秦 明1,陈 洪 凯,梁 丹3,张 金 浩

(1.贵州省公路局，贵州 贵阳 550003； 2.枣庄学院 城市与建筑工程学院，山东 枣庄 277160； 3.重庆地质矿产研究院，重庆400042)

1 研究背景

我国是一个多山的国家，山地丘陵占国土总面积70%左右，地质条件复杂，极端强降雨天气频发，是世界上自然灾害最严重的国家，约60%的干线公路位于山洪泥石流高发区[1-3]。泥石流损毁公路主要表现为3种情况：① 冲毁公路建构筑物及路基路面结构[4-5]，② 对泥石流防治结构及桥梁墩台的磨蚀作用缩短结构使用寿命[6]，③ 泥石流淤埋道路影响交通通行。本文重点探讨泥石流对混凝土材料的磨蚀问题，为泥石流防治工程耐久性设计提供科学依据。

近年来，国内外主要考虑高速水流及含沙水流对圬工结构及混凝土结构的磨蚀问题[7-10]，集中在磨蚀形态[7]、空化磨蚀机理[8]及磨蚀量和磨蚀速度[9-10]等方面。何真等考虑水流速度、水流中颗粒特性、过流材料的形状和平整度等因素对水工结构抗磨蚀作用的影响，提出了抗磨蚀混凝土设计要点[11]；高欣欣等探讨了磨粒形态对水工抗冲磨混凝土磨损程度的影响，认为磨粒形态与混凝土磨损率之间呈现幂函数关系[12]；黄细彬探讨了磨蚀量与水流含沙量、掺气量的关系，认为水流含沙量、流速、流态、过流时间及材料强度是决定壁面磨蚀程度的主要参数[13]。而针对泥石流的磨蚀行为，公开报道的研究成果不多。陈洪凯等探讨泥石流对防治结构的磨蚀问题，建立了泥石流磨蚀力计算方法[4]；陈野鹰等从结构设计和构造材料两方面出发探讨了泥石流对防治结构的抗磨问题，提出了降低泥石流磨损的防治结构轴线方程[14]。但是，由于缺乏防治结构抗御泥石流磨蚀性能的研究，目前很难准确判断泥石流的磨蚀破坏程度，不利于泥石流防治结构优化设计[15]。国外Mohammad等通过分析泥石流排导结构侵蚀和腐蚀磨损机理,提出了考虑侵蚀和腐蚀的泥石流排导结构耦合磨损计算公式[16]；Arabnia Omid推导了泥石流对混凝土任意时刻磨损量的分布函数,实现了评估泥石流排导结构的动态可靠性和概率失效时间[17]。鉴于此，陈洪凯和梁丹研发了泥石流磨蚀系数测量装置[18]，本文利用该装置进行泥石流磨蚀试验，以混凝土标准试块为承磨体，探讨不同固相比、浆体黏度及颗粒粒径组合的泥石流对混凝土试块的磨蚀行为，为泥石流防治结构抗磨蚀耐久性设计提供科学依据。

2 模型试验设计

2.1 试验装置

泥石流磨蚀系数测量装置(ZL201620638352.4)由泥石流磨蚀桶、搅拌桨、电机、转轴、底座、支架等几部分组成。其工作原理为：电机带动搅拌桨匀速旋转，磨蚀材料在搅拌桨的带动下在磨蚀桶内转动，来回摩擦混凝土试块，然后量测不同工况下混凝土试块的消耗量，据此获取与磨蚀材料对应的磨蚀系数。

2.2 试验工况

为研究不同特性的泥石流对混凝土结构的磨蚀性能，本文选取了不同固相比和浆体黏度2个参量来描述泥石流特性，浆体黏度为0，0.013，0.038，0.240，1.940 Pa·s，固相比为0，0.02，0.04，0.08，0.16，并据此设计模型25组试验工况。其中，固相比定义为泥石流浆体中固相颗粒体积与泥石流浆体的体积之比，黏度为0时即温度为20℃时清水的黏度值(实际值为0.001 Pa·s≈0)。

试验用浆体主要采用熟胶粉和水按不同比例进行调配，并采用SNB-2型数字旋转黏度计测定黏度值，各组黏度下熟胶粉和水的调配比如表1所示。

表1 人工配制泥石流浆体Tab.1 Manual preparation of debris flow slurry

试验用的固相颗粒物，主要采用河砂(粒径0.075～0.200 cm)、瓜米石(粒径0.300～1.000 cm)、碎石(粒径1.000～3.000 cm)和块径较大的碎石(粒径3.000～5.000 cm)按相同质量的原则来进行组合配比得到[19]。

2.3 试验过程

配制不同工况的人工泥石流体、批量预制C30混凝土标准试块并按照混凝土技术规范养护45 h备用。每个工况的磨蚀试验遵循的试验程序为：将混凝土试块用蒸馏水浸泡24 h后取出擦干表层滞留水并称重→将混凝土试块安置在泥石流磨蚀系数试验装置内→搅拌桨安装在转轴上且搅拌桨距离试块顶部表面约40 mm→注入该试验工况的泥石流体→启动电机并保持转轴匀速持续转动24 h停止转动→取出混凝土试块进行第2次称重→计算该试验工况泥石流对混凝土试块的磨蚀系数。

3 试验结果分析

3.1 磨蚀系数定义

泥石流对混凝土材料的磨蚀系数表征为：不同类型泥石流单位时间内对混凝土材料的磨蚀程度，其主要与混凝土磨蚀量成正比[20]，故将泥石流对混凝土材料的磨蚀系数定义为

(1)

式中，Δm为混凝土块被磨蚀量，kg；t为磨蚀时间，h；K为泥石流对混凝土材料磨蚀系数，kg/h。

3.2 磨蚀系数试验结果

通过25个工况的磨蚀试验，得到了不同工况下泥石流对C30混凝土的磨蚀量结果，见图1。通过对比5组浆体黏度下混凝土的磨蚀量发现：当固相比C=0时，浆体黏度γ=1.943所对应的最大磨蚀量Δm为0.48 kg，相对其余4组浆体黏度下的磨蚀量相差不大；当C大于临界值时，磨蚀量随γ增加而减小，此时磨蚀量的大小主要由浆体黏度和固相比的共同影响而决定，泥石流磨蚀能力较强；当C=0.1时，磨蚀量Δm=5.22 kg，是纯浆体(C=0)磨蚀量的10倍，并且在同一固相比条件下，磨蚀量随浆体黏度增大而显著减弱。

图1 磨蚀量随C和γ的变化曲线Fig.1 The variation of abraded quantity with C and γ

根据公式(1)计算得到磨蚀系数如表2所示。磨蚀系数与泥石流体固相比成正相关：固相比为0，即纯泥石流浆体时，磨蚀系数最大仅为0.022；固相比为0.16时，泥石流磨蚀系数最大可及0.233。固相比相同时，浆体黏度越大，对混凝土材料的磨蚀系数降低，如固相比为0.04时，浆体黏度为0.013时，泥石流磨蚀系数为0.136；浆体黏度为1.943时，泥石流磨蚀系数降低为0.050，但是纯浆体的磨蚀系数则相反。

表2 不同类型泥石流下C30混凝土材料磨蚀系数试验结果Tab.2 Test results of abrasion coefficient of C30 concrete materials in different types of debris flow

3.3 泥石流对C30混凝土磨蚀形态特征

试验发现，通过人工配置的试验用泥石流对C30混凝土的磨蚀形态多为环形凹槽状，可用磨蚀宽度和磨蚀深度进行定量化描述。

泥石流对混凝土的磨蚀宽度d反映了混凝土试件被泥石流磨蚀的范围，通过试验结果统计，磨蚀宽度集中在35～51 cm，如图2所示。当C=0时，Δd=6～10 cm；C=0.02时，Δd=4～6 cm；C=0.04时，Δd=3～4 cm；当C>0.08时，Δd=1～2 cm。当固相比小于0.02时，与实际中的山洪型水石流特性相似，浆体黏度越大，磨蚀宽度变大；当固相比超过0.02后，磨蚀介质类似于稠度较大的泥石流体，对混凝土试件的磨蚀宽度越大，但固相比相同时磨蚀宽度随浆体黏度的增大而减小。

图2 有效磨蚀宽度随C和γ的变化曲线Fig.2 Curve of effective abrasion width with C and γ

对同一浆体黏度下不同固相比试验结果进行对比分析，以浆体黏度γ=0.038工况为例，试验结果如图3所示。其中，固相比C=0时对应的磨蚀宽度d=40 cm；固相比C=0.08时磨蚀宽度d=48.5 cm；固相比C=0.10时，磨蚀宽度d=49.95 cm。在同一固相比下，泥石流的磨蚀宽度随固相比的增大而增大，固相比C为0.10时，磨蚀宽度最大，接近混凝土试件的直径。

图3 C30混凝土磨蚀宽度与固相比关系Fig.3 Relationship between erosion width and solidity of C30 concrete

除磨蚀宽度外，还可用磨蚀深度h来描述泥石流对混凝土试件的磨蚀形态，统计分析不同工况下的磨蚀深度如图4所示。从图4可以看出，磨蚀深度随泥石流固相比增大呈非线性增加，变化曲线突变现象不显著；对同一浆体黏度而言，泥石流磨蚀深度h最大可超过3.5 cm，表明泥石流对试件存在较大的竖向作用力；在固相比相同条件下，磨蚀深度随浆体黏度增大而明显减小。

图4 磨蚀深度随C和γ的变化曲线Fig.4 The variation of abrasive depth with C and γ

泥石流磨蚀宽度与浆体黏度间的规律性较强，对同一固相不同浆体黏度工况下得到的试验结果进行对比分析，以固相比C为0.04为例，试验结果如图5所示。γ=0.240时，试件磨蚀深度h=1.6 cm；γ=0.038时，h=2.3 cm；γ=0时，h=3.2 cm。可见，在同一固相比下，泥石流的磨蚀深度随浆体黏度的增加而减小，浆体黏度γ=0时，磨蚀深度最大，主要原因在于浆体黏度为0时，浆体对泥石流固相颗粒的浮力最小，导致固相颗粒对混凝土试件的正压力最大；同时浆体黏度越大对固相颗粒的包裹性和润滑作用越强，使得对混凝土试件的磨蚀作用降低；故当固相比相同时，泥石流体浆体黏度与对混凝土的磨蚀程度呈反比关系。

图5 C30混凝土磨蚀宽度与浆体黏度比关系Fig.5 Relationship between the erosion width of C30 concrete and the viscosity ratio of slurry

为进一步探讨混凝土强度对泥石流磨蚀特性的影响，选取了C15、C25、C30、C40、C50共5组混凝土试件，采用黏度γ=0.038,固相比C=0.04的泥石流进行磨蚀试验，试验结果如图6所示。当混凝土强度为C15时，泥石流的平均磨蚀深度h和最大磨蚀深度hmax分别为2.9 cm和3.2 cm；当混凝土强度为C50时，泥石流的平均磨蚀深度h和最大磨蚀深度hmax分别为0.5 cm和0.7 cm。从两组数据对比来看，随着混凝土强度的增加，泥石流磨蚀深度在大幅度减小，表明混凝土材料强度越高，抗磨蚀性能越好。

以上从固相比、浆体黏度以及混凝土强度3个方面定量研究了室内不同配比下的泥石流体对混凝土试件的磨蚀特征。再从磨蚀形态演变过程进行分析：泥石流沿运动方向在混凝土表面存在磨蚀力，在磨蚀力的作用下混凝土试块表面砂浆最先被逐渐剥落，使得粗骨料出露，由于粗骨料出露后导致混凝土表面的粗糙度增加，从而增大了泥石流固相颗粒与混凝土试件间的磨蚀力，当表层砂浆剥落后粗骨料随即被磨蚀剥落，从砂浆剥落→粗骨料剥落→砂浆剥落……，随着时间推移，混凝土材料被不断磨蚀殆尽。

从试验结果及磨蚀演变过程分析可得，实际工程中为降低泥石流对混凝土防治结构的磨蚀影响，宜提高混凝土标号并增大混凝土砂浆保护层厚度，以提高混凝土防治结构的耐磨性能。

图6 磨蚀深度与混凝土强度变化曲线Fig.6 Variation curre of erosion depth and concrete strength

4 结 论

泥石流对混凝土防治结构的磨蚀特性是防治工程耐久性设计的关键参数。本文通过室内试验，研究了不同黏度和固相比的泥石流对混凝土材料的磨蚀特性，得出如下主要结论。

(1) 通过室内磨蚀试验得到，浆体黏度相同时，泥石流磨蚀系数与泥石流体固相比成正相关；固相比相同时，泥石流磨蚀系数与泥石流体黏度成负相关。

(2) 泥石流对混凝土试件磨蚀量、磨蚀宽度和磨蚀深度试验结果表明，水石流及稀性泥石流的磨蚀能力显著大于黏性泥石流。为降低泥石流对混凝土防治结构的磨蚀影响，工程中宜适当提高混凝土标号和增大混凝土砂浆保护层厚度。

(3) 在试验成果基础上应进一步从理论上研究分析泥石流对混凝土材料的磨蚀作用机理，可定量指导泥石流混凝土防治结构设计。