阿克陶縣泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程離散元模擬研究

關(guān)志凱 馬彥兵 羅文功

摘要：為揭示泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程規(guī)律，文章以新疆G314線公路工程阿克陶縣泥石流為研究對(duì)象，根據(jù)泥石流生成實(shí)際地形建立二維數(shù)值模型，采用離散元法對(duì)泥石流模型進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)比分析不同時(shí)步位移、矢量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)及測(cè)量圓的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：由于降雨等因素，堆積體下部顆粒強(qiáng)度降低，從而向下滑出，而上部顆粒由于失去下部顆粒支撐，進(jìn)而繼續(xù)下行滑動(dòng)，因此堆積體整體發(fā)生滑動(dòng)，從而產(chǎn)生泥石流災(zāi)害?；谏鲜龇治?，建議加強(qiáng)對(duì)泥石流生成區(qū)域監(jiān)測(cè)，并采取有效的措施。

關(guān)鍵詞：泥石流;離散元;滑動(dòng)過(guò)程

0 引言

泥石流是一種十分嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。泥石流通常是一種裹挾大量泥土、碎石的急性水流，其中的固態(tài)物質(zhì)含量（如砂石、砂土）有時(shí)甚至超過(guò)水量。泥石流多發(fā)于地形陡峭的山區(qū)，是一種區(qū)別于滑坡的多介質(zhì)混合流[1-2]。

由于泥石流這種特殊的運(yùn)動(dòng)形式，有限元對(duì)其模擬存在一定的局限性，而離散元具有大變形、大位移的優(yōu)勢(shì)[3]，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究[4]。何俊輝等[5]為發(fā)現(xiàn)節(jié)理裂隙巖層對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，研究了隧道的破碎巖體，采用離散元法建立了6個(gè)不同破碎巖層位置數(shù)值模型，并對(duì)比分析不同節(jié)理裂隙巖層的隧道開挖后的矢量云圖;楊三強(qiáng)等[6]通過(guò)對(duì)某公路地區(qū)泥石流地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)泥石流的形成原因進(jìn)行了大量分析，并對(duì)形成泥石流主要因素之一的臨界雨量的計(jì)算方法進(jìn)行了介紹;唐明亮[7]以某公路隧道為研究對(duì)象，采用有限元法對(duì)隧道施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，分析了施工階段圍巖的位移、應(yīng)力的變化與和塑性區(qū)生成，以及錨桿加固對(duì)圍巖產(chǎn)生的內(nèi)力。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)使用離散元法對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行了模擬研究，并取得了較好的結(jié)果。本文以新疆阿克陶縣泥石流為工程依托，采用離散元法研究泥石流的滑動(dòng)過(guò)程，為泥石流治理工程提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

新疆G314線公路工程建設(shè)項(xiàng)目位于阿克陶縣境內(nèi)，路線走向?yàn)樽詵|向西。泥石流災(zāi)害生成原因?yàn)椋海?）新疆大部分地區(qū)出現(xiàn)高溫天氣， 并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，甚至有部分地區(qū)?氣溫突破當(dāng)?shù)赜杏涗浺詠?lái)的最高氣溫;（2）工程區(qū)范圍內(nèi)的上游地區(qū)來(lái)水量迅速增大，這是由于上游水庫(kù)水位達(dá)到最高水位，因此進(jìn)行了開閘放水;（3）項(xiàng)目地區(qū)出現(xiàn)了一次范圍較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的降雨過(guò)程，導(dǎo)致出現(xiàn)多次爆發(fā)泥石流。項(xiàng)目沿線右側(cè)上游分布有多個(gè)水電站隧道支洞施工區(qū)，隧道棄渣未進(jìn)行合理規(guī)劃，隨意棄至洞口，松散棄渣極易受雨水沖刷下泄，形成泥石流，造成橋涵路基淤埋。泥石流災(zāi)害導(dǎo)致正在建設(shè)的工程受到嚴(yán)重的損害。

由于河道狹窄，河底縱坡較大、洪水流量大、流速快導(dǎo)致?lián)鯄A(chǔ)外側(cè)河道下切嚴(yán)重，將基礎(chǔ)淘空，使得擋墻失穩(wěn)導(dǎo)致?lián)鯄Φ顾蛘咄鈨A，同時(shí)引起路基開裂、涵洞出口側(cè)沉降。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，擋墻長(zhǎng)度共計(jì)330 m，擋墻倒塌長(zhǎng)度共計(jì)288 m。泥石流生成過(guò)程如圖1所示。

2 泥石流離散元模型建立

泥石流離散元模型根據(jù)實(shí)際地質(zhì)模型建立，尺寸為：長(zhǎng)2 500 m，高165 m。模型生成過(guò)程如下：先以“wall”命令生成滑動(dòng)面地形，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2;考慮到計(jì)算效率及工程實(shí)際情況，采用“ball”命令在一定范圍內(nèi)生成半徑為0.6～0.8 m的顆粒集合，顆粒在重力作用下平衡后，刪除堆積體外的顆粒，最終生成的模型如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際物理力學(xué)參數(shù)及參考文獻(xiàn)[8]中提供的參數(shù)，最終得到離散元模型的細(xì)觀參數(shù)如表1所示。

圖2中模型共有8 663個(gè)顆粒。建立了三個(gè)測(cè)量圓，分別位于堆積區(qū)的上中下部，用來(lái)監(jiān)測(cè)孔隙率變化情況。并設(shè)置了3個(gè)顆粒作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)顆粒X方向位移。

3 泥石流滑動(dòng)過(guò)程分析

圖3為泥石流位移圖，在100 step時(shí)，堆積體前部顆粒出現(xiàn)少量滑動(dòng);當(dāng)達(dá)到3×106 step時(shí)，顆粒出現(xiàn)大量滑動(dòng)，并有部分顆粒已經(jīng)滑動(dòng)到溝底;在6×106 step時(shí)，顆粒大部分已經(jīng)滑動(dòng)到溝底，顆?；瑒?dòng)趨于穩(wěn)定，顆粒最大位移達(dá)到600 m左右。

泥石流速度位移圖如下頁(yè)圖3所示，在100 step時(shí)，大部分顆粒的矢量方向向下，說(shuō)明顆粒在重力作用下向下堆積，堆積體前部有少量顆粒矢量方向向前，說(shuō)明已經(jīng)有部分顆粒開始滑動(dòng);在3×106 step時(shí)，大部分顆粒矢量指向溝底，并有少量顆粒到達(dá)溝底;當(dāng)時(shí)步為6×106 step時(shí)，顆粒大部分矢量已經(jīng)到達(dá)溝底，說(shuō)明滑動(dòng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

圖4為1～3監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒的X方向位移變化過(guò)程圖，從中可以看出監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位于堆積體的下部，當(dāng)開始滑動(dòng)時(shí)，X方向的位移迅速增大，說(shuō)明顆粒在開始時(shí)首先滑出堆積體，1.5×106時(shí)，速度放緩時(shí)到達(dá)溝底;監(jiān)測(cè)點(diǎn)2位于堆積體中部，位移均勻增大，說(shuō)明該部分顆粒在滑動(dòng)過(guò)程中一直保持運(yùn)動(dòng);監(jiān)測(cè)點(diǎn)3位于堆積體上部，其位移距離明顯小于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和2。

圖5為堆積體不同位置孔隙率的變化情況圖，從圖中可以看出，不同位置的測(cè)量圓孔隙率先后到達(dá)1，說(shuō)明測(cè)量圓中顆粒先后滑出測(cè)量圓，測(cè)量圓1位于堆積體下部，由于需要所有顆粒全部滑出后達(dá)到孔隙率為1，所以時(shí)步最長(zhǎng)，測(cè)量圓3位于堆積體后部，顆粒全部滑出后孔隙率為1，而測(cè)量圓2位于兩者之間。

綜上所述，可以推斷出堆積體向下滑動(dòng)的過(guò)程：由于降雨等因素，堆積體下部顆粒強(qiáng)度降低，從而向下滑出，而上部顆粒由于失去下部顆粒支撐，進(jìn)而繼續(xù)下行滑動(dòng)，因此堆積體整體發(fā)生滑動(dòng)，從而產(chǎn)生泥石流災(zāi)害。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用離散元法對(duì)泥石流的全過(guò)程進(jìn)行分析，可以直觀地得到泥石流滑動(dòng)的過(guò)程，可以很好地揭示泥石流的形成過(guò)程。

（2）在建立泥石流離散元模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)其滑動(dòng)過(guò)程中的位移、矢量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)及測(cè)量圓的數(shù)據(jù)分析，得到泥石流的滑動(dòng)過(guò)程是由于降雨等因素，堆積體下部顆粒強(qiáng)度降低，從而向下滑出，而上部顆粒由于失去下部顆粒支撐，進(jìn)而繼續(xù)下行滑動(dòng)，因此堆積體整體發(fā)生滑動(dòng)，從而產(chǎn)生泥石流災(zāi)害。

（3）基于上述分析，建議加強(qiáng)對(duì)泥石流生成區(qū)域監(jiān)測(cè)，并采取有效的加固措施。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2020-06-05