巖體強度與摩擦因數(shù)對滑坡涌浪特征的影響

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)滑坡；涌浪；巖體強度；摩擦因數(shù)；數(shù)值模擬

中圖分類號：ＴＶ１３９．２３；Ｐ６４２．２２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０２４

引用格式：李承德，姚池，李恒宇，等．巖體強度與摩擦因數(shù)對滑坡涌浪特征的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：１４０－１４５．

我國西南地區(qū)高山峽谷密布，水利樞紐眾多，位于河道、水庫附近的巖體一旦失穩(wěn)崩塌或者滑坡，可能造成堵江并引發(fā)巨大涌浪，對人民的生命財產(chǎn)安全及水利樞紐的運行安全等構(gòu)成重大威脅［１－２］ 。近年來，為認識滑坡涌浪運動形態(tài)與傳播規(guī)律，進而充分了解致災(zāi)范圍，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列試驗研究［３－５］ ，如：Ｌｉｕ 等［６］ 基于物理試驗，研究了楔形滑體容重與滑道長度對涌浪波動特性的影響；Ｓ?ｌｅｖｉ 等［７］ 探討了梯形滑塊不同入水速度下遠場涌浪運動形態(tài)與傳播過程；岳書波等［８］ 進行室內(nèi)滑槽涌浪試驗，研究了方體滑塊在不同入水角度與下游水深工況下的涌浪運動特征及衰減規(guī)律；張萬舉等［９］ 基于ＦＬＵＥＮＴ 軟件，模擬了矩形滑塊在Ｖ、Ｕ 形庫區(qū)斷面特征下的滑坡涌浪傳播過程，認為窄深的Ｖ 形庫區(qū)斷面最不利于庫區(qū)安全。對于常見的巖質(zhì)滑坡，滑坡體在滑動過程中可能發(fā)生斷裂以及破碎，這與上述研究中的整體滑坡有顯著差異。

滑坡過程中巖體破碎往往伴隨著巖石塊體數(shù)量增加和能量損失，對整個運動過程有很大影響［１０］ 。在研究滑坡巖體破碎方面，Ｂｏｗｍａｎ 等［１１］ 通過離心機試驗，再現(xiàn)了脆性煤塊沿斜坡下滑時的動力破碎過程；Ｈａｕｇ等［１２］ 用類巖石材料塊體進行斜坡試驗，探討了巖體的破碎形態(tài)與能量消耗；Ｚｈａｏ 等［１３－１４］ 采用離散元法開展數(shù)值試驗，研究了巖塊沿斜坡下滑撞擊底板時的動態(tài)破裂特征；Ｌｉｎ 等［１５］ 基于離散元法研究了不同結(jié)構(gòu)的可碎巖塊沿傾斜平面滑動過程的破碎及堆積特征。上述研究均表明采用可分解的塊體模擬滑坡巖體進行適量簡化是合理且可行的。考慮到巖體強度與摩擦因數(shù)是影響巖體斷裂破碎的重要因素，筆者基于耦合有限元－離散元法（ＦＤＥＭ）模擬巖體破裂，再結(jié)合拉格朗日法與歐拉法實現(xiàn)巖體大位移與流體大變形，以可分解的塊體模擬滑坡巖體并開展三維滑坡涌浪數(shù)值模型試驗，模擬不同巖體強度及摩擦因數(shù)工況巖質(zhì)滑坡涌浪全過程，探討巖體強度及摩擦因數(shù)對巖質(zhì)滑坡涌浪過程的影響，以期為不同地區(qū)巖質(zhì)滑坡涌浪災(zāi)害研究提供參考。

１研究方法

１．１ ＦＤＥＭ基本原理

巖質(zhì)材料滑坡過程具有沖擊、大位移及應(yīng)變軟化等特點，為充分體現(xiàn)這些特征，采用耦合有限元－離散元法模擬巖體的破裂過程。ＦＤＥＭ 將研究區(qū)域離散為有限個實體單元，隨后在實體單元之間插入零厚度的界面單元，并通過定義界面單元的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系描述其破壞過程，進而模擬巖體的破裂，如圖１所示。

２三維滑坡涌浪數(shù)值試驗

２．１數(shù)值模型

三維滑坡涌浪數(shù)值模型主要由巖質(zhì)滑體、河道（庫）水、斜坡和基巖組成，滑坡涌浪數(shù)值模型如圖３所示，基巖底面為長４０ ｍ、寬２８ ｍ 的矩形。河道位于模型中心，簡化為矩形斷面，河寬４ ｍ、深度為２ ｍ。兩岸斜坡傾角為３０°，通過水平距離為１２ ｍ 的斜坡面與河道表面相接。邊長２ ｍ 的立方體巖質(zhì)滑塊位于左岸頂部中心，在重力作用下沿斜坡面下滑并沖入河道中。盡管模擬進行了一些簡化，未能全面考慮自然界中滑坡的各種復(fù)雜運動因素，但是根據(jù)Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ［１６］ 的分類依據(jù)，斜坡數(shù)值模擬試驗可以視為平移型滑動，對于滑坡運動過程的初步研究是合理且可行的［１７－１８］ 。

２．２參數(shù)選取

數(shù)值試驗的研究對象為巖體和水體，摩擦因數(shù)為０．４。水體參數(shù)：密度為１０００ ｋｇ／ ｍ^３，聲速為１ ４５０ ｍ／ ｓ，動力黏度為０.００１ Ｐａ·ｓ。巖體參數(shù)取值見表１。

２．３邊界條件

模型底部固定約束，各方向位移自由度與轉(zhuǎn)動自由度均為零，各側(cè)面的法向位移限制為零，頂面則為自由面，滑體可從頂部自由下滑并沖入河道引起涌浪。

２．４流體界面追蹤方法

采用歐拉網(wǎng)格體積分數(shù)（ＥＶＦ）的方法來追蹤流體界面。ＥＶＦ 是一種測量歐拉網(wǎng)格中材料填充程度的方法，每個歐拉網(wǎng)格被指定為一個百分比，用于表示歐拉網(wǎng)格中材料的填充含量。歐拉網(wǎng)格充滿材料時ＥＶＦ 為１，歐拉網(wǎng)格中沒有任何物質(zhì)時ＥＶＦ 為０。因此，可以通過計算歐拉網(wǎng)格中的物質(zhì)體積分數(shù)來獲得流體流動狀態(tài)，從而追蹤流體在歐拉網(wǎng)格中的流動。

２．５計算工況

自然界巖體抗拉強度遠小于抗剪強度，在滑坡過程中容易發(fā)生拉伸破壞，考慮到降雨等因素會導(dǎo)致巖體與斜坡滑動面之間的摩擦因數(shù)變小，故設(shè)置不同巖體抗拉強度及不同摩擦因數(shù)進行計算研究，計算工況設(shè)置見表２。

３模擬結(jié)果分析

３．１滑坡涌浪運動過程

根據(jù)數(shù)值試驗計算結(jié)果，得到各工況滑坡涌浪運動過程。工況一滑坡涌浪過程見圖４。工況一滑坡體從斜坡下滑過程中并未發(fā)生破壞，巖體仍保持高度完整，ｔ ＝４．０ ｓ 時滑坡體運動至河道邊緣［見圖４（ｂ）］，隨后沖入河道激發(fā)涌浪［見圖４（ｃ）］；涌浪飛濺至右岸斜坡中點附近，形成兩道扇狀浪花［見圖４（ｄ）］。

工況二滑坡涌浪過程見圖５。工況二滑坡體側(cè)邊緣的部分巖石破碎后脫離整體，ｔ＝４．０ ｓ 時較大體積的滑坡體前端出現(xiàn)拉伸裂縫，但并未破碎分離［見圖５（ｂ）］，然后滑坡體沖入河道激起涌浪［見圖５（ｃ）］，進而引起河水飛濺并爬至右岸斜坡較高位置［見圖５（ｄ）］，此時滑坡體也因巨大的撞擊反力而瞬間破碎成離散顆粒體。

工況三滑坡涌浪過程見圖６。工況三強度較小的滑坡體在重力與摩擦阻力作用下下滑，ｔ ＝１．５ ｓ時破碎成松散顆粒［見圖６（ｂ）］，加速下滑至ｔ＝３．８ ｓ 時，前端滑坡體滑入河道引起涌浪［見圖６（ｃ）］；涌浪運動至右岸而出現(xiàn)爬坡［見圖６（ｄ）］；ｔ＝６．０ ｓ時涌浪爬坡基本消退［見圖６（ｅ）］，而左岸斜坡上仍有部分滑坡體加速下滑，隨后滑入河道中引起第二次涌浪爬坡［見圖６（ｆ）］，最后逐漸靜止。

工況四滑坡涌浪過程與工況二相似，工況五滑坡涌浪過程與工況一相似。

３．２滑坡體速度與動能

滑坡體速度與動能在一定程度上展現(xiàn)滑坡過程，圖７為不同巖體抗拉強度工況滑坡體平均速度與動能演化曲線。由圖７可知：工況一滑坡體均勻加速沖入河道，直至ｔ ＝４．４ ｓ 時與河床發(fā)生撞擊，速度與動能驟降，隨后逐漸減小至零；工況二滑坡體部分破碎，滑動初期，滑坡體平均速度近似線性增加，在ｔ ＝４．５ｓ 時刻沖入河道并撞擊河床后，其速度與動能瞬間減小，后逐漸歸零；工況三滑坡體加速下滑１ｓ左右，破碎巖體由高處墜落并撞擊坡體，導(dǎo)致速度與動能增大后瞬間減小，之后大量非連續(xù)顆粒巖體逐漸加速滑入河道后減速靜止。可知，隨著巖體強度增大，滑坡體破碎程度逐漸降低，速度與動能逐漸增大。此外，工況一滑坡體速度與動能較大，巖體沖入河道后撞擊右岸而引起巨大的沖擊應(yīng)力，見圖８。因此，需要注意極端情況下右岸巖體可能發(fā)生撞擊失穩(wěn)，進一步引起滑坡災(zāi)害。

對于摩擦因數(shù)不同的工況三、四、五，滑坡體平均速度與動能演化曲線見圖９。由圖９ 可見，滑坡體破壞前速度與動能隨摩擦因數(shù)的減小而增大。工況三與工況四滑坡體在下滑過程中因摩擦阻力大于自身巖體強度而斷裂破碎，速度與動能演化曲線相對平緩；工況五摩擦因數(shù)較小使摩擦阻力小于巖體強度，滑坡體在下滑過程中未發(fā)生破碎，直至撞擊河岸而瞬間崩解，這與工況一相似，但摩擦耗能更小，滑坡體破壞前速度與動能更大。

３．３涌浪波高與爬高

圖１０（ａ）為不同巖體抗拉強度工況涌浪最大波高與最大爬高，圖１０（ｂ）為不同摩擦因數(shù)工況涌浪最大波高與最大爬高。由圖１０（ａ）可知，隨著巖體抗拉強度的增大，涌浪最大波高與最大爬高逐漸增大：工況一滑坡體未發(fā)生破碎，入水速度與動能均最大，因此最大波高與最大爬高也最高；工況二滑坡體破碎程度低，入水速度與動能較大，涌浪過程最大波高與最大爬高均比工況一稍低；工況三滑坡體破碎松散化嚴重，入水速度與動能均最小，涌浪最大波高與最大爬高也最低。從圖１０（ｂ）可以看出，摩擦因數(shù)越小，滑坡體涌浪最大波高與最大爬高越高，尤其在工況五情況下，由于摩擦阻力小，一方面較小強度的滑坡體未發(fā)生破碎，另一方面摩擦耗能少，因此與工況三和工況四相比，涌浪最大波高與最大爬高驟增。

４結(jié)論

通過三維滑坡涌浪數(shù)值模型試驗，初步探索巖體強度與摩擦因數(shù)對巖質(zhì)滑坡涌浪過程的影響，取得的主要結(jié)論如下：１）采用拉格朗日法、歐拉法和耦合有限元－離散元法相結(jié)合的方法，可以捕捉到不同時刻巖質(zhì)滑坡體與涌浪的運動特征，實現(xiàn)滑坡涌浪全過程模擬，為研究巖質(zhì)滑坡涌浪過程提供一種新思路。

２） 隨著巖體強度增大，滑坡體破碎程度逐漸降低，速度與動能逐漸增大，涌浪最大波高與最大爬高逐漸增大。

３）巖體強度較高的滑坡體以較大速度沖入河道，極端情況下甚至可能撞擊對岸巖體引發(fā)新的滑坡災(zāi)害。

４）摩擦因數(shù)越小，滑坡體速度與動能越大，涌浪最大波高與最大爬高越高，當摩擦因數(shù)很小時，低強度的巖體沿滑動面下滑過程中可能不發(fā)生破碎，導(dǎo)致涌浪最大波高與最大爬高驟增。