2019年度进展19：桥梁地质灾害防控

0 前言

    我国为多山地区，尤其是西部，山谷纵横、水文地质条件复杂，各类自然灾害频发。我国山洪、泥石流、滑坡等灾害分布广、数量多、危害重。据中国地质环境监测院发布的信息[1]分析，“滑、崩、泥”是三种主要的地质灾害，从2008年至2019年发生的地质灾害数据见图1所示。地质灾害以中南地区发生的次数最多，但是西南地区的云、贵、川、藏这几年来的地质灾害的损害性最大，几乎每年所造成的经济损失占全国的50%以上，甚至高达80%。地质灾害90%以上为自然因素造成的，且主要由降雨引发。5.12汶川地震以来，地质灾害更为频发，滑坡、泥石流等是震区的主要灾害之一。崩塌、滑坡、泥石流等还会形成一系列次生灾害，如堵塞江河沟谷形成堰塞湖，从而对其下游区桥梁结构造成极大安全隐患，如2018年金沙江白格堰塞就导致下游20余座桥梁损毁。这些灾害对公路、铁路交通造成了极大破坏，桥梁也受到不同程度的损伤。鉴于此，有必要对山区桥梁结构的地质灾害行为进行研究，并寻求预防措施。

图1 历年地质灾害发生次数

    即将开建的川藏铁路，也面临极大的地质灾害影响。现已查明康定到昌都段沿线[2]：有728条泥石流沟谷，崩塌186处，滑坡206处，这些将对川藏铁路沿线造成极大危害。川藏铁路全线长1742.39km，而川藏铁路的许多大桥、长大隧道均在高山无人区，没有现成道路可直达工地，还必须修建大量的临时便道。正线尚可以采用大桥长隧绕避重大地质灾害，但是这些临时便道则不可能，因而将不可避免受到沿线地质灾害的影响。川藏铁路的临时便道必须按照永久正式道路来设计[3]，原中国铁路总公司副总经理卢春房院士针对川藏铁路不同类型工程结构进行风险评估，结果表明地质灾害对临时工程的风险最大（图2），提出了永临工程一体化管理的策略[4]。

图2 川藏铁路工程建设安全风险估算[4]

    除川藏铁路外，中国还计划建设新藏铁路、滇藏铁路、甘藏铁路以及川藏高速公路，形成包括进藏公路、进藏铁路、输油管线、电力通讯设施等重要基础设施的川藏交通廊道，这些交通设施都可能遭受来自地质灾害的威胁。因此，必须加强地质灾害对桥梁的作用研究，深入探讨各种地质灾害对桥梁的致灾机理及防控措施，防范于未然，这是历史发展的机遇也是挑战。

    目前国内学者研究滑坡、泥石流、崩塌、危岩落石等还是主要集中在岩土方向，更注重其产生和运动的机理研究，以及防治措施研究，如防挡结构物等，很少有学者直接对滑坡、泥石流冲击桥梁结构进行研究。2015年本团队获自然科学基金支持“泥石流冲击作用下桥梁结构损伤机理与计算方法研究”，开始研究地质灾害对桥梁的致灾机理及防护研究，主要包括泥石流、滑坡、洪水、落石、冲刷、堰塞湖等方面。本文主要对2019年泥石流冲击桥梁结构的研究进展作一简要回顾。

1 概述

    泥石流是山地和丘陵地区常见的地质灾害现象之一，具有爆发突然、历时短暂、能量大等特点，严重威胁了人民群众的生命和财产安全。历史上，泥石流对桥梁造成了严重的破坏，如利子依达沟泥石流事故，泥石流冲断桥墩，列车冲入大渡河（图3），造成200余人死亡，这是国内外最大的一次泥石流破坏桥梁的事故。

图3 利子依达沟泥石流事故

    随着西部经济日益发展，山区植被破坏，自然环境恶化，短时强降雨极端事件频发，大地震诱发大量次生山地灾害，种种原因加剧了泥石流的发生。同时，我国在西部山区规划了大量的铁路、公路线路，大量桥梁将不可避免地穿越泥石流多发区域。研究泥石流冲击桥梁，弄清桥梁在泥石流作用下的破坏机理，提出合理的减灾措施，对西部地区的发展建设有着重要意义。

    “泥石流冲击桥梁”这一研究课题同时涉及到土木工程和地球科学两大学科，是研究的新兴领域，并逐步成为热点研究方向。本文所选论文主要来自近两年刊发的《岩石力学与工程学报》、《岩土力学》、《振动与冲击》、《铁道工程学报》、《桥梁建设》、《Earth-Science Reviews》、《Journal of Geophysical Research》、《Landslides》、《Engineering Geology》、《Engineering Structures》、《Journal of Hydraulic Engineering》、《Natural Hazards and Earth System Sciences》、《Canadian Geotechnical Journal》等等期刊。所回顾论文围绕着“泥石流冲击桥梁”这一主题，涉及到研究方法、泥石流冲击桥梁和泥石流减灾三个部分。

2 研究方法

    野外调查、室内试验和数值模拟是研究泥石流冲击桥梁的三种常用研究方法。受制于泥石流事件的偶发性，在这里去掉野外调查不谈，近两年泥石流与结构物相互作用相关的室内试验和数值模拟均取得了很大进展。

2.1 室内试验

    由于泥石流的发生具有偶然性，要在泥石流发生现场测得泥石流冲击力实属不易，为此1961年中国科学院在有“泥石流天然博物馆”之称的云南蒋家沟建立了野外观测站，采集了大量的泥石流观测资料，为国内外的泥石流研究做同了巨大贡献。相比于野外试验，室内试验更容易开展，而且可以按照不同的配比组合进行有针对性的试验，这也是目前绝大多数泥石流研究的方式。泥石流冲击试验是通过在泥石流槽内或出口布设压强传感器进行，泥石流沿槽冲击到传感器上记录数据，从而测得冲击压强，缺点在于不能考虑桥墩的影响。王东波等[5]把桥墩模型置于泥石流槽出口，在模型迎流面布置了9个压强传感器，测量了泥石流冲击压强在桥墩上的分布。该试验是在成都理工的大型泥石流试验装置上做的，水槽总长度18米、料斗距地面高度12m、最大容积4.71m3，桥墩置于水槽之外，试验测得了很多有价值的数据。但是一般的试验水槽规模都较小，一般在5m左右长度，如果将桥墩（或立柱）放置在水槽之外，泥石流出水槽之后就比较分散了，很难测到有用的数据。鉴于此，王友彪[6]把桥墩模型安装在泥石流槽的中央，距离槽口约50cm处，并在桥墩模型上同时安装了压强传感器和合力传感器（图4），测得了泥石流对方形和圆形截面桥墩模型的冲击压强及冲击合力，并采用移动平均法对小波降噪后的冲击力合力去除石子的随机冲击瞬时效应，收到较好的效果（图5）。因为一般测得的压强都某一点的压力（再除以传感器的面积得到的），所以测点的压强只能代表该点的值，而冲击力的分布本身是不无均匀的，因此难以准确地计算冲击总力得多大，该试验除了得到压强外，还采用合力传感器测得了泥石流冲击的合力大小，这算是一种发的补充。为了解决上述问题，刘道川等[7]在实验中采用了较大尺寸的面式压力传感器（长5cm，宽2.01cm），立柱上共布置六个传感器将迎流面全部覆盖，实现了对整个冲击面上的冲击压力的测量，并采用小波分析将冲击力信号分为浆体冲击力和大颗料冲击力，为探讨泥石流冲击力分布提供了重要方式。Yu Lei等 [8]将EMD（empirical mode decomposition）方法引入分析泥石流的冲击压力，可把冲击压强浆体成分和粗颗粒成分进行分离，达到了较好的效果。实际上，这种传感器相对来说还是有点偏大，因此笔者下一步拟采用膜式传感器，测得墩身的压力分布，当然这里还有很问题需要解决。

图4 泥石流水槽试验布置[14]

图5 移动平均法处理泥石流冲击压力[22]

2.2 数值模拟

    泥石流是由水、土、砂、石等材料组成的复杂多相流体，其运动复杂，国内外学者研究了多种不同的泥石流运动模型，如单相的库伦混合模型[9]、库伦-非牛顿流体模型[10]，两相的库伦-非牛顿流体模型[11]、颗粒-牛顿流体模型[12]等等。根据假设不同，这些模型能考虑的物理作用也不同，描述的物理现象也存在一定差异。Pudasaini S P等 [13]提出了一个三相的粗颗粒-细颗粒-粘性流体模型（图6）：粗颗粒代表泥石流中的大块石，用库伦塑性模型表示；细颗粒代表泥石流中的砂子，用随剪切和压强改变的塑性主导粘塑体表示；粘性流体代表泥石流中的水和粘土混合物，用粘性主导的流变参数表示。

图6 三相（粗颗粒-细颗粒-粘性流体）泥石流物理模型[13]

    从工程角度出发，选择既有可靠稳定高效的数值模拟方法来对泥石流冲击桥梁更有实际应用价值。Youbiao Wang [14]基于有限体积法（FVM）采用开源软件OpenFOAM对泥石流冲击不同截面形状的桥墩进行了研究。Ling Zhan [15]用光滑粒子流动力学（SPH）方法模拟颗粒流冲击结构体，该方法可以模拟颗粒流动、流固耦合以及结构的变形和应力。Luo H Y等[16]基于任意拉格朗日欧拉方法（ALE）使用软件LS-DYNA对泥石流冲击作用下房屋的破坏进行了研究。陈庭宇[17]基于离散元方法（DEM）模拟分析滑坡体对桥墩的冲击作用，并用试验进行了验证。为准确模拟模型不同成分的物理性质，研究者常把泥石流和结构分别用不同的方法进行模拟。Chun Liu等 [18]使用DEM和有限元（FEM）耦合的方法，研究了碎屑流冲击柔性拦挡网，其中碎屑流用DEM模拟，拦挡网用FEM模拟。柳春[19]使用SPH模拟泥石流浆体和大块石头、用FEM模拟结构，研究了泥石流冲击拦挡坝。这些数值模拟研究提升了对泥石流-结构相互作用的理解。

3 泥石流冲击桥梁

3.1 冲击力

    虽然泥石流成分复杂，运动难以准确描述，但从桥梁结构来看，可以将其看作一种外部荷载（冲击力）。围绕着泥石流冲击力的确定，近年取得了一些进展。泥石流可看作是由水、土、砂混合而成的浆体和粗颗粒组成的物质，相应的冲击力可分为浆体冲击压强和大块石撞击力。

    黄远红等[20]进行了稀性泥石流冲击力水槽试验，结果表明泥石流冲击压强概率密度函数随机分布函数符合Log-Logistic形式，函数变量与粗颗粒最大粒径有关。王东坡等[5, 21]的水槽试验研究表明泥石流的冲击压强可表达为与弗汝德数Fr或雷诺数Re的幂函数形式，在竖向分层，且与泥石流的类型（稀性、粘性）相关。刘道川等[7]的水槽试验表明，泥石流的冲击压强需要考虑爬高因素的影响。王友彪[22, 23]通过一系列试验，认为泥石流的冲击合力系数受到泥石流流动形态、截面形状的共同影响；采用OpenFOAM数值模拟泥石流水槽试验过程，较为清晰地展示了泥石流冲击桥墩的过程（图7、图8），用无量纲化处理冲击合力和冲击压强（图9），发现泥石流浆体产生的冲击力可以简化为剪切层、栓塞层和爬高层三层（图10）[22]；在此基础上，进一步采用OpenFOAM模拟分析了长174.5m、宽19.5m的“足尺模型试验”（图11）[22]，泥石流对桥墩的总的冲击合力系数可以分成压强导致的冲击合力系数和粘性力导致的冲击合力系数。这些数值模拟将试验结果与实际桥梁相结合，表明后期通过数值模拟的方式来评估泥石流冲击桥梁的安全性是可以实现的。

（a）粘性泥石流冲击桥墩侧视图

（b）稀性泥石流冲击桥墩侧视图

图7 泥石流冲击桥墩桥墩过程示意图（侧视图，以圆形截面桥墩为例）[14,22]

图8 泥石流冲击桥墩桥墩过程示意图（俯视图，以圆形截面桥墩为例）[14,22]

图9泥石流的无量纲化冲击力、冲击压强、速度沿桥墩竖向分布[14,22]

图10 泥石流冲击力三层结构示意[22]

图11 足尺数值模型示意[22]

    泥石流浆体冲击压强使用动压强或静压强形式表达，大块石的撞击力可用Herz理论进行计算[24]。使用这两类公式的临界粒径长期以来一直没有明确。Yifei Cui等[25]进行了水槽试验和DEM数值模拟研究，认为当颗粒粒径δ/流动深度h大于0.9且Fr小于3.5时应考虑使用弹性碰撞理论求解。Dongri Song等[26]进行了泥石流离心机试验，采用与岩密度和弹模相近的玻璃球模拟块石、砂子模拟浆体冲击拦挡坝模型，认为δ/h=0.6可作为临界粒径判断标准（图12）。文献[27]进一步对柔性拦挡网进行大块石的泥石流离心机试验，结果表明，柔性拦挡网由于变形大而使大块石的冲击力迅速衰减，从而认为防泥石流的柔性拦挡网设计中不需要考虑大块石的作用。柳春[19]对浆体和块石同时冲击拦挡坝进行了数值模拟，认为浆体与块石的耦合加大块石单独作用的撞击力。这些研究为研究桥梁结构在泥石流中大块石的冲击提供了思路。

图12 泥石流冲击力计算方法临界粒径图示[26]

3.2 结构响应

    泥石流冲击作用下结构的响应分析既可通过泥石流-结构耦合模型[28, 29]，又可通过泥石流冲击力施加到结构模型上进行[30, 31]。文献[32-34]使用LS-DYNA进行数值模拟，研究了泥石流中大块石冲击下新型泥石流拦挡坝、桩林、圆钢管等结构的响应，对破坏机理进行了探讨。Luo H Y等[20]和Peizhen Li等[35]均对框架房屋结构在泥石流冲击下的响应和破坏机理进行了研究。张迅等[36]提出了一种泥石流简化荷载模型，并将其施加到一座多孔简支梁无砟轨道铁路桥数值模型上，研究了泥石流冲击作用下桥梁结构和轨道的动力响应；张迅等[37]进一步建立了列车-轨道-桥梁系统数值模型，对泥石流冲击作用下的列车行车安全进行了研究[38]。目前 ，泥石流冲击桥梁中的桥梁对象多为简支梁桥或刚构桥这种带桥墩的桥梁，而Dirk Proske[39]以砌体拱桥为研究对象，采用水槽试验测得泥石流的冲击力，在试验室按1：2制作了拱桥（原型桥为Rohrba arch bridge，5跨铁路砖砌拱桥，跨度6m，1847年修建，奥地利）的缩尺模型（图13），将泥石流冲击力以水平荷载的方式加载在拱圈侧面，并施加一个冲击荷载以模拟大块石，研究了泥石流冲击作用下的拱桥结构的失效机理。该试验虽然以水平荷载的方式来模拟泥石流加载，对于研究大型桥梁结构在泥石流冲击作用下的损伤机理，也不失为一种好的模式。

图13 泥石流冲击石拱桥模型试验[39]

4 泥石流减灾

4.1 易损性分析

    易损性这一概念广泛地应用在各类自然灾害之中，如地震[40]、洪水[41]、海啸[42]、飓风[43]、滑坡[44]、泥石流[45]等等。易损性结果为自然灾害风险评估提供依据，为政策制定者规划提供支持，是减灾的重要手段。

    过去针对泥石流易损性的研究多基于历史数据或专家判断，研究的结构对象也多为房屋建筑[46]。近年来，对桥梁结构、应用理论分析的易损性研究逐渐展开。陈希虎[47]采用灰色系统评价模型对都汶公路上的9座桥梁的泥石流灾害易损性进行了研究，结合桥梁所处的环境、泥石流灾害影响以及人类活动评价各座桥梁的易损性，并提出了相应的防治对策建议。Dagá J [48]基于15座桥梁过去50年内所受到的火山泥石流冲击数据，使用流动深度作为泥石流强度指标，研究了火山泥石流冲击作用下桥梁结构的易损性，并指出桥梁的破坏模式更可能为由桥墩或桥台倾覆引起的梁体掉落，而不是梁体被直接推移。Yuzhao Liang等[49]进行了150个工况的有限元模拟，将损伤指标定义为桥墩上部相对位移，计算分析了双柱带盖梁桥墩在泥石流冲击作用下的易损性曲线，易损性为对数正态分布形式。Shuaixing Yan[50]同时考虑了泥石流和结构的不确定性，破坏指标基于弯矩-墩顶位移曲线，得到了粘性和稀性泥石流冲击作用下的单柱墩易损性曲线。这些研究为研究桥梁结构在泥石流冲击作用下的易损性和安全评估提供了很好的借鉴。

4.2 结构防护

    为减轻泥石流对桥梁带来的灾害，可在桥梁周围或桥墩上设置排挡结构进行防护。在泥石流沟底设置横向护道（排导沟）可以约束泥石流的移动路径以降低泥石流造成的破坏，Fei Qiu等[51]研究了横向护道的外形对防护效果的影响，认为减小护道宽度可以增加泥石流流速，从而避免桥下淤积和淤积导致的泥石流漫过桥面现象。在泥石流沟内设置桩林可以将泥石流中的大块石拦截在上游，避免对其下游桥梁的结构撞击，张万泽等[33]研究了典型品字形桩林结构在大块石撞击下的破坏机理，为类似防护结构的合理设计提出了建议。

    更多防护相关的研究集中在桥墩防撞技术上。王东坡[52]研究了5种不同结构形式夹芯板（图14）的力学性能，其中Ⅲ型结构形式可以吸收更多能量而被应用到了实际桥墩防护工程之中。Zheng Lu[53]将泡沫铝应用在框架结构房屋中，研究结果表明泡沫铝加固后的框架结构存在双重保护机制：泥石流冲击力小时，完全吸收冲击能量；冲击力足够大时，泡沫铝被反复的冲击力强化，限制住包裹在其中的混凝土从而框架结构的承载能力得到提高。蒲黔辉[54]提出一种正六边形多胞结构，并在每个正六边形蜂窝结构中加入圆形钢管，采用ANSYS LS-DYNA软件进行仿真分析计算，最终确定出了合理的耗能材料配合比，使得满足耗能要求情况下减小撞击力。Su Y等[55]研究了回收利用的碎玻璃对大块石冲击耗能效果，进一步研究了颗粒粒径和堆积厚度对石笼耗能能力的影响[56]。

图14 5种不同结构形式的泡沫铝夹芯结构模型及试样[52]

5 展望

    近年来对泥石流冲击桥梁的研究不断深入，取得了丰硕成果。研究方法方面，室内模型试验及野外试验相结合；新型传感器和各种数值模拟方法为未来研究提供了更好的手段。泥石流冲击方面，提出了新的荷载模型可供结构分析使用；桥梁结构的响应分析全面展开。结构防灾方面，易损性研究从历史经验判断进入到数值模拟；新的防护措施不断涌现。

    通过对这些成果的总结，笔者认为可以从以下几个方面开展工作：

    （1）展开广泛的跨学科合作，土木学科应与地球学科加强联系，从野外调查、泥石流物理模型、桥梁结构分析等方面展开交流。

    （2）通过一系列的泥石流冲击桥墩的试验，采集足够多的冲击力数据，分析不同特性泥石流冲击桥墩的力的特性，在此基础上制定适合桥梁结构的泥石流荷载标准，为泥石流区的桥梁结构设计计算提供依据。

    （3）已有研究表明，泥石流中大块石的冲击可能是导致桥梁结构损坏的主要因素，因此有必要研究泥石流中大块石的运动规律及其与桥梁结构的耦合作用。

    （4）调查分析泥石流区桥梁冲毁事故，结合数值模拟探究泥石流冲击作用下桥梁结构的破坏机理，做到结构分析结果与野外调查事故案例一一对应。

    （5）在泥石流灾害作用下桥梁结构的易损性方面继续深入研究。

后记：

    2013年秦院士及本系教授们在系学科发展研讨会上提出，桥梁工程要“上山下海”，我们团队则选择了依山靠山，进行山地灾害对桥梁工程的影响研究，转向了一个全新的领域，走过了这几年的迷茫和艰辛。2015年得到自然科学基金的支助，研究泥石流对桥墩的冲击效应；2019年与铁二院合作四川省重点研发计划“川藏铁路重大工程风险识别与对策研究”，负责专题“藏铁路桥梁泥石流风险评估及对策研究”，总算看到一点点发展的曙光。桥梁地质灾害防控研究涉及到岩土和桥梁结构两个学科，本研究团队主要侧重在桥梁结构方面，对岩土方面的知识理解还有所不足，还需要各位同行、尤其是岩土方面的专家学者们支持帮助，也期待更多的学者关注桥梁地质灾害，让桥梁地质防灾方面的研究和应用得到发展。由于篇幅有限和知识面的欠缺，本文并没能将所有相关研究文献全部收入。如有不妥，恳请批评指正。

研究方向团队成员介绍

李亚东，教授，博士，博导

    主要研究方向，钢桥稳定与疲劳、桥梁防灾减灾、桥梁美学。

    长期从事桥梁工程的教学科研工作。主持和参与编写了《桥梁工程概论》、《土木工程专业英语》、《铁路桥梁施工》、《铁路工务》、《大贝耳特海峡东桥》、《汶川大地震工程震害分析》 和《焊接钢桥的疲劳应力》等教材和专著，是《中国铁道大百科全书（工程工务卷）》桥梁分支的主编。兼任中国土木工程学会桥梁及结构工程学会常务理事，中国铁道学会工程分会桥梁专业委员会委员，中国钢结构协会桥梁钢结构协会副理事长，中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会理事。担任《桥梁建设》、《世界桥梁》、《桥梁》、《桥梁与隧道》等期刊杂志的编委。

    主持国家自然科学基金两项，主研国家重点研发计划、国家支撑计划等国家级项目，承担过关于工程结构可靠性理论研究、桥梁设计规范修订、桥梁承载能力评估方法、钢桥疲劳寿命评估、桥梁施工控制技术等省部级课题20余项，主持或参加南京长江二桥、准朔铁路黄河特大桥、林织铁路纳界河大桥、大瑞铁路怒江大桥、常泰长江大桥等60余座大型桥梁的方案设计、技术咨询、施工监控等工作。发表120余篇研究论文。

    Email: [e-mail]

姚昌荣，副教授，博士，硕导

    主要从事桥梁地质灾害防控、钢结构稳定与疲劳、健康监测及施工控制研究。曾在澳大利亚科廷大学（Curtin University）作访问学者。主持国家自然科学基金面上项目1项、主研自然科学基金4项， 参与其他省部级纵向课题10余项，参与或主持准朔铁路黄河特大桥、林织铁路纳界河大桥、大瑞铁路怒江大桥、常泰长江大桥等50余座各类大跨桥梁施工监控、技术咨询工作。发表相关学术论文40余篇，授权专利10余项，软件著作权3项。担任Surface Engineering、Engineering Fracture Mechanics、Journal of Materials Processing Tech.、International Journal of Protective Structures等多个学术期刊审稿人。

    Email: [e-mail]

张迅，副教授，博士，博导

    主要从事桥梁结构动力响应、桥梁地质灾害防控研究。曾在澳大利亚科廷大学(Curtin University)作访问学者。获西南交通大学优秀博士学位论文，入选西南交通大学首届“雏鹰学者”。主持国家自然科学基金青年1项、面上2项。参与其他省部级纵向课题10余项。发表相关学术论文80余篇。担任International Journal of Mechanical Sciences、Structure and Infrastructure Engineering、Earthquake Engineering and Engineering Vibration、Journal of Vibration and Control、Advances in Structural Engineering、Soil Dynamics and Earthquake Engineering、等期刊审稿人。

    Email: [e-mail]

强斌，助理研究员，博士，博士后

    主要研究方向：钢桥稳定与疲劳、桥梁防灾减灾。2018年博士毕业于西南交通大学；2018-2019年于加拿大卡尔顿大学（Carleton University）作博士后研究；2019年留校任教。主持青年基金一项，主研面上基金两项，发表SCI/EI检索期刊论文10余篇。

    Email: [e-mail]

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