滑坡碎屑流沖擊擋樁的模型試驗研究

吳博 楊曉潔

摘 要：【目的】研究滑坡-碎屑流在真實三維地形上的運動沖擊過程及其堆積形態。【方法】使用PFC3D數值模擬重現模型試驗，分析碎屑流沖擊力的影響因素。【結果】較高的擋樁能更有效地減緩沖擊力，并減少碎屑流的運移距離和堆積長度；顆粒粒徑或體積增加時，碎屑流造成的沖擊力會增大；擋樁所在截面顆粒沖擊力大致呈正態分布，中部擋樁所受沖擊力最大，往兩側沖擊力逐漸減小。【結論】通過數值模擬研究碎屑流沖擊力，可為后續防治提供參考。

關鍵詞：滑坡碎屑流；模型試驗；PFC3D；沖擊力

中圖分類號：P642.22? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：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

高速遠程滑坡-碎屑流是一種具有高度危險性的地質災害，其主要特點包括運移距離較長、滑動速度快，能夠造成廣泛的沖擊破壞［1-2］。在我國西南山區，陡峭山體易發生滑坡等地質災害，對于高位滑坡碎屑流等災害的預防和減災需求日益增強。為降低滑坡碎屑流的破壞程度，相關學者對擋墻、樁群等防護結構進行了深入研究［3-4］。

研究表明，在滑坡碎屑流的運動路徑上設置攔截結構是可以有效降低滑坡碎屑流的危險區域和強度的重要措施［5］。張睿驍等［6-8］研究了不同形狀和距離的攔擋結構對碎屑流的影響，通過軟件數值模擬發現，攔擋結構能夠改變碎屑流的運動方向，并顯著影響碎屑流的速度分布；攔擋距離對滑體平均速度的下降速率有影響，擋板間距增大時平均接觸力減小；沖擊力線性減小階段時間與擋板的高度呈負相關，碎屑流顆粒越小，沖擊效應越明顯。陳古華等［9］通過DEM模擬分析了攔截距離、顆粒級配、碎屑流速度、沖擊力和堆積形態等特征對其影響。肖思友等［10］通過碎屑流沖擊擋墻物理試驗，發現了坡度和擋樁傾角會改變碎屑流的堆積形態，從而改變沖擊力。王文沛等［11］分析了不同類型的樁群對碎屑流攔擋效果的影響，提出了一種防護結構的優化布局。

現有研究結果表明，碎屑流的堆積特征和沖擊力大小受到地形條件、巖土條件及攔擋結構的布置等多重因素共同影響。當前研究多采用滑槽試驗進行簡化研究，沒有對碎屑流在真實三維地形上對攔擋結構沖擊效應進行研究。基于此，本研究以三維地形上的物理模型試驗為基礎，考慮實際地形起伏影響，利用PFC3D數值模擬分析，研究了多種因素作用下碎屑流堆積特征和沖擊力變化，以期能對實際工程中滑坡碎屑流的防災減災工程設計提供參考。

1 物理模型試驗設計

1.1 試驗裝置

基于以往對滑坡碎屑流堆積過程物理模型試驗的研究，本研究建立了室內滑坡碎屑流系統。該系統主要由滑槽、料箱、擋樁、觀測系統和三維地形組成。料箱尺寸為45 cm×30 cm×20 cm（長×寬×高），料箱前端設有擋板，材質為透明亞克力板。滑槽長150 cm，寬高與料箱相同，材質也為透明亞克力板。三維地形尺寸為170 cm×120 cm，沿著運動方向和垂直運動方向間隔10 cm劃線，將其剖分成10 cm×10 cm大小的網格方便后續試驗觀察。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，樁間距設置為5 cm。試驗觀測系統布置了一臺高速攝像機、一臺普通相機。

1.2 試驗材料

本次試驗利用滑槽模型模擬巖石顆粒的運動，以研究碎屑流的運動狀態和堆積特征。試驗研究碎屑流的體積、顆粒粒徑及攔擋高度對運動速度、堆積形態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，試驗選取5種粒徑的礫石為試驗材料，均為無黏性，密度為2.62～2.68 g/cm3（如圖1所示）。

1.3 試驗方案

本研究重點在于探究不同擋樁長度及碎屑流粒徑和體積對滑坡碎屑流堆積特征和沖擊效應的影響。為實現研究目標，設計了一系列試驗方案，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%。本次試驗一共設置11組試驗，6組不同粒徑對比試驗，2組不同體積對照試驗，3組不同樁長對照試驗。

2 試驗結果分析

2.1 模型試驗分析

試驗通過高速攝像機記錄碎屑流顆粒的運動過程并進行分析。高速攝像相機幀率設置為250 FPS，拍攝照片間隔為4 ms。當處于運動狀態的顆粒低于2%時，認為顆粒堆積基本完成，本次試驗顆粒完成堆積的時間大約為1.8 s。碎屑流顆粒的沖擊運動過程如圖2所示。

2.2 數值模擬分析

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

2.2.1 運動速度。在PFC3D數值模擬過程中，在前緣、中緣和后緣各取兩個球顆粒為速度監測點。數值模擬的各顆粒速度與模型試驗得出的碎屑流前緣速度對比曲線如圖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，前緣速度達到了最大值，而后緣速度則為最小。這說明在碎屑流中，前緣的速度要高于中部和后緣區域的速度，這一結論對于進一步理解碎屑流的運動特性具有重要意義。當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，數值模擬的前緣速度曲線變化趨勢與室內試驗所得到的結果基本一致，數值模擬計算的結果較為準確。

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所有接觸力進行求和，從而獲取碎屑流對樁體的總沖擊作用力。各組樁的沖擊力時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，顆粒粒徑越大，沖擊力峰值越大，撞擊結束后靜止堆積的壓力也越大。粒徑為16～20 mm時，沖擊力峰值為110 N， 靜態堆積的壓力為7.6 N。不同體積滑體沖擊擋樁時，沖擊力隨時間變化趨勢基本保持一致，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，沖擊力峰值為158 N，沖擊結束后擋樁上靜態堆積的壓力為16.5 N。隨著擋樁高度增大，沖擊力峰值增大，沖擊作用結束后擋樁的壓力增大。當擋樁高度為7 cm時，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分布，中部所受沖擊力最大，往兩側沖擊力逐漸減小。這是由于樁群中間的樁由于位置相對靠前，受到動力荷載較多。

3 結論

本研究通過室內物理模型試驗，模擬了滑坡碎屑流的啟動、滑移、堆積和沖擊過程。考慮顆粒粒徑、滑體體積和擋樁高度等三個因素，通過室內模型試驗和PFC3D數值模擬相結合的方法，研究其對碎屑流顆粒運動和堆積的影響，主要結論如下。

①隨著擋樁高度的增加，碎屑流的動能損耗增加，前緣速度曲線變化規律基本不變。碎屑流前緣的運動速度要高于中部和后緣區域的速度。

②在擋樁所在截面顆粒沖擊力大致呈正態分布，中部擋樁所受沖擊力最大，往兩側沖擊力逐漸減小。在設計擋樁時應當提高中間樁的強度，也可以適當減小兩端樁的強度，合理控制成本。

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

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