吳博 楊曉潔

摘 要：【目的】研究滑坡-碎屑流在真實(shí)三維地形上的運(yùn)動(dòng)沖擊過程及其堆積形態(tài)?！痉椒ā渴褂肞FC3D數(shù)值模擬重現(xiàn)模型試驗(yàn)，分析碎屑流沖擊力的影響因素?！窘Y(jié)果】較高的擋樁能更有效地減緩沖擊力，并減少碎屑流的運(yùn)移距離和堆積長(zhǎng)度；顆粒粒徑或體積增加時(shí)，碎屑流造成的沖擊力會(huì)增大；擋樁所在截面顆粒沖擊力大致呈正態(tài)分布，中部擋樁所受沖擊力最大，往兩側(cè)沖擊力逐漸減小?！窘Y(jié)論】通過數(shù)值模擬研究碎屑流沖擊力，可為后續(xù)防治提供參考。

關(guān)鍵詞：滑坡碎屑流；模型試驗(yàn)；PFC3D；沖擊力

中圖分類號(hào)：P642.22? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）05-0100-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.021

Model Test Study on Impact of Landslide Debris Flow on Retaining Pile

WU? Bo YANG Xiaojie

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] Study the movement and impact process of landslide-debris flow on real three-dimensional terrain and its accumulation morphology.[Methods] Use PFC simulation to reproduce the model test to analyze the influencing factors of debris flow impact force.[Findings] Higher retaining piles can more effectively slow down the impact force and reduce the migration distance and accumulation length of the debris flow; when the particle size or volume increases， the impact force caused by the debris flow will increase; in the section where the retaining piles are located， the particle impact force is roughly normally distributed， with the middle pile receiving the greatest impact force， and the impact force gradually decreasing toward both sides.[Conclusions] The impact force of debris flow is studied through numerical simulation， which provides a reference for subsequent prevention and control.

Keywords： landslide debris flow; model test; PFC3D; impact force

0 引言

高速遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流是一種具有高度危險(xiǎn)性的地質(zhì)災(zāi)害，其主要特點(diǎn)包括運(yùn)移距離較長(zhǎng)、滑動(dòng)速度快，能夠造成廣泛的沖擊破壞［1-2］。在我國(guó)西南山區(qū)，陡峭山體易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)于高位滑坡碎屑流等災(zāi)害的預(yù)防和減災(zāi)需求日益增強(qiáng)。為降低滑坡碎屑流的破壞程度，相關(guān)學(xué)者對(duì)擋墻、樁群等防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究［3-4］。

研究表明，在滑坡碎屑流的運(yùn)動(dòng)路徑上設(shè)置攔截結(jié)構(gòu)是可以有效降低滑坡碎屑流的危險(xiǎn)區(qū)域和強(qiáng)度的重要措施［5］。張睿驍?shù)龋?-8］研究了不同形狀和距離的攔擋結(jié)構(gòu)對(duì)碎屑流的影響，通過軟件數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，攔擋結(jié)構(gòu)能夠改變碎屑流的運(yùn)動(dòng)方向，并顯著影響碎屑流的速度分布；攔擋距離對(duì)滑體平均速度的下降速率有影響，擋板間距增大時(shí)平均接觸力減??；沖擊力線性減小階段時(shí)間與擋板的高度呈負(fù)相關(guān)，碎屑流顆粒越小，沖擊效應(yīng)越明顯。陳古華等［9］通過DEM模擬分析了攔截距離、顆粒級(jí)配、碎屑流速度、沖擊力和堆積形態(tài)等特征對(duì)其影響。肖思友等［10］通過碎屑流沖擊擋墻物理試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了坡度和擋樁傾角會(huì)改變碎屑流的堆積形態(tài)，從而改變沖擊力。王文沛等［11］分析了不同類型的樁群對(duì)碎屑流攔擋效果的影響，提出了一種防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布局。

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，碎屑流的堆積特征和沖擊力大小受到地形條件、巖土條件及攔擋結(jié)構(gòu)的布置等多重因素共同影響。當(dāng)前研究多采用滑槽試驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)化研究，沒有對(duì)碎屑流在真實(shí)三維地形上對(duì)攔擋結(jié)構(gòu)沖擊效應(yīng)進(jìn)行研究?；诖?，本研究以三維地形上的物理模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，考慮實(shí)際地形起伏影響，利用PFC3D數(shù)值模擬分析，研究了多種因素作用下碎屑流堆積特征和沖擊力變化，以期能對(duì)實(shí)際工程中滑坡碎屑流的防災(zāi)減災(zāi)工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

基于以往對(duì)滑坡碎屑流堆積過程物理模型試驗(yàn)的研究，本研究建立了室內(nèi)滑坡碎屑流系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由滑槽、料箱、擋樁、觀測(cè)系統(tǒng)和三維地形組成。料箱尺寸為45 cm×30 cm×20 cm（長(zhǎng)×寬×高），料箱前端設(shè)有擋板，材質(zhì)為透明亞克力板?；坶L(zhǎng)150 cm，寬高與料箱相同，材質(zhì)也為透明亞克力板。三維地形尺寸為170 cm×120 cm，沿著運(yùn)動(dòng)方向和垂直運(yùn)動(dòng)方向間隔10 cm劃線，將其剖分成10 cm×10 cm大小的網(wǎng)格方便后續(xù)試驗(yàn)觀察。擋樁為底面3 cm×3 cm的方形鋼樁，高度分別為3 cm、5 cm、7 cm，位置在距離三維地形邊緣50 cm處，樁間距設(shè)置為5 cm。試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)布置了一臺(tái)高速攝像機(jī)、一臺(tái)普通相機(jī)。

1.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)利用滑槽模型模擬巖石顆粒的運(yùn)動(dòng)，以研究碎屑流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和堆積特征。試驗(yàn)研究碎屑流的體積、顆粒粒徑及攔擋高度對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、堆積形態(tài)和沖擊力大小的影響。研究滑坡碎屑流自然下落堆積的過程和特征，這種滑坡碎屑流一般是干碎屑流，因此，試驗(yàn)選取5種粒徑的礫石為試驗(yàn)材料，均為無(wú)黏性，密度為2.62～2.68 g/cm3（如圖1所示）。

1.3 試驗(yàn)方案

本研究重點(diǎn)在于探究不同擋樁長(zhǎng)度及碎屑流粒徑和體積對(duì)滑坡碎屑流堆積特征和沖擊效應(yīng)的影響。為實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一系列試驗(yàn)方案，見表1。表1中A～E分別表示由小到大的5種粒徑。H表示混合粒徑，其中1～4 mm占比20%、4～8 mm占比25%、8～12 mm占比25%、12～16 mm占比20%、16～20 mm占比10%。本次試驗(yàn)一共設(shè)置11組試驗(yàn)，6組不同粒徑對(duì)比試驗(yàn)，2組不同體積對(duì)照試驗(yàn)，3組不同樁長(zhǎng)對(duì)照試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 模型試驗(yàn)分析

試驗(yàn)通過高速攝像機(jī)記錄碎屑流顆粒的運(yùn)動(dòng)過程并進(jìn)行分析。高速攝像相機(jī)幀率設(shè)置為250 FPS，拍攝照片間隔為4 ms。當(dāng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的顆粒低于2%時(shí)，認(rèn)為顆粒堆積基本完成，本次試驗(yàn)顆粒完成堆積的時(shí)間大約為1.8 s。碎屑流顆粒的沖擊運(yùn)動(dòng)過程如圖2所示。

2.2 數(shù)值模擬分析

本次模擬通過三維激光掃描儀獲取三維模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用Rhino6軟件進(jìn)行前處理從而得到模擬地形。所得的模擬地形尺寸和設(shè)置邊界條件與試驗(yàn)保持一致，球與球之間采取線彈性接觸模型，PFC3D模擬所選取的參數(shù)取值見表2。選取C組室內(nèi)試驗(yàn)過程作為模擬對(duì)象，模擬過程見圖3。

2.2.1 運(yùn)動(dòng)速度。在PFC3D數(shù)值模擬過程中，在前緣、中緣和后緣各取兩個(gè)球顆粒為速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。數(shù)值模擬的各顆粒速度與模型試驗(yàn)得出的碎屑流前緣速度對(duì)比曲線如圖4所示。通過比較可以觀察出碎屑流的前緣、中部和后緣的速度峰值不同。具體而言，前緣速度達(dá)到了最大值，而后緣速度則為最小。這說(shuō)明在碎屑流中，前緣的速度要高于中部和后緣區(qū)域的速度，這一結(jié)論對(duì)于進(jìn)一步理解碎屑流的運(yùn)動(dòng)特性具有重要意義。當(dāng)碎屑流與擋樁碰撞后，顆粒速度急劇下降，隨后在摩擦耗能作用下逐漸減速至靜止。由圖4可知，數(shù)值模擬的前緣速度曲線變化趨勢(shì)與室內(nèi)試驗(yàn)所得到的結(jié)果基本一致，數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果較為準(zhǔn)確。

2.2.2 沖擊力。通過追蹤記錄顆粒與樁體的接觸作用力并對(duì)所有接觸力進(jìn)行求和，從而獲取碎屑流對(duì)樁體的總沖擊作用力。各組樁的沖擊力時(shí)程演化及單樁沖擊力峰值如圖5所示。由圖5可知，滑體體積相同時(shí)，顆粒粒徑越大，沖擊力峰值越大，撞擊結(jié)束后靜止堆積的壓力也越大。粒徑為16～20 mm時(shí)，沖擊力峰值為110 N， 靜態(tài)堆積的壓力為7.6 N。不同體積滑體沖擊擋樁時(shí)，沖擊力隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本保持一致，隨著滑體體積增大，擋樁所受到的沖擊力整體增大，體積為15 L時(shí)，沖擊力峰值為158 N，沖擊結(jié)束后擋樁上靜態(tài)堆積的壓力為16.5 N。隨著擋樁高度增大，沖擊力峰值增大，沖擊作用結(jié)束后擋樁的壓力增大。當(dāng)擋樁高度為7 cm時(shí)，沖擊力峰值為267 N，堆積壓力為26.9 N。各組碎屑流沖擊力分布的空間特征如下：在擋樁所在截面顆粒沖擊力大致呈正態(tài)分布，中部所受沖擊力最大，往兩側(cè)沖擊力逐漸減小。這是由于樁群中間的樁由于位置相對(duì)靠前，受到動(dòng)力荷載較多。

3 結(jié)論

本研究通過室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，模擬了滑坡碎屑流的啟動(dòng)、滑移、堆積和沖擊過程?？紤]顆粒粒徑、滑體體積和擋樁高度等三個(gè)因素，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和PFC3D數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究其對(duì)碎屑流顆粒運(yùn)動(dòng)和堆積的影響，主要結(jié)論如下。

①隨著擋樁高度的增加，碎屑流的動(dòng)能損耗增加，前緣速度曲線變化規(guī)律基本不變。碎屑流前緣的運(yùn)動(dòng)速度要高于中部和后緣區(qū)域的速度。

②在擋樁所在截面顆粒沖擊力大致呈正態(tài)分布，中部擋樁所受沖擊力最大，往兩側(cè)沖擊力逐漸減小。在設(shè)計(jì)擋樁時(shí)應(yīng)當(dāng)提高中間樁的強(qiáng)度，也可以適當(dāng)減小兩端樁的強(qiáng)度，合理控制成本。

③擋樁位置不變時(shí)，擋樁的高度、顆粒粒徑或體積增加會(huì)導(dǎo)致沖擊力峰值增加及撞擊作用結(jié)束后擋樁上壓力的增加。

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