泥石流淤埋战备浮桥承载力分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇泥石流淤埋战备浮桥承载力分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：该文依托天山公路K630泥石流淤埋路段工程实例，提出一种泥石流淤埋战备浮桥应急通行结构，介绍相应结构设计形式。建立ANSYS有限元模型，对战备浮桥整体及细部构造进行承载力分析。结果表明，泥石流淤埋战备浮桥结构安全可靠，可以解决大型泥石流淤埋道路后应急通行问题，为抢险救灾工程节约宝贵时间。

关键词：泥石流淤埋路段 战备浮桥 承载墩 承载力分析

中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（a）-0014-04

Abstract： A debris flow passage structure of emergency readiness buried pontoon is designed， baseing on the K630 section of the Tianshan Highway debris flow buried engineering examples. The ANSYS finite element model is established for analysis of the bearing capacity of the whole bridge and the detail structure of combat readiness. Results show that the safety and reliability of debris flow buried readiness pontoon structure. The structure can solve the problem of disaster relief emergency traffic， saving valuable time when the buried road debris flow.

Key Word： Mudslides buried section； Combat readiness bridge； Bearing pier； Carrying capacity analysis

作为一种典型的灾害性地质现象，泥石流在我国西部山区发生次数频繁，对山区公路运行和养护过程产生了很大的破坏，严重影响到我国西部地区国民经济建设和人民的人身财产安全。仅仅2015年，我国西部地区泥石流突发淤埋沿线公路的重大事件就有20余起，累计造成的交通中断时间达到100余天，直接造成经济损失高达30亿元。尤其是特大泥石流暴发后，造成沉积物淤埋深度大于3 m，累计方量达到上万立方米，清淤工作量巨大，中断交通时间长达15天以上，严重阻碍了灾后的抢险救灾和备战能力，给国家带来了重大的经济损失。因此，大型泥石流淤埋路段应急抢险修复技术是减弱泥石流灾害的关键所在，是亟待解决的关键性问题。

目前，国内外学者在泥石流防灾减灾方面的研究已经取得了较多的成果，从工程措施和生态修复等方面形成了较完备的泥石流防治体系[1-4]。陈洪凯等提出了速流结构、翼型墩汇流结构、底埋隧道等泥石流防治措施，大量工程实践表明防治效果显著，取得了较大的社会和环境效益[5]。王兆印等通过比较分析拦挡坝与阶梯-深潭消能对文家沟泥石流的防护效果，提出拦挡坝有利于稳固边坡，阶梯-深潭可以消散泥石流能量从而保o拦挡坝稳定沟床，两者综合运用对大型泥石流防护效果显著[6]。Takahara等设计一种新型紧密水平单元的防砂坝结构，更好地防止土颗粒流失，降低泥石流发生的概率[7]。崔鹏等针对大型泥石流成灾特点，提出了不同孔径的拦砂坝群对泥石流分级拦淤，谷坊群对泥石流物源拦截等泥石流防治规划设计方法[8]。

然而，目前国内外对泥石流淤埋断道应急抢险方面的研究仍然十分薄弱，当发生泥石流淤埋道路后，需要较长时间才能恢复交通，严重阻碍了灾后抢险救灾以及应急备战。该文以天山公路K630泥石流冲失路段为依托，介绍了一种可以在大型泥石流淤埋道路后快速恢复交通的战备浮桥结构，并分析了其整体结构稳定性以及相应细部构造的受力情况，可为泥石流灾害发生后应急抢险提供宝贵的时间。

1 工程概况

G217国道地处拉帕特河道右岸，是连接新疆阿勒泰与和田市的重要交通运输通道，但由于地处K630泥石流沉积区腹地，自1977年通车以来，基本平均每年暴发1～2次泥石流灾害，中断时间均为10天以上，严重影响新疆北部的交通情况。图1为最近一次K630泥石流暴况，此次泥石流淤埋方量达到4万 m3，淤埋沿线15 m长的公路，泥石流淤埋体厚度达到4 m左右，造成经济损失多达1亿元。

2 战备浮桥结构设计

泥石流淤埋战备浮桥装置由承载墩、连系杆、桥面板以及侧向锚固拉锁组成，所有构件都是可批量生产的，可以自由地组装拆卸，运输十分方便。泥石流淤埋战备浮桥整体结构示意图如图2所示。

承载墩是整个泥石流淤埋战备浮桥装置中最核心部分，它是由上部充气气墩和下部防侧倾稳定装置组成，如图3所示。气墩采用高强度橡胶制品，呈圆柱体，底面半径R为50 cm，高为80 cm。气墩上下表面为两层橡胶制品，夹层内制有一块1 cm厚的轻质铝合金板，上下表面铝合金板圆心处分别固定一个直径4 cm，高为10 cm的螺芯，并制备与之配套的螺帽，构成承载墩的锁固端。锁固端与连系杆可以通过定制的连接板连接起来。在承载墩上表面制有充气阀门，用于气墩的充放气体。下部防侧倾稳定装置是由角钢、PVC板和正方形轻质铝合金板组成。铝合金板边长为1 m，厚为8 mm，与气墩下部锁固端连接。在铝合金板的4个角边缘下部连接长为0.8 m的角钢，并用相应尺寸的PVC板连接四周。下部防侧倾装置可以很好地限制承载墩的侧向倾斜。

泥石流淤埋战备浮桥是一种可循环利用应急抢险设施，综合考虑结构用途、经济性以及材料的耐腐蚀程度等方面因素，浮桥连系杆选用材质为Q345，型号为22a的标准工字钢，虽然Q235钢较Q345钢价格上便宜一些，但由于连系杆所处工作环境极易腐蚀，故选用结构强度更高，耐腐蚀性更好的Q345钢。连系杆预制成2 m和0.9 m两种长度，并预留相应孔位以便自由拼装。浮桥的桥面板采用耐腐蚀性较强的PVC木塑复合板，板厚为5 cm，纵向长为2 m，横向长为0.9 m，待连系杆架设好后可依次用螺栓与其进行搭接铺设。战备浮桥桥体结构架设完成后，沿浮的桥两侧各设置两条斜向刚性拉锁与地面连接，为浮桥整体发生侧移留有安全储备。

3 战备浮桥结构承载能力分析

3.1 有限元模型的建立

基于天山公路K630泥石流淤埋路段工程情况，建立相应泥石流淤埋战备浮桥有限元模型，模型尺寸长为20 m，宽为3.6 m，分为5个桥跨，战备浮桥承载墩采用三维有限应变LINK180单元模拟，横纵连系杆采用BEAM188模拟，桥面板采用SHELL63单元模拟。泥石流淤埋战备浮桥整体有限元模型如图4所示。

单块桥面板尺寸为2 m×0.9 m×0.08 m，与下部连系杆刚性连接，其材料参数中弹性模量为3.776E+09Pa，泊松比为0.16。整个战备浮桥结构设计采用连续体系，横纵连系杆在节点处刚性连接，其截面尺寸设计为标准22a工字钢，弹性模量为2.08E+11Pa，泊松比为0.16。承载墩在泥石流淤埋体中可以随着外部荷载的变化进行沉浮，其受到泥石流淤埋体对它的承载力和浮力的叠加作用。泥石流淤埋体承载力会随着固结时间的增加而变大，新近淤埋体承载力最小。该文模拟泥石流战备浮桥最不利情况下的结构稳定性，故不考虑泥石流淤埋体承载力作用，将其作为安全储备。承载墩与连系杆节点处不限制Uz方向位移，让其可以自由沉浮。承载墩材料参数中泊松比为0.16，弹性模量考虑到其所受浮力作用，其值为1.71E+05Pa。

3.2 桥面板承载强度分析

桥面板采用耐腐蚀性较强的PVC木塑板，其物理力学参数如表1所示。

单块桥面铺装板长为2 m，宽为0.9 m，泥石流淤埋战备浮桥设计载重为10 t，车辆移动荷载布置在以浮桥中心线为对称轴、间距为1.8 m的两个a×b的矩形区域内。由于单块桥板尺寸较小，荷载压应力远远小于板的抗压强度，故只需对桥面板的抗弯性能进行分析。单块桥面板的最大弯曲应力为σ1为：

MPa

桥面板最大弯曲应力σ1小于PVC木塑板的抗弯强度，故桥面板承载强度满足要求。

3.3 横纵连系杆受力分析

战备浮桥横纵连系杆采用型号为22a的Q345标准工字钢，横纵连系杆以刚接形式连接。横向连系杆主要起到连接承载墩，提高浮桥整体稳定性的作用。由于浮桥桥面板是单向受力板，其将大部分外部荷载传递给纵向连系杆受力，横向连系杆受力较少，故应对纵向连系杆进行受力分析来验证连系杆整体的承载能力。

浮桥整体有6根纵向连系杆组成的承载梁，将其编号为1～6号纵梁，呈对称性，图5为1/4桥长处1～3号纵梁的应力影响线。

桥面板所施加汽车荷载位置与2、4号纵梁位置较符合，2、4号纵梁较其他纵梁承受更大荷载值，其相应的应力峰值也是最大的，与图5中应力影响线相一致。图6为2号纵梁相应点处的应力影响线，可以看出车辆荷载作用位置处其纵梁应力达到峰值。浮桥起点处所受应力峰值较小，随着位置点向桥中推移，其相应的应力峰值逐渐增大，在1/4桥长处达到最大，之后应力峰值有轻微回落。分析得出，2号纵梁1/4桥长所受应力为全部连系杆中的应力峰值，其值为σ2=177.03 MPa。σ2远远小于连系杆选用Q345钢的屈服强度，故战备浮桥横纵连系杆满足承载力要求。

3.4 浮桥整体稳定性分析

承载墩是泥石流淤埋战备浮桥的核心所在，各个承载墩的沉浮情况直接影响浮桥的整体稳定性。由于横向连系杆与承载墩的刚性连接作用，将横向每排3个承载墩可看成一个整体，其沉浮情况基本一致。图7为车辆荷载作用在不同位置时各排承载墩和桥中处的位移影响曲线。

由图7可知，车辆荷载作用在浮桥起点时，第一排承载墩起主要作用，其下沉深度最大，达到0.41 m，其余各排承载墩参与作用较少。随着荷载向桥中位置的推移，各排承载墩承载作用逐渐明显，受力较平均，其最大下沉深度稳定在0.33 m左右。分析可知，车辆荷载作用在浮桥起点处时，浮桥整体稳定性最差，承载墩最大淤埋深度为0.41 m。

泥石流淤埋战备浮桥采用刚接体系，其纵向坡度较小，可不考虑其对浮桥稳定性的影响。承载墩高为0.8 m，安全系数取为0.8，其允许最大淤埋深度为0.64 m，大于最大下沉深度0.41 m，故泥石流承载墩满足承载力要求。

通过上述对承载墩、连系杆以及桥面板结构承载力的分析，表明泥石流淤埋战备浮桥结构安全稳定，可以很好地应用在大型泥石流淤埋道路后的应急抢险中，大大减少泥石流阻断交通的时间。

4 结论

（1）依托天山公路K630泥石流淤埋路段工程实例，提出一种泥石流淤埋战备浮桥应急通行结构，其主要由承载墩、连系杆、桥面板和横向拉索等部分组成。

（2）承载墩是泥石流淤埋战备浮桥核心所在，其下部防侧倾稳定装置可以通过改变高度来调整承载墩的抗倾覆能力。

（3）基于ANSYS有限元分析平台，对泥石流战备浮桥结构承载能力进行分析。结果表明战备浮桥整体及细部构造均满足承载力要求，可以很好地应用在大型泥石流淤埋道路抢险应急通行中。

参考文献

[1] 陈洪凯.公路泥石流研究及治理[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] Xie Tao，Yang Hongjuan，Wei Fangqiang，et al.

A new watersediment separation structure for debris flow defense and its model test[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2014，73（4）：947-958.

[3] SC Curry，JS Kashani，F Lovechio，et al. Assessment of City's ability in Debris Flow Disaster Prevention and Reduction[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2007，29（29）：299-305.

[4] Tropeano D，L Turconi.Using Historical Documents for Landslide，Debris Flow and Stream Flood Prevention.Applications in Northern Italy[J].Natural Hazards，2004，31（3）： 663-679.

[5] 洪凯，马康，马永泰.公路泥石流防治工程施工指南[J].重庆交通大学学报，2006（4）：26-30.

[6] 王兆印，漆力健，王旭昭.消能结构防治泥石流研究――以文家沟为例[J].水利学报，2012（3）：253-262.

[7] Takahara T，K Matsumura.Experimental Study of the Sediment Trap Effect of Steel Grid-Type Sabo Dams[J].International Journal of Erosion Control Engineering，2008，1（2）：73-78.

[8] Cui P.Studies on Condition and Mechanism of Debris Flow Initiation by Means of Experiment[J].Chinese Science Bulletin，1992， 37（9）：759-763.