王秀麗++高芳芳++張嘉懿++韓志平

摘要：為了解決泥石流攔擋壩在泥石流發(fā)生時容易被大塊石損毀的問題，提出了一種具有自復(fù)位功能的泥石流攔擋壩，并采用鋼球代替泥石流中的大塊石，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS對其進(jìn)行沖擊模擬，從壩體的變形、支反力、位移、加速度等方面與普通重力式泥石流攔擋壩進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：自復(fù)位攔擋壩較普通重力式泥石流攔擋壩有良好的抗沖擊性能，其應(yīng)力小且分布比普通重力式泥石流攔擋壩更均勻，支反力和加速度較普通重力式泥石流攔擋壩有顯著降低，位移略大于普通重力式泥石流攔擋壩。

關(guān)鍵詞：自復(fù)位；泥石流攔擋壩；抗沖擊性能；ABAQUS；數(shù)值模擬

中圖分類號：TV642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

泥石流是地質(zhì)不良山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害[1]，其主要類型有：雨水泥石流（主要由降雨激發(fā)而形成的一大類泥石流）、潰決泥石流（各種天然的與人工水體的岸、堤、壩潰決形成的泥石流）、地下水泥石流（巖土體長期在地下水浸透作用下突然暴涌形成的泥石流）、冰（川）雪泥石流（主要由冰川或積雪消融激發(fā)而成的泥石流）、崩（塌）滑坡泥石流（滑坡型泥石流是一種特殊能量轉(zhuǎn)換體運(yùn)動類型，它是在很短時間內(nèi)由滑坡體的位能快速轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大動能的一次性滑動流動堆積）、火山泥石流（火山爆發(fā)引發(fā)的泥石流）、地震泥石流（由地震作用導(dǎo)致的泥石流）、人為泥石流（主要由于人類不合理的經(jīng)濟(jì)活動而造成的一大類型泥石流）[2]。中國地域遼闊，2/3以上為山區(qū)，因此大多數(shù)災(zāi)害是由強(qiáng)降雨及地震引發(fā)的滑坡泥石流，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[36]。泥石流漿體的動壓力及其所含塊石的撞擊力是危害泥石流防治工程體系的直接因素，后者是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的最主要荷載[710]。

自恢復(fù)體系是一種新型的減震控制結(jié)構(gòu)體系，主要原理是放松結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)交界面處或者結(jié)構(gòu)構(gòu)件交界面處的約束，使該界面僅有受壓能力而無受拉能力，結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生搖擺而本身并無太大的彎曲變形，通過自重或預(yù)應(yīng)力恢復(fù)到原有的位置時不會產(chǎn)生永久性的殘余變形[1112]。這樣的構(gòu)造體系會大幅度提升結(jié)構(gòu)的耗能能力，減少結(jié)構(gòu)破壞。為了提高泥石流攔擋壩的抗沖擊性能，本文將這一理念運(yùn)用到泥石流防治體系中，設(shè)計出一種可自復(fù)位的攔擋壩（下稱自復(fù)位壩），并用ABAQUS軟件對普通重力式泥石流攔擋壩（下稱普通壩）和自復(fù)位攔擋壩進(jìn)行了抗沖擊性能的對比分析，其結(jié)果對于自復(fù)位體系在泥石流防治工程中的應(yīng)用具有一定借鑒作用。

1 自復(fù)位壩體組成

自復(fù)位的思想來源于預(yù)制無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架的研究[1314]。研究人員發(fā)現(xiàn)通過預(yù)應(yīng)力鋼索，可以有效地控制結(jié)構(gòu)的破壞，同時使結(jié)構(gòu)構(gòu)件表現(xiàn)出良好的復(fù)位能力。自復(fù)位的思想首先運(yùn)用在了鋼框架結(jié)構(gòu)體系中。2001年Ricles等[15]設(shè)計了一種具備自復(fù)位能力的鋼梁柱節(jié)點，見圖1，通過沿鋼梁軸向給梁柱節(jié)點施加預(yù)應(yīng)力，保證梁翼緣與柱翼緣緊密接觸，施加預(yù)應(yīng)力的鋼絞線在柱的外翼緣錨固，梁的上下翼緣通過角鋼與柱連接。這種框架具有足夠的剛度、強(qiáng)度及延性，表現(xiàn)優(yōu)于具有傳統(tǒng)節(jié)點的框架體系。很多學(xué)者又針對節(jié)點進(jìn)行了改進(jìn)研究，將摩擦阻尼器增加到節(jié)點中[1618]，形成SCCBF系統(tǒng)，見圖2，增加了節(jié)點的耗能性能。本文主要將無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力技術(shù)運(yùn)用到鋼筋混凝土泥石流攔擋壩體中，在普通壩壩體中布置了6根1860級預(yù)應(yīng)力鋼絞線，形成自復(fù)位的攔擋壩體。自復(fù)位壩和普通壩尺寸相同。壩體迎流面垂直，背流面坡度取1∶0.067[19]。限于計算機(jī)的計算能力及數(shù)值模擬的可操作性，本文采用甘肅省舟曲縣三眼峪溝泥石流災(zāi)害治理工程中攔擋壩的縮尺模型進(jìn)行模擬對比?？紤]到后續(xù)試驗的可行性，泥石流中大塊石采用鋼球進(jìn)行等效[20]，鋼球直徑為0.7 m。壩體模型為縮尺模型[21]，具體尺寸為：壩長2 m，壩高1.5 m，壩底寬0.5 m，壩頂寬0.3 m。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線均布在自復(fù)位壩體內(nèi)，見圖3。

這種自復(fù)位壩體由鋼筋混凝土墻與內(nèi)置的豎向無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成。壩體與基礎(chǔ)靠無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線連接，當(dāng)沒有荷載作用時，壩體和預(yù)應(yīng)力鋼絞線都無變形和位移；當(dāng)有荷載時，壩體可以繞中軸轉(zhuǎn)動，如圖4所示，通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線提供約束和恢復(fù)力。

2 自復(fù)位壩體和普通壩體抗沖擊性能對比分析

2.1 自復(fù)位壩和普通壩有限元模型

采用有限元軟件ABAQUS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，其中普通壩和自復(fù)位壩均采用理想彈塑性模型，其密度ρ=2 500 kg·m-3，彈性模量E=25.5 GPa，泊松比ν=0.2。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線為Truss單元，其密度ρ=7 800 kg·m-3，彈性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.3，熱膨脹系數(shù)a=1.2×10-5，截面面積A=285 mm2。球體綁定為剛體，采用Q345鋼，密度ρ=7 850 kg·m-3，彈性模量E=206 GPa。除約束條件和內(nèi)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線外，普通壩體和預(yù)應(yīng)力壩體模型大小一樣。在分析過程中，接觸的目標(biāo)面和接觸面雖已知，但接觸位置并不確定，因此模型中的接觸定義為面面自動接觸[22]。自復(fù)位壩體底面定義為鉸接，預(yù)應(yīng)力鋼絞線底部和基礎(chǔ)固接，頂部和壩體定義為MPCtie連接，通過降溫法對鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力。普通壩體底部定義為固接。模型劃分網(wǎng)格時避免切割球體采用四面體自由劃分，壩體采用結(jié)構(gòu)劃分，如圖5所示。

2.2 應(yīng)力對比分析

本文對鋼球質(zhì)量為0.5 t，速度為8 m·s-1，撞擊高度為0.75 m，溫度為-100 ℃的典型工況進(jìn)行有限元模擬，對自復(fù)位壩和普通壩的應(yīng)力、壩底支反力、位移及加速度進(jìn)行對比分析。圖6為-100 ℃時預(yù)應(yīng)力鋼絞線Von Mises應(yīng)力云圖。圖7為自復(fù)位壩和普通壩變形，圖8和圖9分別為普通壩和自復(fù)位壩不同時刻的Von Mises應(yīng)力云圖。

由圖6可知，在溫度為-100 ℃時，預(yù)應(yīng)力鋼絞線上均勻受力為252 MPa，遠(yuǎn)小于它的屈服應(yīng)力。從圖7可以看出：普通壩和自復(fù)位壩的變形均很小，普通壩較自復(fù)位壩變形稍微明顯，這是因為普通壩的約束強(qiáng)于自復(fù)位壩，在受到?jīng)_擊時，自復(fù)位壩體由于繞橫軸的轉(zhuǎn)動搖擺，使得球體和壩體接觸面變大，接觸時間延長，沖量變小所致。

從圖8和圖9可以看出，在時間t=0.037 s時，鋼球和壩體剛好接觸，普通壩碰撞部位變形較為明顯，應(yīng)力比較集中，形成一個直徑約為20 cm的撞擊坑，撞擊處應(yīng)力立刻達(dá)到混凝土極限抗壓承載力，這說明撞擊部位混凝土已經(jīng)失效，隨著沖擊的繼續(xù)進(jìn)行，應(yīng)力由碰撞區(qū)域向四周和由壩底向上部及四周迅速擴(kuò)展，壩肩處應(yīng)力一直較小。鋼球撞擊壩體時間較短，整個沖擊時間為0.013 s。自復(fù)位壩體由于放松壩體底部和基礎(chǔ)的約束，在受到?jīng)_擊時，壩體繞橫軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，使得鋼球和壩體的接觸面積發(fā)生變化，碰撞區(qū)域擴(kuò)展開來，因此自復(fù)位壩撞擊區(qū)域處的應(yīng)力并未像普通壩那樣集中。同時由于自復(fù)位壩體內(nèi)部鋼絞線提供了恢復(fù)力，壩體繞橫軸發(fā)生往復(fù)搖擺，大部分沖擊力被消耗掉，故而壩體的應(yīng)力呈往復(fù)減小變化，擴(kuò)展小于普通壩，并且應(yīng)力始終小于普通壩的應(yīng)力。整個過程持時0.033 s，為普通壩沖擊時間的2.54倍。

2.3 壩底支反力、位移及加速度對比分析

自復(fù)位壩和普通壩在鋼球的撞擊作用下，在壩底會產(chǎn)生X，Y，Z三個方向的反力F。由于與沖擊方向X方向相比，Z方向反力較小，Y方向自復(fù)位壩體由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線的存在又比較大，沒有可比性，因而就不在此討論了。普通壩和自復(fù)位壩的X方向壩底支反力、壩頂位移、加速度時程曲線如圖10～12所示。表1為普通壩和自復(fù)位壩的最大支反力、位移、加速度對比。

從圖10可以看出，普通壩和自復(fù)位壩的壩底支反力FX時程曲線均在直線FX=0的上下來回波動，這說明普通壩和自復(fù)位壩在受到?jīng)_擊后在X方向發(fā)生了振蕩，但是相比于普通壩，自復(fù)位壩的支反力要小很多，最大支反力只有普通壩的1/3.95。壩體的振蕩是由撞擊之后的慣性引起的，但是在自復(fù)位壩中，放松的基底約束減小了鋼球?qū)误w的沖量，豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線減小了壩體在X方向由沖擊引起的慣性力，自復(fù)位體系消耗掉了部分沖擊力，所以整個壩體的基底支反力要小于普通壩體。

從圖11可以看出，普通壩X方向的最大正位移為5.07 mm，自復(fù)位壩最大正位移為8.32 mm，自復(fù)位壩的壩頂位移是普通壩的1.64倍，這主要是約束不同造成的。普通壩體底部約束為完全固接，在受到?jīng)_擊時整個壩體只有壩頂部位會產(chǎn)生較大位移，而自復(fù)位壩體由于壩底并未完全固接，在沖擊力作用下，壩體會在X，Y，Z方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，沖擊發(fā)生在X方向，導(dǎo)致X方向的位移會比較大，但由于壩體內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼絞線提供了恢復(fù)力，所以相對于普通壩體，自復(fù)位壩體位移并未太大。

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，在沖擊荷載作用下，結(jié)構(gòu)由于加速度產(chǎn)生的慣性力及外荷載會使結(jié)構(gòu)處于動平衡狀態(tài)，因此，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)尤其是最大加速度是非常重要的一個參數(shù)。從表1及圖12可以看出，在撞擊過程中，自復(fù)位壩體的加速度響應(yīng)遠(yuǎn)小于普通壩體，其最大加速度為普通壩的1/3.7，并且在撞擊 結(jié)束后迅速減小至0。普通壩加速度幅值較大，

在計算結(jié)束時仍在波動，其慣性效應(yīng)遠(yuǎn)大于自復(fù)位壩。3 參數(shù)分析

本文參數(shù)分析主要討論了不同撞擊速度、不同撞擊高度以及不同預(yù)應(yīng)力對泥石流攔擋壩的基底支反力、壩頂位移及加速度的影響。

表2為不同撞擊速度下普通壩的最大支反力和位移。表3為不同撞擊速度、溫度下自復(fù)位壩的最大支反力和位移。不同撞擊速度v和撞擊高度對自

從表2，3和圖13～17可以看出：普通壩和自復(fù)位壩的位移和X方向的支反力都隨鋼球沖擊速度的增大而增大；在相同的撞擊速度下，壩體的位移和支反力會隨撞擊點高度的增加而增加；自復(fù)位壩的支反力和加速度隨預(yù)應(yīng)力的增加而增加，位移隨預(yù)應(yīng)力的增加而減小，這是因為鋼絞線上施加的預(yù)應(yīng)力增大，壩體的約束變強(qiáng)，在受到?jīng)_擊荷載時，位移就會減小，支反力及加速度增大；與普通壩相比，自復(fù)位壩的最大支反力和加速度大幅度降低，位移略有增加，整個結(jié)構(gòu)的自復(fù)位組件耗能性能很明顯。

4 結(jié) 語

（1）與普通壩相比，自復(fù)位壩的約束較弱，因此在受到?jīng)_擊荷載時，壩體可以發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而減小了鋼球和壩體接觸時的沖量和應(yīng)力集中，降低壩體由于沖擊力過大發(fā)生局部破壞的可能。

（2）自復(fù)位壩和普通壩相比，其支反力是普通壩的1/3.95，位移是普通壩的1.64倍，加速度響應(yīng)是普通壩的1/3.7，說明自復(fù)位組件在泥石流攔擋壩中發(fā)揮了良好的耗能性能，自復(fù)位泥石流攔擋壩具有良好的抗沖擊性能。

（3）普通壩和自復(fù)位壩的位移及支反力都會隨鋼球沖擊速度的增大而增大，自復(fù)位壩的支反力會隨鋼絞線上預(yù)應(yīng)力的增大而增大，位移隨預(yù)應(yīng)力的增大而減小，說明壩體約束的強(qiáng)弱在一定程度上會影響壩體的抗沖擊性能。

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