新型泥石流拦挡坝抗块石冲击动力响应分析

吕志刚

（广东碧桂园职业学院建筑工程技术教研室，广东 清远 511510）

我国地质构造复杂，地形起伏大，降雨集中，泥石流分布广泛，暴发频繁，危害严重［1］。2010年8月7日，甘肃舟曲发生特大泥石流灾害，1471人遇难，496人失踪，5508间房屋被毁，是建国以来最严重的泥石流灾害事件［2］。

泥石流冲击力中大块石的冲击力很容易造成拦挡结构的破坏，针对这一问题提出一种弹簧格构泥石流拦挡坝（下称新型坝）。应用ANSYS软件中的LS-DYNA模块对新型坝和普通重力式泥石流拦挡坝（下称普通坝）进行了计算分析，结果表明新型坝具有优越的抗大块石冲击的能力。

1 弹簧格构坝提出

泥石流大块石对横向冲击拦挡坝的最大冲击力计算公式如公式（1）所示［3］，式中最大冲击力用Pmax表示，大块石的质量用m表示，块石的冲击速度用v表示，c，n为的坝体材料特性参数。由公式（1）可知，同一冲击能量下不同材质构成的坝体冲击力随c值的增大而增大，而c值反映了坝体材料的刚度特性，刚度越大，c值也越大，冲击力也越大。因此，以降低结构冲击接触面刚度从而降低冲击作用的思想提出了弹簧格构泥石流拦挡坝。

2 新型坝组成

新型坝由三部分组成，分别为后部混凝土坝体、中间弹簧和前部钢架。前部钢架和中间弹簧的设置可以起到一定的缓冲作用［4］，避免了后部混凝土坝体受到大块石的直接冲击破坏。新型坝的后部混凝土坝体迎流面垂直，便于设置中间弹簧。文中采用LS-DYNA软件进行数值模拟，新型坝后坝长取2m，高取1.5m，坝顶厚0.15m，坝底厚0.25m，弹簧长度为0.25m［5］。图1（a）为新型坝基本组成。如图1（b）前部钢架布置方式，其规格为100×50×5×7的H型钢。

图1 新型坝的组成（mm）

3 新型坝与普通坝抗冲击性能对比分析

3.1 新型坝与普通坝有限元模型

新型坝有限元模型前部钢架采用本构模型为理想弹塑性模型的SHELL163单元［6］，中间弹簧采用刚度为200kN/m的COMBIN165单元，后部混凝土坝体和普通坝采用本构模型为理想弹塑性模型的SOLID164单元。钢球本构模型为刚体模型。普通坝长2m，高1.5m，顶厚0.3m，底厚0.4m。新型坝与普通坝的有限元模型如图2所示。

图2 新型坝和普通坝的有限元模型

3.2 变形及应力对比分析

文中对钢球质量为0.9t、速度为8m/s、撞击点为坝体中部的典型工况进行模拟计算，对新型坝和普通坝的变形、应力，及冲击力与位移进行了对比分析。图3为新型坝和普通坝的变形及应力。

图3 新型坝和普通坝的变形及应力

由图3可知，普通坝受到钢球撞击时，碰撞接触点处的混凝土发生了塑性变形，应力值达到了20MPa，说明混凝土已被压碎，坝体底部应力较大，其他部位应力较小。新型坝受到钢球撞击时，前部钢架首先与钢球接触，发生较大塑性变形，钢架整体向后倾斜，压缩中间弹簧。整个撞击过程新型坝后坝没有受到直接冲击，并且前部钢架和中间弹簧起到了一定的缓冲作用，后坝应力一直处于较低的水平，最大应力只有9.73MPa。

3.3 冲击力、位移分析

文中的位移均为坝顶中部x方向的水平位移，新型坝研究后坝的水平位移。新型坝与普通坝最大冲击力与最大位移如表1所示，冲击力、位移时程曲线如图4、5所示。

表1 新型坝与普通坝的最大冲击力与位移

图4 新型坝与普通坝冲击力时程曲线

图5 新型坝与普通坝位移时程曲线

由表1和图4、图5可知，在相同钢球冲击作用下，新型坝受到的冲击力远小于普通坝的冲击力，只有普通坝的1/7.5，由于新型坝冲击接触面刚度小于普通坝，冲击接触时间长，冲击力持续时间约为普通坝的6倍；新型坝后坝位移只有普通坝位移的1/3.3，两种坝体在受到冲击的瞬间位移达到最大值，但新型坝位移的振幅较普通坝小很多，这也是前部钢架与中间弹簧的作用效果。

4 参数分析

不同的冲击速度v以及不同的弹簧刚度k对新型坝的动力响应有很大影响［7］，表2为普通坝在不同撞击速度下最大冲击力与位移数据，表3为新型坝在不同撞击速度和弹簧刚度下最大冲击力、位移的降幅。冲击速度与弹簧刚度对新型坝最大冲击力、位移的影响规律如图6、7所示。块石质量为0.5t，撞击点均为坝体中部。

表2 不同撞击速度下普通坝的最大冲击力、位移

表3 不同撞击速度和弹簧刚度下新型坝最大冲击力、位移的降幅

图6 撞击速度和弹簧刚度对新型坝最大冲击力的影响

图7 撞击速度和弹簧刚度对新型坝最大位移的影响

从表2、3和图6、7中可以看出，普通坝和新型坝的最大冲击力、位移随撞击物速度的增大而增大；新型坝的最大冲击力和位移随弹簧刚度的增大呈增大趋势；随着冲击速度的增大，新型坝的最大冲击力和位移的降幅都呈增大趋势；但随着弹簧刚度的增大，新型坝的最大冲击力和位移的降幅呈减小趋势；由于弹簧刚度过大有些工况的位移出现了负增长；与普通坝相比，新型坝最大冲击力、位移降幅均很明显，最大值分别达到了87.3%、70.7%。

5 结论

本文以调整结构刚度降低冲击作用的思想提出了新型泥石流拦挡坝，利用有限元软件对新型坝和普通坝进行了数值模拟及对比分析，得出了以下结论：

5.1 受到大块石冲击时，新型泥石流拦挡坝具有优越的抗冲击性能，由于前部钢架和中间弹簧的耗能作用，新型坝后坝的变形与应力明显减小。

5.2 冲击过程中普通坝碰撞接触点处的混凝土发生了较大的塑性变形，混凝土被压碎，坝体底部应力较大，而新型坝后坝基本没有发生塑性变形，并且应力很小；新型坝最大冲击力只有普通坝的1/7.5，最大位移只有普通坝的1/3.3。

5.3 新型坝的最大冲击力和位移随撞击物速度及弹簧刚度的增大而增大；新型坝最大冲击力、位移的降幅均很明显，最大值分别达到了87.3%和70.7%。

［1］赵健.我国泥石流防治措施研究［J］.中国水利，2007（14）：50-52.

［2］胡桂胜，陈宁生，邓明枫，等.甘肃舟曲三眼峪沟泥石流粗大颗粒冲击力特征分析［J］.地球与环境，2011（4）：478-484.

［3］何思明，吴永，沈均.泥石流大块石冲击力的简化计算［J］.自然灾害学报，2009（5）：51-56.

［4］何思明，吴永.新型耗能减震滚石棚洞作用机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2010（5）：926-932.

［5］郑国足.带弹簧支撑的新型新型泥石流拦挡坝抗冲击性能研究［J］.兰理工大学学报，2013：14-20.

［6］张鹏，周德源.基于ANSYS/LS-DYNA的护栏冲击模拟分析精度研究［J］.振动与冲击，2008，27（4）：147-152.

［7］王泽鹏，胡仁喜，康士延，等.ANSYS13.0/LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程［M］.北京：机械工业出版社，2011.