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摘要:由于特殊的地質情況，我國西部山區常發生泥石流災害，沖刷涵洞導致涵洞毀損，極大影響了交通運營。依據云南東川黑水河的基本情況，以流固耦合理論為依據，運用有限元軟件ADINA仿真模擬泥石流沖蝕涵洞過程、涵洞的應力特性和泥石流流態變化特征，探討泥石流沖蝕涵洞的進程當中涵洞的毀損機理，并以此得到涵洞受泥石流沖擊過程當中所受的最大應力及其位置。研究表明:經泥石流的反復沖刷后涵洞從產生塑性變形到最終屈服破壞的過程表現為微觀到宏觀的演繹過程;涵洞經歷泥石流四次沖蝕后，涵洞最不利位置出現在側墻中部至下部與鋪底局部區域，最大應力值為0．739MPa。

關鍵詞:涵洞;泥石流地區;毀損機理;數值模擬;流固耦合

0引言

我國西部山區泥石流區域面廣，夏季強降雨容易爆發泥石流，導致涵洞易失穩、淤埋。為了提高涵洞抗沖刷、疏導功能，研究泥石流地區涵洞的毀損機理十分有必要。近年來，國內外研究許多關于泥石流沖擊、磨蝕作用及泥石流沖蝕防護結構的數值模擬。陳洪凱［1］等探究泥石流沖擊、磨蝕速流結構過程及毀損機理;吳四飛［2］等利用ADINA建立數模，模擬西昌平川泥石流沖擊、磨蝕速流結構過程并分析沖蝕過程中的動力響應;楊銘等［3］通過建立突變河流對山區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理;Yvonne等［4］通過調查不列顛哥倫比亞省海達•蓋伊并建立數值模型，以泥石流的復發間隔、溝道補給速率和影響泥石流物質沉積因素為基礎，推算調查地區泥石流量;崔鵬［5］等人依據泥石流運動阻力特性建立泥石流阻力模型;葉圣生等［6］考察某庫壩區泥石流溝情況，確定泥石流溝的基本參數與特性，探討該地區泥石流溝的形成與發育規律。以往針對于泥石流對岸坡、橋墩及攔擋結構破壞研究較多，而對涵洞毀損機理研究較少，研究涵洞的毀損機理有助于合理有效的設計涵洞，使得涵洞能良好地發揮排導疏浚功能。以泥石流區高速公路關鍵技術研究為依托，以流固耦合理論為基礎，依據云南東川黑水河的基本情況，運用ADINA軟件研究在泥石流的反復沖蝕過程中涵洞毀損機理。

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紊流模型與紊流動能及其耗散結合。

1.2基于ADINA計算模塊FIS的時間積分數值仿真泥石流與涵洞耦合過程時，時間設置必須相容，泥石流和涵洞建模作用界面單元時間要保持同步性。在ADINA有限元模型中，假設流體變量設置為f，結構位移設置為d(m)，根據上述時間條件得出流體方程和結構方程分別滿足:Gf(f，f')=0和Gs(d，d'，d″)=0，將t+Δt時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當中。

1．3基于ADINA有限元的流固耦合方程假定將X=(Xf，Xs)記為耦合系統當中的解向量。其中Xf代表流體上的解向量;Xs表示結構節點上的解向量。因此有ds=ds(Xs)，τf=τf(Xf)。流體和結構方程可分別表示為Ff［Xf，0］=0，Fs［Xs，0］=0。

2泥石流與涵洞耦合過程數值模擬

2．1黑水河流域自然概況據考察，黑水河溝域上游區域水土流失嚴重，為常年流水溝。在多雨季節時，黑水溝經常性地發生陣性泥石流，且主要為絮流型泥石流，泥石流紊流變化劇烈，在公路淤積區中出現泥深2．5m的最大沖擊痕跡。泥石流溝域的兩側山體極為破碎。崩塌、滑坡群堆積于溝道兩側及溝道中，松散固體物質豐富，據調查，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中，泥石流對涵洞側墻主要產生磨蝕和沖刷作用，泥石流對鋪底主要產生掏蝕和沖刷作用。以云南東川黑水河為研究對象來分析泥石流區域涵洞毀損機理，經調查，黑水河下游公路跨溝區蓋板涵側墻和鋪底沖蝕和掏挖嚴重，以此為依據建立物理模型和力學模型。

2．3時間步長及仿真參數據調查，黑水河在雨季易發生突發性泥石流，作用時間一般為15s～3min，考慮計算機運行時間設定泥石流作用時間為17s，時間步長設為170步每步0．1s。數值仿真參數見表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泥石流沖蝕涵洞應力變化結果及分析流場中箭頭表示泥石流速度矢量圖;結構區域里箭頭表示涵洞受沖刷后受力圖，當受沖擊部位紅色箭頭越大越密時，表示泥石流紊流變化越激烈，作用在此部位應力越集中，此時涵洞容易產生塑性破壞。

3結論

(1)泥石流沖蝕涵洞的過程表現出微觀到宏觀的推演進程。在四次沖蝕過程當中，泥石流對路基填料接觸的側墻泥深范圍、側墻和蓋板的接縫位置以及涵洞基礎與鋪底接縫位置產生了應力集中，致使屈服破壞;同時也影響著路基填料。因此設計涵洞時要對涵洞外側填料和蓋板的厚度、密實度進行合理設計。(2)涵洞經歷泥石流四次沖蝕后，涵洞最不利位置出現在側墻中部至下部與鋪底局部區域，最大應力值為0．739MPa，毀損區域未直接受到剪切破壞，但發生彎曲塑性變形，并最終在反復沖蝕過程當中出現屈服剝離。發生彈性變形的局部區域會繼續遭受泥石流的反復沖擊，最終發生屈服破壞。

參考文獻

［1］陳洪凱，唐紅梅，吳四飛．泥石流對速流結構的磨損作用研究［J］．應用數學與力學，2004，25(11):1151－1156．

［2］吳四飛，唐紅梅，李強，等．泥石流和速流結構耦合作用數值模擬［J］．重慶交通學院學報，2004，23(5):89－93．

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

［5］崔鵬，唐金波，林鵬智．泥石流運動阻力特性及其研究進展［J］．四川大學學報(工程科學版)，2016(3):1－11．

［6］葉圣生，梁梁，李會中，等．某庫壩區泥石流發育分布規律及活動特征研究［J］．資源環境與工程，2017(4):501－505．

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

作者：張梅意1，袁猛2 單位：1．重慶交通大學土木工程學院，2．廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院