Page 150 - 《爆炸与冲击》2026年第4期

第 46 卷 刘天豪，等： 落石冲击下地面混凝土垫层对埋地管道的防护作用 第 4 期

Excessive strength enhancement will reduce protective efficiency. Cushion thickness accounts for 74% of the protective effect

contribution, indicating that the design principle of “geometry prior to material” should be followed. It is recommended to use
a concrete cushion with a strength of C30−C35 and a thickness large than 0.2 m, which can significantly reduce the risk of
pipeline impact damage and provide a quantitative design basis for pipeline protection in mountainous areas.
Keywords: buried concrete pipeline; rockfall impact; concrete bedding; dynamic response
为解决水资源在区域上的不均衡，保障国家经济的高速发展，引水工程已经成为世界各国的一个重
要研究领域。混凝土管道由于其较低的成本、施工的便捷性、出色的耐腐蚀性能及良好的密封性，在南
水北调等重大输水管网工程中得到了广泛应用 [1-3] 。地下管线是管线的主要敷设形式，施工简便，不占地

上面积。地下管线在施工及运营阶段面临多种意外地面冲击威胁：自然冲击——如崩塌落石、泥石流等
地质灾害；人为冲击——如夯实锤击（施工中重型机械对邻近管道的振动冲击）、车辆碾压等 [4-8] 。以夯实
锤击为例，南水北调工程中曾发生因路基压实作业导致埋地管道接口松动的案例，造成单日漏水量
达 2 000 m 。因此，研究冲击荷载下埋地管道的防护机制具有紧迫现实意义。
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当前对于埋地管道的防护措施主要有 2 种：主动防护和被动防护。主动防护是对危岩进行支护、填
土、布设主动防护网；被动防护是指在落石发生后采取的防护措施，即通过设置挡墙、拦石网等措施来
阻止落石 [9-11] 。李巧珍等 [12] 利用可视化动力学理论，构建考虑球状落物作用下地下管线的三维双非线性
动态响应模型，探索各种影响因素对管线动力反应的影响规律。Ma 等 [13] 基于连续-非连续方法，从落石
冲击形态、土体受力特征、土体与预应力钢筒混凝土管（prestressed concrete cylinder pipe, PCCP）的非线性
接触等方面，研究了落石冲击下 PCCP 的动力响应，揭示了管体与钢筒的协同抗冲击机制。PCCP 作为
长距离输水工程的核心构件，其破坏可能导致区域性供水中断。叶四桥等 [14] 基于传统刚性拦石墙的不
足及陡崖沿线落石运动路径预测、弹跳高度计算和现场地形分析，分析了半刚性拦石墙的结构设计与布
设原则，提出了改进的落石冲击该半刚性结构的冲击力计算方法。吴建利等 [15] 研究了钢筋混凝土
（reinforced concrete, RC）板与土颗粒缓冲层组合结构在落石作用下的冲击力衰减特性以及 RC 板的破坏
模式，并进行了室外落石冲击试验系列。Calvetti 等 [16] 基于对多洛米蒂山区道路防护隧道开展的钢筋混
凝土球体冲击试验及结构力学响应监测，分析了复杂冲击事件中各物理量的演化特征，提出冲击力不受
防护板存在影响、结构挠度引起的应力增量在工程设计中可忽略的工程判断。关于落石冲击埋地管道
方面的研究大多忽视管道之间的连接，将管道视为一体的刚性结构来讨论管道的动力响应。这一假设
存在 2 方面显著误差：力学响应失真，刚性模型无法表征接口处因柔性连接（如橡胶圈）产生的局部应力
集中与位移协调效应，导致对管道峰值应变的低估；破坏机制误判，忽略接口偏转对密封性的影响（如允
许偏转角不超过 0.5°），可能高估管道的整体稳定性，掩盖管身裂缝扩展主导的破坏风险。夏宇磬等 [17]
通过现场爆破试验与动态测试，揭示了粉质黏土层承插式混凝土管道管身与承插口动力响应的差异，提
出承插口为薄弱部位及振动速度阈值 5 cm/s 的安全判据。翟科杰等 [18] 通过非线性有限元分析建立了
PCCP 承插口三维模型，揭示了相对转角达 1.434°时橡胶圈的滑出失效机制及混凝土的拉裂破坏规律，表
明配合间隙增大可缓解材料应力，但会加剧滑出程度，接头间隙增加会削弱接头安全性，为 PCCP 管道设
计施工维护提供了理论依据。方迎潮等 [19] 基于 111 处山区管道崩塌案例分析和有限元模拟，揭示了高
位崩塌落石冲击管道的瞬态过程（0.1 s）及管土变形演化机理，提出了埋深超过 2.0 m、盖板超过 0.2 m 的
防护设计以降低冲砸破坏风险。
本文以预埋多管节全尺寸企口式混凝土管道的落石冲击现场试验为依托，在落石冲击试验中同步
监测接口位移与管身应变，结合精细化接口建模（橡胶圈+企口接触），探索柔性连接对管道动力响应与
破坏模式的影响机制，弥补刚性模型的理论缺陷；通过建立不同混凝土垫层的 1∶1 数值计算模型，分析
混凝土垫层参数对防护作用的影响，并从机理、参数对比、文献关联等维度深化数据解读，提出埋地管
道防护设置建议。

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