滑坡碎屑流冲击挡桩的模型试验研究

吴博 杨晓洁

摘 要：【目的】研究滑坡-碎屑流在真实三维地形上的运动冲击过程及其堆积形态。【方法】使用PFC3D数值模拟重现模型试验，分析碎屑流冲击力的影响因素。【结果】较高的挡桩能更有效地减缓冲击力，并减少碎屑流的运移距离和堆积长度；颗粒粒径或体积增加时，碎屑流造成的冲击力会增大；挡桩所在截面颗粒冲击力大致呈正态分布，中部挡桩所受冲击力最大，往两侧冲击力逐渐减小。【结论】通过数值模拟研究碎屑流冲击力，可为后续防治提供参考。

关键词：滑坡碎屑流；模型试验；PFC3D；冲击力

中图分类号：P642.22     文献标志码：A     文章编号：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-碎屑流是一种具有高度危险性的地质灾害，其主要特点包括运移距离较长、滑动速度快，能够造成广泛的冲击破坏［1-2］。在我国西南山区，陡峭山体易发生滑坡等地质灾害，对于高位滑坡碎屑流等灾害的预防和减灾需求日益增强。为降低滑坡碎屑流的破坏程度，相关学者对挡墙、桩群等防护结构进行了深入研究［3-4］。

研究表明，在滑坡碎屑流的运动路径上设置拦截结构是可以有效降低滑坡碎屑流的危险区域和强度的重要措施［5］。张睿骁等［6-8］研究了不同形状和距离的拦挡结构对碎屑流的影响，通过软件数值模拟发现，拦挡结构能够改变碎屑流的运动方向，并显著影响碎屑流的速度分布；拦挡距离对滑体平均速度的下降速率有影响，挡板间距增大时平均接触力减小；冲击力线性减小阶段时间与挡板的高度呈负相关，碎屑流颗粒越小，冲击效应越明显。陈古华等［9］通过DEM模拟分析了拦截距离、颗粒级配、碎屑流速度、冲击力和堆积形态等特征对其影响。肖思友等［10］通过碎屑流冲击挡墙物理试验，发现了坡度和挡桩倾角会改变碎屑流的堆积形态，从而改变冲击力。王文沛等［11］分析了不同类型的桩群对碎屑流拦挡效果的影响，提出了一种防护结构的优化布局。

现有研究结果表明，碎屑流的堆积特征和冲击力大小受到地形条件、岩土条件及拦挡结构的布置等多重因素共同影响。当前研究多采用滑槽试验进行简化研究，没有对碎屑流在真实三维地形上对拦挡结构冲击效应进行研究。基于此，本研究以三维地形上的物理模型试验为基础，考虑实际地形起伏影响，利用PFC3D数值模拟分析，研究了多种因素作用下碎屑流堆积特征和冲击力变化，以期能对实际工程中滑坡碎屑流的防灾减灾工程设计提供参考。

1 物理模型试验设计

1.1 试验装置

基于以往对滑坡碎屑流堆积过程物理模型试验的研究，本研究建立了室内滑坡碎屑流系统。该系统主要由滑槽、料箱、挡桩、观测系统和三维地形组成。料箱尺寸为45 cm×30 cm×20 cm（长×宽×高），料箱前端设有挡板，材质为透明亚克力板。滑槽长150 cm，宽高与料箱相同，材质也为透明亚克力板。三维地形尺寸为170 cm×120 cm，沿着运动方向和垂直运动方向间隔10 cm划线，将其剖分成10 cm×10 cm大小的网格方便后续试验观察。挡桩为底面3 cm×3 cm的方形钢桩，高度分别为3 cm、5 cm、7 cm，位置在距离三维地形边缘50 cm处，桩间距设置为5 cm。试验观测系统布置了一台高速摄像机、一台普通相机。

1.2 試验材料

本次试验利用滑槽模型模拟岩石颗粒的运动，以研究碎屑流的运动状态和堆积特征。试验研究碎屑流的体积、颗粒粒径及拦挡高度对运动速度、堆积形态和冲击力大小的影响。研究滑坡碎屑流自然下落堆积的过程和特征，这种滑坡碎屑流一般是干碎屑流，因此，试验选取5种粒径的砾石为试验材料，均为无黏性，密度为2.62～2.68 g/cm3（如图1所示）。

1.3 试验方案

本研究重点在于探究不同挡桩长度及碎屑流粒径和体积对滑坡碎屑流堆积特征和冲击效应的影响。为实现研究目标，设计了一系列试验方案，见表1。表1中A～E分别表示由小到大的5种粒径。H表示混合粒径，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%。本次试验一共设置11组试验，6组不同粒径对比试验，2组不同体积对照试验，3组不同桩长对照试验。

2 试验结果分析

2.1 模型试验分析

试验通过高速摄像机记录碎屑流颗粒的运动过程并进行分析。高速摄像相机帧率设置为250 FPS，拍摄照片间隔为4 ms。当处于运动状态的颗粒低于2%时，认为颗粒堆积基本完成，本次试验颗粒完成堆积的时间大约为1.8 s。碎屑流颗粒的冲击运动过程如图2所示。

2.2 数值模拟分析

本次模拟通过三维激光扫描仪获取三维模型的点云数据，再利用Rhino6软件进行前处理从而得到模拟地形。所得的模拟地形尺寸和设置边界条件与试验保持一致，球与球之间采取线弹性接触模型，PFC3D模拟所选取的参数取值见表2。选取C组室内试验过程作为模拟对象，模拟过程见图3。

2.2.1 运动速度。在PFC3D数值模拟过程中，在前缘、中缘和后缘各取两个球颗粒为速度监测点。数值模拟的各颗粒速度与模型试验得出的碎屑流前缘速度对比曲线如图4所示。通过比较可以观察出碎屑流的前缘、中部和后缘的速度峰值不同。具体而言，前缘速度达到了最大值，而后缘速度则为最小。这说明在碎屑流中，前缘的速度要高于中部和后缘区域的速度，这一结论对于进一步理解碎屑流的运动特性具有重要意义。当碎屑流与挡桩碰撞后，颗粒速度急剧下降，随后在摩擦耗能作用下逐渐减速至静止。由图4可知，数值模拟的前缘速度曲线变化趋势与室内试验所得到的结果基本一致，数值模拟计算的结果较为准确。

2.2.2 冲击力。通过追踪记录颗粒与桩体的接触作用力并对所有接触力进行求和，从而获取碎屑流对桩体的总冲击作用力。各组桩的冲击力时程演化及单桩冲击力峰值如图5所示。由图5可知，滑体体积相同时，颗粒粒径越大，冲击力峰值越大，撞击结束后静止堆积的压力也越大。粒径为16～20 mm时，冲击力峰值为110 N， 静态堆积的压力为7.6 N。不同体积滑体冲击挡桩时，冲击力随时间变化趋势基本保持一致，随着滑体体积增大，挡桩所受到的冲击力整体增大，体积为15 L时，冲击力峰值为158 N，冲击结束后挡桩上静态堆积的压力为16.5 N。随着挡桩高度增大，冲击力峰值增大，冲击作用结束后挡桩的压力增大。当挡桩高度为7 cm时，冲击力峰值为267 N，堆积压力为26.9 N。各组碎屑流冲击力分布的空间特征如下：在挡桩所在截面颗粒冲击力大致呈正态分布，中部所受冲击力最大，往两侧冲击力逐渐减小。这是由于桩群中间的桩由于位置相对靠前，受到动力荷载较多。

3 结论

本研究通过室内物理模型试验，模拟了滑坡碎屑流的启动、滑移、堆积和冲击过程。考虑颗粒粒径、滑体体积和挡桩高度等三个因素，通过室内模型试验和PFC3D数值模拟相结合的方法，研究其对碎屑流颗粒运动和堆积的影响，主要结论如下。

①随着挡桩高度的增加，碎屑流的动能损耗增加，前缘速度曲线变化规律基本不变。碎屑流前缘的运动速度要高于中部和后缘区域的速度。

②在挡桩所在截面颗粒冲击力大致呈正态分布，中部挡桩所受冲击力最大，往两侧冲击力逐渐减小。在设计挡桩时应当提高中间桩的强度，也可以适当减小两端桩的强度，合理控制成本。

③挡桩位置不变时，挡桩的高度、颗粒粒径或体积增加会导致冲击力峰值增加及撞击作用结束后挡桩上压力的增加。

参考文献：

［1］许世民，殷跃平，邢爱国.基于地震信号的贵州纳雍崩塌-碎屑流运动特征分析［J］.中国地质灾害与防治学报，2020，31（2）：1-8.

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［3］胡晓波，樊晓一，姜元俊.运动场地地形条件对碎屑流动力特征的影响研究［J］.岩石力学与工程学报， 2020， 39（S1）：2940-2953.

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［8］张睿骁，樊晓一，杨海龙，等.不同拦挡距离对滑坡碎屑流冲击效应影响的离散元模拟［J］.西南科技大学学报，2018，33（3）：37-42.

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［10］肖思友，苏立君，姜元俊，等.坡度对碎屑流冲击立式拦挡墙力学特征的影响［J］.岩土力学，2019，40（11）：4341-4351，4360.

［11］王东坡，李沁泽，毕钰璋，等.碎屑流高风险区桩群防护结构优化布局研究［J］.岩土力学， 2020，41（4）： 1323-1332，1365.