曾金

中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司， 西安 710043

滑坡碎屑流災(zāi)害是指大規(guī)模巖土體在地震、降雨、工程活動等外力作用下突發(fā)性失穩(wěn)，然后在運動過程中逐漸碎裂、解體以致形成復(fù)雜的巖土碎屑流動，最終表現(xiàn)為超高的運動速度（大于5 m/s）、超遠的搬運距離以及超強的沖擊致災(zāi)效應(yīng)［1-2］。2017 年6 月24 日，四川省阿壩自治州茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村突發(fā)高位山體滑坡，掩埋了64戶農(nóng)房和1 500 m 道路，堵塞河道1 000 m，導(dǎo)致10 人死亡，73 人失蹤［2］。隨著全球氣候變暖，極端氣候事件頻發(fā)，加上巨震的長期效應(yīng)，碎屑流災(zāi)害風(fēng)險依然不容小覷［3-4］?；滤樾剂鲃拥母咚龠\動特性是造成災(zāi)害防治工程設(shè)計難度大的重要原因。超強沖擊速度產(chǎn)生的沖擊壓力在千帕至兆帕級（不考慮大塊石的作用力）［5-6］，因此對結(jié)構(gòu)強度設(shè)計提出了更高的要求。舟曲泥石流災(zāi)害事件中大量鋼筋混凝土建筑物被沖擊破壞便證明了這一點［7］。因此發(fā)展可靠的攔擋工程是當前的研究重點［8-10］。

樁群式攔擋系統(tǒng)由一系列突出地表的、互相組合成一定排列形式的短樁構(gòu)成。樁群經(jīng)常作為一種輔助性攔擋措施，一般放置在主攔擋結(jié)構(gòu)或建筑物之后。當滑坡碎屑流通過樁群后，速度會大幅衰減從而降低了在主攔擋結(jié)構(gòu)或建筑物上的沖擊破壞作用力，提高了防護結(jié)構(gòu)的安全性。由于樁群施工簡單、經(jīng)濟有效，近年來得到了廣泛關(guān)注，但仍處于研究初級階段，尚未形成系統(tǒng)的工程設(shè)計規(guī)范。相關(guān)研究多集中在研究樁群的平面布局，如優(yōu)化單樁間距［11-17］、樁形［18］以及樁群的位置［19］。

部分災(zāi)情嚴重的地區(qū)僅依靠攔擋壩一種防護手段只能在一定程度上削減沖擊效應(yīng)，甚至攔擋結(jié)構(gòu)直接會被泥石流沖毀。若將樁群防護體系與現(xiàn)有的攔擋壩組合使用，可以進一步提高防災(zāi)減災(zāi)能力，降低大變形災(zāi)害帶來的損失。但目前相關(guān)研究較少且不夠詳細，導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)設(shè)計仍缺乏依據(jù)。

本文將攔擋壩和樁群兩種防護方法結(jié)合起來，采用EDEM 離散元軟件，研究攔擋壩-樁群復(fù)合式結(jié)構(gòu)的防護效果，從滑坡碎屑流堆積形態(tài)、流速變化、樁群潛在失效可能性、攔擋壩沖擊力降幅等方面對復(fù)合結(jié)構(gòu)的防護效果展開分析評價，以期能對實際工程中高速滑坡碎屑流災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)工程設(shè)計提供參考。

1 離散元模擬

采用商業(yè)軟件EDEM 完成相關(guān)數(shù)值計算，運用其中一種有效的顆粒接觸模型——Hertz-Mindlin（no slip）模型。

1.1 離散元接觸模型建立與驗證

以方樁樁群為例對樁群和攔擋壩進行布設(shè)，簡化的計算分析模型見圖1。分析模型主要包括加速段（長度為100 m，坡度為50°）、沖擊段（長度為100 m，坡度為30°）以及水平堆積段三段。初始滑體簡化為規(guī)則形狀，長50 m，寬60 m，高6 m。參考GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》及文獻［14，20-22］對各個參數(shù)進行取值，見表1。經(jīng)驗證［23-24］，模型準確。

表1 離散元計算參數(shù)

圖1 離散元計算模型

1.2 模擬工況設(shè)置

根據(jù)不同防護結(jié)構(gòu)類型共進行了8 次模擬試驗，分別探究滑體材料在自由滑動（1-F）、設(shè)攔擋壩防護措施（2-R）、設(shè)方樁樁群防護措施（3-S）、設(shè)三角形樁樁群防護措施（4-T）、設(shè)圓樁樁群措施（5-R）、設(shè)方樁樁群-攔擋壩復(fù)合式防護措施（6-SR）、設(shè)三角形樁群-攔擋壩復(fù)合式防護措施（7-TR）、設(shè)圓樁樁群-攔擋壩復(fù)合式防護措施（8-RR）八種不同條件下的運動堆積特性。本文旨在研究不同攔擋結(jié)構(gòu)形式的有效性，不考慮樁體破壞、整體拔出等情況，因此在模擬中樁體底部完全固定，并采用剛性構(gòu)件代替樁體。

在樁群-攔擋壩組合式防護結(jié)構(gòu)計算工況中，在6-SR、7-TR、8-RR計算工況中，在攔擋壩前設(shè)三排樁組成的樁群，三種樁樁高均為8 m，圓樁樁徑5 m，方樁和三角形樁邊長為5 m；攔擋壩長度與第一段坡和第二段坡等寬均為60 m，攔擋壩高10 m。樁群的第一排距離坡面分界線19 m，第三排與攔擋壩相距30 m，樁群的樁間距為6 m，排間距為18 m。攔擋壩高10 m，樁群高8 m，均大于1.5倍的流深。計算工況中設(shè)定的幾何尺寸參數(shù)是根據(jù)文獻［12-13］選取的最佳參數(shù)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 滑坡碎屑流的堆積形態(tài)

以俯視視角，分析了1-F、2-R、3-S、4-T、5-R、6-SR、7-TR、8-RR 八種計算工況下滑體材料最終堆積形態(tài)，見圖2。其中紅線為攔擋壩?？芍涸谠搅鳜F(xiàn)象發(fā)生的前提下，設(shè)置攔擋壩或樁群等防護形式，會對下游地區(qū)受影響范圍產(chǎn)生削弱作用，降低下游地區(qū)承受的災(zāi)害風(fēng)險，也證明了設(shè)置攔擋壩、樁群等防護結(jié)構(gòu)的有效性。對于樁群的模擬分析，根據(jù)文獻［12-13］對樁群的布設(shè)進一步優(yōu)化，對比采用單一防護結(jié)構(gòu)對滑坡碎屑流運動距離的攔截作用時，發(fā)現(xiàn)在滑動區(qū)設(shè)置樁群對于滑坡碎屑流的攔擋效果有較大的優(yōu)勢。

圖2 各計算工況下滑體最終堆積形態(tài)（俯視）

進一步分析3-S、4-T、5-R 三種單一樁群工況發(fā)現(xiàn)，滑坡碎屑流的側(cè)翼受到的來自于樁群的阻力相對小一些，故在堆積區(qū)的分布有顯著的分區(qū)現(xiàn)象，滑體在兩側(cè)的滑動分布范圍要比中間部分滑體的滑動分布范圍大。當采用攔擋壩-樁群復(fù)合式防護措施時，對滑坡碎屑流的攔截效果更好，大大減少了越流通過攔擋壩的滑體體積；攔擋壩-方樁樁群復(fù)合結(jié)構(gòu)的防護效果要明顯好于攔擋壩-三角形樁樁群復(fù)合結(jié)構(gòu)、攔擋壩-圓樁樁群復(fù)合結(jié)構(gòu)。

以側(cè)視視角比較分析3-S、4-T、5-R、6-SR、7-TR、8-RR 六種計算工況下樁群堆積量，見圖3。結(jié)合圖2和圖3可知：方樁對于滑坡碎屑流的攔截能力更強，其樁后堆積量的高度要明顯大于其他兩種樁形，在這三種樁形中，方樁對滑體的攔截能力要強于圓樁，三角形樁對于滑坡碎屑流的攔截能力要明顯弱于其他兩種樁形。方樁樁群的防護效果更好，與其在樁后攔截滑體并使之堆積的能力強是密不可分的，但過多的堆積量會增大堆積滑體對樁群的沖擊作用力，增大其破壞的可能性。

圖3 不同計算工況下滑體最終堆積形態(tài)（側(cè)視）

2.2 滑坡碎屑流流速變化

以俯視視角，分析了1-F、2-R、6-SR、7-TR、8-RR五種計算工況下滑坡碎屑流在不同時刻的流速與堆積形態(tài)，見圖4。可知：①對比1-F 和2-R 工況，發(fā)現(xiàn)攔擋壩的存在有效減弱了滑坡碎屑流的運動速度，并攔截了相當大一部分進入下游堆積區(qū)的滑體。②對比2-R 與6-SR、7-TR、8-RR 工況發(fā)現(xiàn)，攔擋壩-樁群復(fù)合結(jié)構(gòu)有效加強了對滑坡碎屑流速度的削弱能力和對滑體物質(zhì)的攔截效果。③分析6-SR工況發(fā)現(xiàn)，當滑坡碎屑流流經(jīng)第一排樁群時，方樁對于滑體的攔截能力較好，部分顆粒遇到方樁時產(chǎn)生了很大的速度降幅，并逐漸堆積在方樁后，同樣的情況也發(fā)生在當流經(jīng)第二排樁和第三排樁時?；滤樾剂髟诹鹘?jīng)樁群時被分成了若干支流，由于樁群中的方樁是錯落分布的，故而每排樁都對滑坡碎屑流的速度起到了很好的削弱作用。由于兩側(cè)的支流受樁群分流的作用相對較少，運動速度受到的樁群削弱效果也相對較弱?；滤樾剂鲀蓚?cè)的支流有較好的流動連續(xù)性，兩側(cè)的支流也是最早通過樁群到達攔擋壩的，這也解釋了圖2 中出現(xiàn)的堆積形態(tài)。④6-SR 與7-TR、8-RR 工況對比時發(fā)現(xiàn)圓樁樁群也發(fā)生了類似于方樁樁群的樁后減速堆積現(xiàn)象，但圓樁對于樁后滑體的速度降幅較方樁更小，樁后減速并逐漸堆積的物質(zhì)量明顯少于方樁樁群，而三角形樁樁群在這方面的能力更弱，滑體在樁后的速度降幅和堆積量明顯少于方樁和圓樁，這一現(xiàn)象在14.5 s時的對比最明顯。樁群對于滑坡碎屑流的分流現(xiàn)象同樣也出現(xiàn)在了圓樁樁群和三角形樁樁群中。⑤在16.0 s時滑坡碎屑流的流速和流動狀態(tài)有了最大的差異。在流動形態(tài)方面，在16.0 s 時當前緣剛剛抵達6-SR 工況方樁樁群的第三排時，8-RR 工況中前緣已經(jīng)流出圓樁樁群，7-TR 工況中通過三角形樁樁群的滑體顆粒已經(jīng)形成了支流向攔擋壩靠近。在流速方面，發(fā)現(xiàn)滑體在16.0 s 通過方樁樁群的速度明顯小于通過三角形樁樁群和圓樁樁群。但方樁兩側(cè)的支流在靠近第三排樁處的速度卻明顯大于三角形樁和圓樁，這是因為三角形樁樁群和圓樁樁群的分流作用，通過樁群的滑坡碎屑流以一定角度流出，通過第三排樁的部分滑體與兩側(cè)支流靠近第三排樁的滑體相互作用，對流速產(chǎn)生了削弱作用。

圖4 滑坡碎屑流典型時刻的流速分析

2.3 樁群結(jié)構(gòu)失效可能性分析

樁群結(jié)構(gòu)的失效可能存在兩種情況：①滑坡碎屑流沿樁頂發(fā)生越流從而降低樁群能量耗散作用；②樁群發(fā)生沖擊破壞從而失去攔擋功能。

方樁樁群、圓樁樁群、三角形樁樁群典型時刻的越流分析見圖5。除13 s，其余3個時刻是滑坡碎屑流通過樁群不同排、溢流高度達到最大值對應(yīng)的時間。

圖5 樁群越流分析

由圖5 可知：方樁樁群與圓樁樁群有類似的越流構(gòu)型，且滑坡碎屑流在通過方樁樁群不同排數(shù)時，滑坡碎屑流的越流高度達到峰值的時間均晚于圓樁樁群?；滤樾剂髟谕ㄟ^三角形樁樁群時的越流構(gòu)型與前兩種樁形的樁群區(qū)別較大，與前兩種樁形的樁群相比，除第一排樁外，每排溢流最大高度出現(xiàn)的時間都要早于前兩種樁形。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與樁形的導(dǎo)流效果有關(guān)。

不同樁形條件下峰值越流高度見圖6。可知，不論是何種樁形的樁群，滑坡碎屑流在通過第一排樁時發(fā)生的越流現(xiàn)象最為顯著，在通過最后一排樁時發(fā)生的溢流現(xiàn)象相對較弱。綜合來看滑坡碎屑流在通過方樁樁群時發(fā)生的溢流現(xiàn)象最強，而在三種樁形中，三角形樁樁群中溢流現(xiàn)象相對較弱。

圖6 樁形對峰值越流高度的影響

滑坡碎屑流在6-SR、7-TR、8-RR 工況時的越流現(xiàn)象見圖7。可知：雖然滑坡碎屑流在經(jīng)過三種樁群時都出現(xiàn)了越流現(xiàn)象，但是產(chǎn)生越流現(xiàn)象的原因卻不盡相同。方樁樁群和圓樁樁群中，越流現(xiàn)象出現(xiàn)的成因類似，部分滑體顆粒在樁后減速堆積，后續(xù)運動的顆粒通過堆積的顆粒爬升整體越過方樁和圓樁，產(chǎn)生了越流現(xiàn)象。而三角形樁產(chǎn)生越流現(xiàn)象的機制卻不同于前兩種樁形，7-TR 工況時滑坡碎屑流在流經(jīng)三角形樁樁群時發(fā)生了分流現(xiàn)象。因為樁群的側(cè)限作用，導(dǎo)致支流的流深比三角形樁更高，側(cè)面觀察時同樣發(fā)現(xiàn)了越流現(xiàn)象的產(chǎn)生，但本質(zhì)上講兩種越流現(xiàn)象產(chǎn)生的原因不同。

通過追蹤顆粒與樁體的接觸作用力并對所有接觸力進行求和，從而獲取滑坡碎屑流對樁群的總沖擊作用力。三種不同樁形樁群的沖擊力時程演化特性見圖8?？芍涸谌N樁群中，承受沖擊力峰值最大的都是樁群的第一排，而后沖擊力峰值逐步降低。方樁樁群的三排樁所承受的峰值沖擊力約為19 × 103、13 ×103、8 × 103 kN，圓樁樁群的三排樁所承受的峰值沖擊力約為16 × 103、12 × 103、6 × 103 kN，三角形樁樁群的三排樁所承受的峰值沖擊力約為12 × 103、7 × 103、4 × 103 kN。三種樁形中，三角形樁樁群所受的峰值沖擊力是最小的。在滑坡碎屑流運動結(jié)束后，對比三種樁群第一排樁所承受的沖擊力，可以發(fā)現(xiàn)圓樁和三角形樁的沖擊力基本為0，而方樁還需承受約103 kN 的沖擊力，這一點也與方樁對滑坡碎屑流具有較好的攔截能力有關(guān)。就破壞可能性而言，三角形樁樁群比其他兩種樁形好。

2.4 攔擋壩沖擊作用力分析

選取2-R、6-SR、7-TR、8-RR 工況中攔擋壩的沖擊力進行分析，各工況中攔擋壩所受的沖擊力時程曲線見圖9?？芍孩佼攦H設(shè)置攔擋壩一種防護結(jié)構(gòu)時，攔擋壩在15.0 s 左右開始受到來自滑坡碎屑流的沖擊力，而后急劇上升，在17.5 s 左右達到峰值，再后沖擊力減小到1×105kN 左右趨于穩(wěn)定。②在設(shè)置了樁群-攔擋壩復(fù)合結(jié)構(gòu)的6-SR、7-TR、8-RR 工況中，沖擊力總體上呈上升趨勢，而后逐步達到穩(wěn)定值。③樁群-攔擋壩復(fù)合結(jié)構(gòu)的工況中，沖擊力的增長斜率明顯小于僅設(shè)置攔擋壩一種防護結(jié)構(gòu)的計算工況，這也正體現(xiàn)了復(fù)合式防護體系的優(yōu)勢。④設(shè)置了方樁樁群-攔擋壩復(fù)合結(jié)構(gòu)工況的沖擊力增長斜率低于圓樁樁群-攔擋壩復(fù)合結(jié)構(gòu)，也低于三角形樁樁群-攔擋壩復(fù)合式防護體系。這也說明了綜合使用方樁樁群和攔擋壩組成的復(fù)合式防護體系其防護效果要高于用圓樁、三角形樁同攔擋壩組合使用的復(fù)合式防護體系。

圖9 攔擋壩上的沖擊作用力分析

攔擋壩上的沖擊力情況見圖10、圖11?？芍簶度?攔擋壩復(fù)合結(jié)構(gòu)對攔擋壩所受的沖擊力峰值和滑動結(jié)束后的沖擊力穩(wěn)定值都有很強的削弱作用。在方樁、圓樁、三角形樁的樁群與攔擋壩組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，方樁樁群對沖擊力峰值降幅為三種樁形中最高，為70.45%；對沖擊力穩(wěn)定值降幅為48.30%，也高于另外兩種樁形。

圖10 不同計算工況下攔擋壩上的沖擊力峰值和穩(wěn)態(tài)沖擊力

圖11 樁群對攔擋壩沖擊力的影響

復(fù)合式防護結(jié)構(gòu)對沖擊力峰值和沖擊力穩(wěn)定值的削弱機制不同，沖擊力峰值降低的原因是樁群-攔擋壩復(fù)合結(jié)構(gòu)大大降低了顆粒流在抵達攔擋壩前的速度，進而影響了其動能，致使攔擋壩所受的沖擊力峰值遠低于僅設(shè)攔擋壩一種防護結(jié)構(gòu)的情況。沖擊過程和滑坡碎屑流的滑動過程結(jié)束后，攔擋壩所承受的來自于堆積體的靜止土壓力，而由于樁群攔截了相當數(shù)量的顆粒，致使沖擊過程結(jié)束后在攔擋壩前堆積的滑體總量顯著減少，進而影響了其沖擊力穩(wěn)定值。

3 討論

本文的研究重點在于攔擋壩-樁群復(fù)合式結(jié)構(gòu)對高速滑坡碎屑流的攔擋效果。進一步構(gòu)建科學(xué)的攔擋結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，還應(yīng)加強以下三個方面的研究。

1）干碎屑流與樁群相互作用機制。目前的研究多注重于碎屑流通過樁群后流滑速度和距離的變化或作用在工程結(jié)構(gòu)上沖擊力的衰減情況，而碎屑流在通過樁群時的細觀行為并未得到深入研究。特別地，對于碎屑流動力學(xué)特征（Froude 數(shù)）以及顆粒特征（粒徑與樁群間隙的比值）對相互作用機制的影響也缺乏詳細的研究，而這對于理解碎屑流對樁群的沖擊效應(yīng)至關(guān)重要。

2）碎屑流對樁群攔擋結(jié)構(gòu)的沖擊動力過程。目前在相關(guān)研究中，樁群被視為剛性，以充分關(guān)注其對碎屑流的減速耗能效應(yīng)，但是對于碎屑流沿樁群的爬升高度、對樁群的沖擊作用力等沖擊效應(yīng)問題研究不足，而這對于樁群高度以及其強度的設(shè)計至關(guān)重要。

3）樁群攔擋結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。樁群攔擋結(jié)構(gòu)目前并未有相關(guān)規(guī)范可以參考，現(xiàn)有的設(shè)計方法，例如沖起爬高高度計算以及沖擊力計算都更多是針對封閉式攔擋結(jié)構(gòu)［25］，僅有較少的研究提出了針對縫隙壩的沖起爬高計算方法［21］以及沖擊動壓力系數(shù)與Froude數(shù)的關(guān)系［26］。對于樁群系統(tǒng)而言，其功能及平面布局形態(tài)與縫隙壩有著本質(zhì)不同，樁群攔擋結(jié)構(gòu)的橫向攔截率（攔擋寬度與流動寬度的比值）要求在40%以下，而縫隙壩要求在40%以上［27］。目前的研究僅對樁群的平面局部給予了相關(guān)的建議，仍缺乏基于動力過程的樁群攔擋結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，而這對合理確定樁群的高度以及強度至關(guān)重要。同時碎屑流動是高度非穩(wěn)態(tài)和物質(zhì)非均勻的，如何在設(shè)計中合理考慮也是應(yīng)當特別注意的。

4 結(jié)論與建議

1）設(shè)置樁群-攔擋壩復(fù)合式防護體系可減小滑坡碎屑流災(zāi)害在下游地區(qū)的影響范圍，且方樁樁群與攔擋壩組合形成的復(fù)合式防護體系較其他兩種樁形而言對顆粒流有更好的攔截能力。

2）滑坡碎屑流在流經(jīng)方樁樁群時的溢流特性要強于圓樁樁群和三角形樁樁群，且方樁樁群所承受的來自顆粒流的峰值沖擊力也更大。而三角形樁樁群在這方面的表現(xiàn)優(yōu)于其他兩種樁形。

3）方樁樁群對滑坡碎屑流的速度削弱能力更強，圓樁樁群次之，三角形樁樁群最小。

4）在相同滑體方量的條件下，采用方樁樁群與攔擋壩組合形成的復(fù)合式防護體系的作用效果更好，方樁樁群對沖擊力峰值降幅為三種樁形中最高，為70.45%；對沖擊力穩(wěn)定值降幅為48.30%，也高于另外兩種樁形。

5）綜合來看方樁樁群能更好減弱滑坡碎屑流對攔擋壩的沖擊力，方樁樁群與攔擋壩組合形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)具備更優(yōu)的攔擋效果。建議采用較大的樁高以避免越流現(xiàn)象，同時建議采用墊層等措施保護樁群，避免發(fā)生沖擊破壞。