地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (4): 527-535
引用本文
胡晓波, 樊晓一, 唐俊杰. 基于离散元的高速远程滑坡运动堆积特征及能量转化研究——以三溪村滑坡为例[J]. 地质力学学报, 2019, 25(4): 527-535.
HU Xiaobo, FAN Xiaoyi, TANG Junjie. ACCUMULATION CHARACTERISTICS AND ENERGY CONVERSION OF HIGH-SPEED AND LONG-DISTANCE LANDSLIDE ON THE BASIS OF DEM: A CASE STUDY OF SANXICUN LANDSLIDE[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(4): 527-535.
基于离散元的高速远程滑坡运动堆积特征及能量转化研究——以三溪村滑坡为例
胡晓波1 , 樊晓一1,2 , 唐俊杰1     
1. 西南科技大学土木工程与建筑学院, 四川 绵阳 621010;
2. 工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室, 四川 绵阳 621010
摘要:高速远程滑坡-碎屑流运动速度、堆积特征和能量转化是研究其致灾机制的重要因素,而模型试验、野外调查并不能全面揭示其成灾机理。文章以三溪村滑坡为例,采用PFC3D离散元模拟方法,揭示滑坡运动过程中的前部、中部和后部岩土体的速度演化分布、堆积特征和能量转化关系。研究结果表明:三溪村滑坡的残余摩擦系数为0.2时,模拟结果与实际堆积特征一致。前部、中部、后部岩土体到峰值速度存在差异,前部岩土体速度分布表现为显著的单峰型特征,而后部岩土体速度分布为双峰型特征。滑坡不同部位的岩土体堆积呈现层序分布;滑坡重力势能的转化中,摩擦耗能占总能量的52%,动能峰值时刻仅有15%的重力势能转化为动能。研究结果可为高速远程滑坡的运动机理分析和防灾减灾治理工程提供重要参考。
关键词离散元颗粒流    高速远程滑坡    运动速度    能量转化    三溪村滑坡    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.04.051     文章编号:1006-6616(2019)04-0527-09
ACCUMULATION CHARACTERISTICS AND ENERGY CONVERSION OF HIGH-SPEED AND LONG-DISTANCE LANDSLIDE ON THE BASIS OF DEM: A CASE STUDY OF SANXICUN LANDSLIDE
HU Xiaobo1 , FAN Xiaoyi1,2 , TANG Junjie1     
1. School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, Sichuan, China;
2. Shock and Vibration of Engineering Materials and Structures Key Laboratory of Sichuan Province, Mianyang 621010, Sichuan, China
Abstract: The velocity, accumulation characteristics and energy conversion are important factors in the study of the disaster-causing mechanism of high-speed and long-stance landslide; however, model test and field investigation can't fully reveal the mechanism. In this study, the landslide in Sanxicun was simulated by PFC3D to reveal that the velocity evolution distribution, accumulation characteristics and energy conversion relationship of frent, middle and rear rock and soil during the landslide movement process. The results show that, when the residual friction coefficient of Sanxicun landslide is 0.2, the simulation results are consistent with the actual accumulation characteristics. When the front, middle and rear rock and soil achieve peak velocity, the time distribution is Sfront < Smiddle < Srear. The velocity distribution of the front rock mass shows significant unimodal characteristic, while that of the rear rock mass is bimodal. The accumulation of rock and soil mass presents sequence distribution. In the transformation of gravitational potential energy of the landslide, friction energy accounts for 52% of the total energy, and only 15% of the gravitational potential energy at the peak of kinetic energy is converted into kinetic energy. The research results can provide reference for the analysis of the disaster-causing mechanism of high-speed and long-stance landslide and the project of disaster prevention and reduction.
Key words: discrete element particle flow    high-speed and long-distance landslide    velocity    energy conversion    Sanxicun landslide    
0 引言

高速远程滑坡-碎屑流是指具有高速、远程特点的滑坡,滑坡体在运动过程中会转化成高流动性的碎屑流体,具有破坏力强、致灾范围大等特点[1]。如国内汉源二蛮山滑坡[2]、云南镇雄滑坡[3]、贵州关岭寨滑坡[4]、四川茂县新磨村滑坡[5]等。

高速远程滑坡的运动速度、堆积特征、能量转化等是滑坡灾害评估的重要指标。由于高速远程滑坡-碎屑流的危害重大,众多学者开展了关于高速远程滑坡运动速度、堆积、能量转化等方面的研究[6-8]。如鲁晓兵[9]通过理论分析研究了碎屑流沿坡面下滑过程中的运动特性及床面摩擦系数、土体内摩擦角和坡角对碎屑流堆积形态的影响。樊晓一等[10]基于滑槽模型试验,分析了坡脚坡度和颗粒级配对碎屑流前缘速度的影响,并提出了改进的能量线模型能更合理的解释碎屑流运动全程。郝明辉[11]、王玉峰[12]等基于物理模型实验和现场调查分析对滑坡运动过程的颗粒分选以及反序堆积问题进行了研究,详细分析了其现象规律。Hunger等[13]利用离散元数值模拟,采用DAN对滑坡碎屑流的成因进行了分析,并初步考虑了沟谷形态对滑坡运动堆积的影响。孙新坡[14]采用离散元方法对地震引起的牛圈沟滑坡动力过程进行了模拟反演,分析了不同基地系数对滑坡运动距离、堆积形态的影响。唐昭荣等[15]利用颗粒流对草岭滑坡和小林村滑坡进行了模拟反演,分析滑坡的速度、堆积演化过程,取得了较好的效果。目前高速远程滑坡的方法众多,主要分为理论计算、模型实验和数值模拟。其中数值模拟方法,因成本低、效果明确等特点而得到广泛运用。高速远程滑坡是一个复杂的过程,不同部位岩土体在运动过程中速度、堆积、能量传递等呈现出不同的演化规律。目前,众多学者对高速远程滑坡的研究,集中在滑坡前缘速度、峰值速度、整体堆积范围等方面的研究,对每个部分的岩土体的速度、堆积演化过程和能量演化的分析研究较少。

文章以都江堰三溪村滑坡为例,利用三维离散元软件PFC3D对该滑坡的运动过程进行了反演,并对滑坡岩土体进行分块,研究不同部位岩土体的运动速度、堆积情况差异以及能量传递作用。为深入研究高速远程滑坡运动机理和防灾减灾治理工程提供参考。

1 都江堰三溪村滑坡概况

相关资料显示[16-17],三溪村滑坡位于四川省都江堰市中兴镇三溪村1组,山体展布呈东北方向,处于龙门山断裂带与成都平原过渡地段,滑坡体物质以棕红色厚层砂岩和粉砂岩为主。滑坡前后缘垂直高差377 m,后缘到前缘的水平距离为1240 m,滑源区超1×106 km3坡体物质滑下,总滑程超1.2 km,致使沟道内11户居民建筑被毁,52人死亡,109人失踪,造成巨大的人员伤亡及财产损失。三溪村滑坡可以分为1#滑坡和2#滑坡(图 1),因1#滑坡具有高速远程的特点,故此次模拟主要研究1#滑坡的运动、堆积特征及能量变化情况。滑坡发生后遥感影像图,如图 1所示。

图 1 滑坡发生后的遥感影像图 Fig. 1 Remote sensing image after landslide
2 基于PFC3D的三溪村滑坡运动模拟参数选取

离散元方法(DEM)是Cundall和Strack[18]在1979年创立的一种基于粒子间相互接触的位置关系及相互作用的力学关系来求得粒子运动状态的数值模拟方法,其专门用来解决不连续介质问题。文中数值模型的建立,就是基于上述本构模型的三维颗粒流方法。PFC3D为基于三维圆球单元的离散元程序,能够模拟大量颗粒元的非线性相互作用下的总体流动和材料间的动力响应特性。PFC的原理是基于粒子间相互接触的位置关系及相互作用的力学关系来获取粒子的运动状态,元素间相互作用的详细描述可参考文献[19]。

2.1 三溪村滑坡数值建模

参考以往的滑坡研究,采用墙单元模拟已知滑面,用球单元模拟滑坡体物质[20-21]。这种数值模拟方法,不需要大量的颗粒数量,极大的减少了运算时间。如图 2所示,该模型的横向宽838 m,纵向长1316 m,最大高程为1172 m,堆积最低高程为738 m,由103222个墙单元组成。滑坡体物质由19827个粒径为0.975~2.437 m的球颗粒组成,并被分成了9块区域(G1—G9),用不同颜色表示,用以跟踪研究堆积区物质的来源。对9个部分的岩土体速度进行监测,在选择监测点时,选择过少的颗粒可能存在较大误差,因此,在滑坡体每个部分分别设置4个监测点(G1部分设置P1—P4监测点,依次类推),共计36个(P1—P36)监测点,用于研究不同部分颗粒的速度。G1—G3为前部岩土体,G4—G6为中部岩土体,G7—G9为后部岩土体。

图 2 三溪村滑坡模型图 Fig. 2 The model of Sanxicun landslide
2.2 接触模型的选取

为了模拟具有粘结作用的材料运动行为,PFC3D提供了两种粘结模型,接触键粘结模型和平行键粘结模型。接触键模型只能在接触点传递力,平行键模型能够在圆形和矩形截面传递力。因此,平行键接触模型被广泛用于滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害研究[20-21]

2.3 岩石土的宏观物理性质和微观参数性质

在PFC3D模型中,只能对球单元和墙单元的微观参数进行标定,元素不能直接实现宏观材料的物理性质。Potyondy和Cundall提出通过在现场试件上的单轴压缩试验结果,获得PFC3D中合适的微参数。通过PFC3D建立无侧限单轴压缩实验(图 3),获取应力应变曲线,并同室内单轴实验的应力应变曲线进行对比[22],校核数值模拟的参数。通过查阅工程地质手册,可知砂岩的单轴抗压强度是61 MPa,杨氏模量11.06 GPa,密度2300 kg/m3。数值模拟结果同室内试验参数一致。滑坡模型的详细数值参数如表 1所示。

图 3 无侧限抗压实验 Fig. 3 The uniaxial compressive test

表 1 数值模型微观参数 Table 1 The numerical micro-parameters of the PFC model
3 数值模拟结果 3.1 不同残余摩擦系数对滑坡运动堆积结果的影响

现场调查结果显示,三溪村滑坡总滑程超1.2 km,滑坡体后缘高程850 m,堆积体前缘高程740 m,堆积长度560 m,堆积宽度50~140 m。

三溪村滑坡主要受静水压力的作用,导致坡体破坏而失稳[23]。在数值模拟中,通过控制降低颗粒和墙体的摩擦系数,模拟滑动面的抗剪强度降低,实现滑坡的失稳破坏。滑坡未启动前,坡体处于平衡状态,设置较高的摩擦系数为0.667。滑坡启动后,由于斜坡岩体节理裂隙发育,随着原生结构面的破坏,岩体迅速破碎液化,颗粒间的抗剪强度迅速降低到一个残余值。因此,需要对残余摩擦系数进行校核。采用控制变量法,残余摩擦系数分别设置为:0.1、0.2、0.3、0.4。模拟结果如图 4所示。

图 4 不同残余摩擦系数滑坡体堆积情况 Fig. 4 The accumulation of landslides with different residual friction coefficients

同实际滑坡堆积情况对比,当摩擦系数f=0.2时,同实际情况最接近,故选择残余摩擦系数为0.2作为三溪村滑坡进一步研究的参数。滑坡堆积影像如图 5所示。

图 5 数值模型滑坡堆积影像图 Fig. 5 Remote sensing image after landslide
3.2 三溪村滑坡不同部位的速度分析

滑坡不同位置的岩土体颗粒的速度变化情况是不一致的(图 6图 8),各平均速度如图 9所示。

图 6 前部岩土体颗粒速度 Fig. 6 The velocity of the front rock mass

图 7 中部岩土体颗粒速度 Fig. 7 The velocity of the middle rock mass

图 8 后部岩土体颗粒速度 Fig. 8 The velocity of the rear rock mass

图 9 不同部位岩土颗粒的平均速度 Fig. 9 The average velocity of different parts of geotechnical particles

相同部位的岩土体速度具有相似的变化规律(图 6图 8),但不同部位岩土体之间,速度的变化情况差异较大(图 9),表现出不同的加速减速规律。

不同部位颗粒岩土体的平均速度如图 9所示。其加速运动过程表现出以下特征:①前部(G1~G3)岩土体以较高的加速度,持续加速约20 s达到峰值速度;②中部(G4~G6)岩土体在经过10 s的加速运动后,颗粒以较平缓的速度进入持速运动阶段,且持速运动约25 s;③后部(G7~G9)岩土体先是以较高加速度短暂加速,后以较低加速度加速运动,最后以较高加速度加速至峰值速度。

减速运动过程特征:①前部颗粒在约23 s时刻开始减速,具有较明显的快速减速阶段,之后颗粒速度并未立刻停止,而是以5~10 m/s的速度持续运动了约30 s后,速度才降至5 m/s以下,其中部分颗粒甚至出现加速的情况,这同沟谷中不平坦的地形条件有关。②中部颗粒在约35 s时刻开始减速,同前部岩土体颗粒表现出类似的减速规律,但相比前部岩土体颗粒,中部颗粒减速过程曲线相对平缓,波动性较弱。由于前部岩土体颗粒先于中后颗粒到达沟谷,在沟谷内部形成了一层较为平坦的滑动面,使得颗粒速度波动性减弱。③后部颗粒在约52 s时刻开始,速度出现突然减小的情况。没有同前、中部颗粒类似的有一个缓慢减速的运动阶段。

综上速度变化规律情况,主要同颗粒间的相互作用密切相关。三溪村滑坡不同部位的岩土体表现为不同的运动过程,原因在于加速、减速、堆积阶段出现的时间点存在差异,滑坡前部岩土体在达到峰值速度前的加速阶段历时最短,受中后部岩土体碰撞、推挤和能量传递作用,其减速阶段历时最长,速度分布表现为单峰型特征。中部岩土体在运动过程中,受前部岩土体的阻止以及后部岩土体的碰撞、推挤作用的影响,速度分布呈现单-双峰复合的特征。后部岩土体受前部、中部岩土体的阻止、碰撞、能量传递作用,速度分布呈现双峰型特征。

3.3 滑坡堆积特征

根据横断面的位置(图 10a),从滑坡体后缘开始,每间隔80 m处,截取横截面颗粒的堆积情况。分析结果表明,在垂直方向上,颗粒堆积遵循分层规律,即前部(G1、G2、G3)颗粒堆积于最底层、中部(G4、G5、G6)颗粒堆积于中层、后部(G7、G8、G9)颗粒堆积于最上层,且底层颗粒横向堆积宽度更宽(图 10b)。其原因在于滑坡不同部位岩土体运动堆积存在时间差异,并且地面的摩擦效应并不能对滑坡岩土体的运动产生强烈的扰动作用。

图 10 横断面颗粒堆积分布特征 Fig. 10 Distribution characteristics of cross-sectional particle accumulation

横向堆积特征表明,各部位岩土体受滑动面的扰动较小,各部位最终堆积位置同启动前一致。前缘颗粒运动优先运动至沟谷,并在底部形成铺床,为后缘物质提供更加光滑的滑动面,造成滑坡具有高速远程的特点。

3.4 能量分布

三溪村滑坡是在静水压力和重力作用下接触面发生应力集中,导致原生结构发生破坏而失稳滑动,整个滑坡运动过程中的能量主要来自滑坡体的重力势能。根据能量转换关系,滑坡运动过程中,重力势能主要转化为四大部分的能量消耗:内部摩擦作用造成的能量损耗、热能耗散、颗粒间碰撞作用损耗和动能的消耗,三溪村滑坡各能量变化如图 11所示。

图 11 能量值随时间变化曲线 Fig. 11 Curves of energy over time

总的重力势能(Eg)为每个颗粒的重力势能变化量之和。${{E}_{g}}=\sum\nolimits_{_{i=1}}^{i=n}{{{m}_{i}}g{{h}_{i}}}$,其中mi为第i个球颗粒的质量,hi为第i个球颗粒垂直运动高差,n为球颗粒总个数,g为重力加速度。

在滑坡运动的整个过程中,重力势能最终转化为摩擦能、碰撞耗能和热能耗散(图 11)。其中摩擦耗能占到了总能量的52%,热量消耗了23%,碰撞产生的能量消耗为25%。动能随时间先增加后减小,动能峰值出现在25 s,此时重力势能对动能的转化率仅15%。

滑坡运动前期,岩土体启动加速阶段,重力势能转化为动能的比例较高,随着运动的进行,动能虽然在增加,但动能的转化率呈下降趋势,最终转化率为零(图 12)。三溪村滑坡受重力作用,共2.42×1012 J重力势能转化为其他形式的能量。

图 12 能量转化率随时间变化曲线 Fig. 12 Curves of energy conversion rate over time
4 结论

高速远程滑坡-碎屑流运动速度、堆积特征和能量转化是研究其致灾机制的重要因素。文章以三溪村滑坡为例,采用PFC3D离散元模拟方法,揭示滑坡运动过程中,不同部位岩土体速度的演化分布、堆积特征和能量转化关系,得出如下结论。

(1) 对于高速远程滑坡,滑坡运动路径上坡面的残余摩擦系数对滑坡运动距离、堆积宽度等具有重要的影响。三溪村滑坡的残余摩擦系数为0.2时,模拟结果与实际堆积特征一致。

(2) 三溪村滑坡不同部位岩土体速度变化特征差异明显。前部岩土体速度呈单峰型特征、中部岩土体呈单-双峰复合型特征、后部岩土体呈双峰型特征。

(3) 堆积分析的结果表明,滑坡前部、中部、后部岩土体表现为层序堆积特征,即前部颗粒堆积在底层、中部颗粒堆积于中层、后部颗粒堆积于最上层。

(4) 重力势能主要以摩擦耗能、碰撞耗能、动能、热能的形式消耗。其中摩擦耗能占比最大,占总重力势能的52%,而动能作为致灾强度的重要指标,峰值动能仅占重力势能的15%。

文章采用颗粒离散元法对三溪村滑坡的运动过程进行反演,并在此基础之上探究了不同部位岩土体速度的演化、堆积和能量的演化过程,旨在对滑坡碎屑流有一个更深入的认识。然而滑坡运动过程是一个复杂的动力力学过程,其中能量的转化过程更是复杂多变,还需进一步结合模型实验、数值模拟以及理论推导等手段对滑坡体运动过程中的能量转化进行定量的评估和分析,从能量的角度揭示滑坡碎屑流的运动演化及致灾机理。

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