第1章 绪 论
1.1 问题的提出及研究意义
泥石流是一种自然现象，它经常发育在山岭沟壑地区。泥石流的形成过程是在降水、地震或其他因素的触发下，泥土、漂砾等地表物质与大量水分混合后，受重力作用沿着斜坡或沟谷滑动，破坏并裹挟所经之处的地表物质，并随着运动速度的减慢，最终堆积在谷底。泥石流是我国西南地区的多发地质灾害之一，据不完全统计，我国34 个省级行政区中，发生过泥石流的多达29 个，泥石流沟8 500 多条（樊赟赟，2010），其中又以西部地区最为严重，由泥石流引起的灾害得到了越来越多研究者的关注。
在泥石流易发地区进行交通等基础设施的建设，以往通常采用的策略是回避。然而，随着“一带一路”倡议的推进，交通网络逐步向纵深发展，在路线设计中仅靠回避策略就能获得简单且完善的解决方案变得越来越困难。在泥石流多发地区，当难以回避或者回避代价过高时，重新考虑场地的适宜性，正成为岩土工程的一大挑战。这一挑战对基础理论研究进一步走向深入提出了迫切的需求。事实上，工程策略的决断往往与当时条件下基础理论研究的水平密切相关。人类对泥石流基础理论认识得越深入，就越有底气评估其对工程的潜在影响。在对泥石流认识还不够深入的早期工程中，回避不失为最好的策略；而在现实条件下回避策略不可行时，就反过来要求人们更加深入地推进泥石流基础理论的探索。
这一挑战包含两个关键的科学问题：第一，如何为泥石流冲击荷载建立适用的计算模型；第二，如何在给定的泥石流冲击荷载模型下对岩土体进行稳定性评估。解决这两个关键科学问题有赖于泥石流基础理论研究的深入。因此，开展泥石流冲击荷载模拟与岩土动力稳定分析具有十分重要的科学意义和工程价值，对推进“一带一路”倡议、维护工程建设与环境的协调发展具有十分重要的意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 泥石流冲击荷载模型的研究现状
冲击荷载（或称为冲击力）是泥石流动力学研究的核心内容，也是泥石流灾害防治工程设计，以及与泥石流相关的隧道、桥梁、涵洞等工程设计的关键要素。受各种条件的限制，实测泥石流冲击荷载是非常困难的，特别是对于防治规划中尚未发生的泥石流。一个可行的方案是根据已有泥石流案例的观测记录，在相关物理模拟测试的基础上提出简化、适用的计算模型。
现有的泥石流冲击荷载计算模型从不同的假设条件出发可以分为流体静力模型、流体动力模型、冲量-动量模型、能量模型等；从是否将固相、液相分开考虑的角度，泥石流冲击荷载计算模型又可以分为一维流体模型和二维流体模型。从研发思路来看，这些模型大多是采用解析和经验相结合的方式，提出半经验公式。这些半经验公式具有简单和高效的独特优势，其中具有广泛影响力的是流体静力模型和流体动力模型两类。
1. 流体静力模型
流体静力模型又称为深度相关压力模型，最初由Lichtenhahn（1973 ）提出，随后得到了持续发展（Ouyang et al.，2015；Luna et al.，2012；Armanini，1997；Scotton and Deganutti，1997）。在此类模型中，泥石流被看作单相流体，压力与深度成正比，进而将最大冲击压力等效为若干倍的静态液体压力。该类模型的最大特点是仅仅着眼于最大冲击压力这一特征，而不考虑冲击压力随时间的变化。
2. 流体动力模型
流体动力模型也称为速度相关压力模型，最初由Mizuyama（1979 ）提出，后被众多研究人员发展（Kim et al.，2018；Zhao et al.，2018；He et al.，2016；Vagnon and Segalini，2016；Vagnon et al.，2016；Zeng et al.，2015；Cui et al.，2015；Ferrero et al.，2015；Canelli et al.，2012；Zanuttigh and Lamberti，2007；Rickenmann，1999；Armanini，1997；Scotton and Deganutti，1997）。总的来说，流体动力模型高度依赖于泥石流速度数据的获取。然而，泥石流内部各质点的运动速度随时间和空间变化难以用数学方程来描述与求解。尽管前人关于泥石流速度的试验成果已在一定程度上揭示了某些特征，但是通过使用这些分散和孤立的特征来形成有用的速度场数学模型仍然存在许多挑战。简而言之，泥石流时变速度场获取的困难限制了该类模型的实际应用。
3. 其他模型与方法
除了上述两类具有广泛影响的模型外，还有采用历史数据统计法、原位模型试验法、水槽测试法、数值模型法等方法研究冲击荷载的模型。一些有代表性的文献列举如下。
Hong 等（2015 ）统计了蒋家沟1961～2000 年发生的139 次泥石流事件的最大冲击荷载。现场观测数据表明，其最大冲击压荷载达到744 kPa 。Bugnion 等（2012 ）通过原位模型试验，在15 个泥石流事件中测得的最大冲击荷载为等效静压力的2～50 倍。同时，通过研究测得的最大冲击荷载与流速的关系，证实了冲击荷载可以用速度依赖模型（与速度有关的二次方公式）来估算。Cui 等（2015 ）开展了小型水槽试验，测量了黏性泥石流的冲击荷载。通过分析冲击荷载和流场的变化发现，泥石流的冲击过程可以分为头部瞬时发力、中部持续动态压力和尾部静态压力三个阶段。通过引入幂函数关系和泥石流的弗劳德数，提出了改进的速度依赖模型。有意思的是，既然速度依赖模型给出了泥石流流速与冲击荷载的关系，那么通过已知压力就可以反向求解流速。根据这个思路，Yang 等（2011 ）开展水槽试验，利用传感器获取的泥石流冲击荷载来反向求解泥石流的流速。Gao 等（2017 ）提出了一种新的模拟泥石流对香港地区建筑的冲击荷载的数值方法。该方法考虑侵蚀和沉积过程及固体浓度的变化，使用深度平均质量和动量方程式描述泥石流的流动性，将冲击荷载分为动态冲击压力和静态压力两个部分分别求解。Kang 等（2018 ）应用了RAMMS 和FLO-2D 两个用于泥石流数值分析的模型来分析韩国首尔地区泥石流的冲击荷载，并比较了两个模型计算得到的冲击荷载的差别。Shen 等（2018 ）通过水槽测试的离散元建模研究了干碎屑流与刚性屏障之间的相互作用，展示了作用在刚性屏障上的冲击荷载的演变，通过将数值结果与文献报道的试验数据进行比较，验证了数值模型的有效性。
1.2.2 泥石流冲击荷载下岩土体稳定性的研究现状
综合国内外文献，可以将泥石流冲击荷载条件下的岩土体动力稳定分析总结为三种模式：第一种模式是将泥石流视为流体，将岩土结构视为固相，通过流固耦合分析目标构件的动力响应；第二种模式是将泥石流冲击过程简化为弹性钢球的撞击过程，通过模拟弹性钢球的撞击过程来实现受撞击目标的动力响应分析；第三种模式是将泥石流冲击荷载简化为规则荷载，并将其作为分析目标的应力边界条件来开展动力分析。
1. 模式一：以流固耦合的方式开展动力分析
第一种模式是将泥石流视为流体，采用流固耦合的方式获取泥石流对障碍物的冲击荷载。整个模拟过程中，冲击荷载成为模拟的内源性基础变量。这一方式大多使用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）数值分析软件ANSYS 中的CFX 模块或ANSYS Workbench 仿真平台进行求解，代表性的文献列举如下。
常凯（2017 ）对黄土地区泥石流冲击条件下的桥墩开展双向流固耦合模拟。勾婷颖（2017 ）进行了连续刚构桥三种形式桥墩抗泥石流冲击的模拟，通过流固耦合的方式得到了流体体积分布、速度流线和压力分布。韩飞（2013 ）提出了一种新型的泥石流楔形分流结构，并对该结构抗冲击的动力响应展开数值模拟。黄何勋（2016 ）将泥石流简化为宾厄姆体，进行了冲击桥墩时的动力响应分析，研究了不同冲击强度及不同桥墩工况组合形式下的动力响应。黄兆升（2013 ）开展了新型拦挡结构的动力响应特性研究，对所得到的位移和应力时程曲线与普通实体坝的响应进行了对比研究。李健（2012 ）模拟了泥石流冲击作用下框架结构的位移与应力。覃月璋（2014 ）的研究中，泥石流与桥墩的流固耦合结果显示，如果考虑流体为均质，则冲击压力计算结果比《泥石流灾害防治工程设计规范》（DZ/T 0239—2004 ）要小30% 。值得注意的是，现行的《泥石流防治工程设计规范（试行）》（T/CAGHP 021—2018）（中国地质灾害防治工程行业协会，2018 ）在这方面的规定并没有更新，也就是说，规范的结果导向仍然是偏于保守的。王俊岭（2012 ）模拟了泥石流作用下砌体结构的流固耦合动力响应。Zakeri（2009 ）分析了泥石流冲击条件下水下管道的动力响应。
2. 模式二：将泥石流冲击过程简化为弹性钢球撞击过程
第二种模式是将泥石流大块石等效为弹性钢球，赋予其一定的撞击速度，研究弹性钢球冲击条件下防护体的动力响应，揭示其防护性能。本质上，这种模式也是将泥石流冲击荷载视为外界激励，但与第三种模式不同的是，这种模式不是将冲击荷载作为边界条件施加，而是通过弹性钢球的撞击过程来近似地等效替代泥石流中大型漂砾对目标结构的撞击过程。代表性的文献列举如下。
高芳芳（2016 ）采取的方式是，将泥石流中大型漂砾的撞击等效为弹性钢球的撞击，采用ABAQUS 有限元软件对一种泥石流拦挡坝进行抗冲击性能研究，得到了弹性钢球不同高度、不同速度下的撞击结果。韩志平（2016 ）利用ANSYS/LS-DYNA 对一种新型钢拱拦挡坝的抗冲击性能进行了研究，也采用了等效弹性钢球撞击的思路。胡志明（2014 ）为分析现有钢构格栅坝的性能，采用ANSYS/LS-DYNA 探讨了巨型块石撞击下结构的抗冲击性能。金鹏威（2018 ）采用ABAQUS 分析了泥石流冲击作用下管道的动力响应。刘贞良（2014 ）则采用了与弹性钢球撞击不同的思路，将荷载简化为矩形和三角形脉冲，然后建立两种荷载条件下的偏微分方程，运用变量分离法得到了解析解。吕志刚（2014 ）提出了一种新型弹簧格构泥石流拦挡结构，并将泥石流大块石简化为钢球，采用ANSYS/LS-DYNA 面接触法研究了新型拦挡结构的抗冲击性能。乔芬（2018 ）提出了外挂网型柔性防护体系，采用等效弹性钢球撞击思路，在ANSYS/LS-DYNA 平台上对防护体系的动力响应特征展开了研究。任根立（2019 ）提出了一种新的拦挡结构体系，也采用等效弹性钢球撞击思路，在ANSYS/LS-DYNA 平台上研究了泥石流块石冲击荷载下新型拦挡结构的响应。王朋（2016 ）以新型拦挡结构钢管混凝土桩林为研究对象，将泥石流大块石简化为钢球，采用ANSYS/LS-DYNA 分析了泥石流作用下钢管混凝土桩林结构的动力响应。余政（2016 ）将泥石流大块石简化为钢球，采用ANSYS/LS-DYNA 分析了冲击荷载作用下泥石流拦挡坝变形、破坏的机制。张秦琦（2016 ）将泥石流大块石简化为钢球，用ABAQUS 接触分析方法验证了一种新型泥石流格栅坝的阻尼性能。张万泽（2018）基于同样的思路，采用ANSYS Workbench 显式算法研究了冲击荷载作用下桩林结构拦挡坝的受力机理和动力响应。张智江（2016 ）将泥石流大块石简化为刚性球，用ANSYS/LS-DYNA 模拟了新型泥石流拦挡坝在不同球体冲击速度下的应力、加速度、速度、位移分布情况，并讨论了坝体在后期泥石流淤满库存时的静力性能。郑国足（2013）总结了现有泥石流拦挡坝的缺点，提出了一种带弹簧支撑的新型泥石流拦挡坝方案，并验证了其性能。Dong 等（2018）提出了一种新型的桥墩保护装置，采用ANSYS/LS-DYNA 进行撞击接触分析，将块石冲击等效为球体撞击，通过比较有无保护措施的墩的动力响应，从破坏结果、冲击荷载、位移、速度和
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