間為17s，時(shí)間步長設(shè)為170步每步0．1s。數(shù)值仿真參數(shù)見表2，其中a表示泥石流體;b表示混凝土;c表示路基填土;d表示鋪底基巖;e表示漿砌片石。

2．4．2泥石流沖蝕涵洞應(yīng)力變化結(jié)果及分析流場中箭頭表示泥石流速度矢量圖;結(jié)構(gòu)區(qū)域里箭頭表示涵洞受沖刷后受力圖，當(dāng)受沖擊部位紅色箭頭越大越密時(shí)，表示泥石流紊流變化越激烈，作用在此部位應(yīng)力越集中，此時(shí)涵洞容易產(chǎn)生塑性破壞。

3結(jié)論

(1)泥石流沖蝕涵洞的過程表現(xiàn)出微觀到宏觀的推演進(jìn)程。在四次沖蝕過程當(dāng)中，泥石流對路基填料接觸的側(cè)墻泥深范圍、側(cè)墻和蓋板的接縫位置以及涵洞基礎(chǔ)與鋪底接縫位置產(chǎn)生了應(yīng)力集中，致使屈服破壞;同時(shí)也影響著路基填料。因此設(shè)計(jì)涵洞時(shí)要對涵洞外側(cè)填料和蓋板的厚度、密實(shí)度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。(2)涵洞經(jīng)歷泥石流四次沖蝕后，涵洞最不利位置出現(xiàn)在側(cè)墻中部至下部與鋪底局部區(qū)域，最大應(yīng)力值為0．739MPa，毀損區(qū)域未直接受到剪切破壞，但發(fā)生彎曲塑性變形，并最終在反復(fù)沖蝕過程當(dāng)中出現(xiàn)屈服剝離。發(fā)生彈性變形的局部區(qū)域會(huì)繼續(xù)遭受泥石流的反復(fù)沖擊，最終發(fā)生屈服破壞。

參考文獻(xiàn)

［1］陳洪凱，唐紅梅，吳四飛．泥石流對速流結(jié)構(gòu)的磨損作用研究［J］．應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)，2004，25(11):1151－1156．

［2］吳四飛，唐紅梅，李強(qiáng)，等．泥石流和速流結(jié)構(gòu)耦合作用數(shù)值模擬［J］．重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，23(5):89－93．

［3］楊銘，陳洪凱，陳斯棋．泥石流區(qū)橋梁墩臺破壞機(jī)制研究［J］．公路，2017，66－70.

［5］崔鵬，唐金波，林鵬智．泥石流運(yùn)動(dòng)阻力特性及其研究進(jìn)展［J］．四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2016(3):1－11．

［6］葉圣生，梁梁，李會(huì)中，等．某庫壩區(qū)泥石流發(fā)育分布規(guī)律及活動(dòng)特征研究［J］．資源環(huán)境與工程，2017(4):501－505．

［7］張兆順．紊流理論與模擬［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005:210－213．

作者：張梅意1，袁猛2 單位：1．重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2．廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院