滑坡碎屑流冲击力影响因素的离散元模拟

张睿骁，樊晓一，姜元俊

(1.西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；2．中国科学院 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041)

我国西南地区地质灾害频发，由地震引起的滑坡、崩塌、泥石流等灾害对山区居民的生命财产造成很大的威胁，滑坡碎屑流与构筑物之间的相互作用是目前研究的重点。近年来许多学者对滑坡运动过程从不同角度做了很多研究。文献[1-5]从能量角度，对滑坡冲击能建立了计算模型，完成了滑体冲击过程能耗规律模型试验，并对受灾体提出了易损性定量评估。文献[6]通过对文家沟滑坡运移特征的分析，发现滑体运移主要是由于碰撞发生解体，地形是滑体运移堆积的主控因素。文献[7]利用物理模型试验，对滑体的铲刮效应及其机制进行了探讨。文献[8-9]对滑坡超前冲击气浪进行了深入探讨，定量分析了滑坡碎屑流运动过程中所产生的超前冲击气浪的特征及演化规律。文献[10-11]通过试验研究碎屑流冲击挡土墙的作用机制，并探讨了冲击作用的量化评估计算方法。文献[12]通过一个具有预定速度的钢重物碰撞，研究结构的冲击行为。文献[13]基于能量守恒定律，研究了影响冲击能量的因素。虽然已有的研究已经取得了较好的研究成果，但是目前对于滑坡碎屑流冲击力的影响效应研究比较少。本文在已有的研究基础上，建立三维离散元模型，研究不同距离的刚性挡板和坡角对滑坡碎屑流冲击力的影响。

1 三维离散元模型

1.1 模型尺寸

结合试验场地的具体情况和试验的要求，本文整个试验装置主要由料箱、滑槽和刚性挡板构成。料箱尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m(长×宽×高)，料箱前部设有挡板，滑槽是试验岩土体运动的主要场所，滑槽高度为1.25 m，坡角θ取35°，45°，55°，在距离坡脚L(0.25，0.50，0.75 m)处设置刚性挡板，用来模拟不同拦挡距离对滑坡碎屑流冲击效应的影响，如图1所示。本模型在坡角45°没有挡板情况下颗粒滑动最远运动距离约为0.98 m。

图1 滑槽模型示意(单位：mm)

1.2 数值计算参数的标定

图2 MATLAB后处理颗粒堆积轮廓

材料泊松比剪切模量/Pa密度/(kg·m-3)滑槽(底板)0.307.00×10107 500滑槽(挡板)0.251.96×1092 500颗粒0.211.00×1082 100

表2 材料间接触参数模拟取值

1.3 方案设计

利用滑坡碎屑在水平滑槽中的运动来模拟滑坡碎屑流对刚性挡板的冲击效应。主要研究不同距离的刚性挡板和坡角对滑坡碎屑流冲击力的影响。试验设计方案见表3。

表3 滑坡试验设计方案

2 数值模拟结果与分析

提取滑坡碎屑流运动过程中的冲击力进行分析。无挡板、坡角为35°，45°和55°时颗粒的运动时间分别为1.70，1.50，1.25 s。

2.1 挡板所受最大冲击力

如表4所示，相同坡角下随着挡板距离的增加，滑坡碎屑流颗粒对挡板的最大冲击力逐渐减小，与0.25 m 处挡板所受最大冲击力相比，0.75 m处挡板最大冲击力减小了约70%；坡角越大，最大冲击力减小值越大；对比出现最大冲击力的时间，发现不同坡角下有较大差异。

表4 挡板所受最大冲击力

坡角为45°和55°的滑道，0.25 m处挡板所受的最大冲击力与0.50 m处差异比较小，与0.75 m处差异比较大。颗粒运动到0.25 m和0.50 m处挡板，颗粒的动能比较大，滑道上的颗粒对前缘的颗粒有挤压作用，当颗粒运动到0.75 m处挡板时，斜坡上的颗粒完全从斜坡上下滑到水平滑道上，运动过程中与水平滑道之间存在摩擦，颗粒的动能被消耗。将0.75 m处挡板上的最大冲击力与0.25 m处对比可以看出，颗粒运动到0.75 m处时最大冲击力减小了约70%。在实际滑坡当中，一半滑程之内的建筑物受到的冲击破坏很大。进行工程防护时，滑坡一半滑程之内的建筑物应当以相同的防治等级进行防护。

分析表4中出现最大冲击力的时间可以发现，当坡角小于45°时，挡板所受最大冲击力的时间随挡距离增加出现波折，即0.50 m处挡板上出现最大冲击力的时间早于其他2个距离；当坡角大于等于45°时，挡板上受到最大冲击力的时间随着挡板距离的增加逐渐增大。

不同坡角时0.5 m处挡板所受最大冲击力见图3。可知，坡角为35°且0.50 m处挡板出现最大冲击力时，只有前缘部分颗粒下滑到堆积区滑道上;当坡角小于45°时，大部分颗粒在滑槽上;当坡角大于45°时，大部分颗粒运动到堆积区上。产生这一现象的原因在于：当坡角小于45°时，碎屑流颗粒受滑道摩擦力较大，到达坡脚处的动能较小，当颗粒运动到0.50 m处挡板时，前缘颗粒得到足够运动距离，保持恒定的量向前运动，接触到挡板时产生的冲击力最大，后续的颗粒受到前缘颗粒的反作用力和堆积区滑道的摩擦力，对挡板产生的冲击力较小。颗粒运动到0.25 m处挡板时，前缘的颗粒未得到足够的运动距离，只有部分小颗粒随着后缘的颗粒逐渐下滑堆积而产生最大冲击力；运动到0.75 m处挡板时由于与堆积区滑道的摩擦产生最大冲击力，滑道上颗粒基本全部下滑。当坡角大于等于45°时，碎屑流颗粒在加速区滑道上获得的动能较大，不同距离处挡板出现最大冲击力时，加速区上的颗粒基本全部下滑，而时间随着距离的增加而增加。挡板出现在不同距离处导致挡板前方碎屑流颗粒堆积的体积不同，最大冲击力出现的时间都是在颗粒堆积到加速区滑道上时。

图3 不同时刻0.5 m处挡板所受最大冲击力

2.2 挡板所受冲击力随时间的变化

不同坡角时不同距离挡板所受最大冲击力见图4。可知：挡板所受冲击力与时间的关系曲线可近似分为线性增大、持力阶段、线性减小3个阶段，曲线的3个阶段随坡角的增大逐渐明显。

图4 不同坡角时不同距离挡板所受最大冲击力

随着坡角的增大，冲击力增加得越快，达到冲击力峰值所用时间减小，坡角55°冲击力曲线线性增加阶段比较光滑，而坡角35°与45°冲击力曲线线性增加阶段比较曲折。产生这一现象的原因在于：坡角越大，碎屑流颗粒整体下滑到坡脚所获得的动能越大，颗粒碰撞到挡板后反弹回来，而前缘的颗粒较少，后缘的大量颗粒迅速向前运动，裹挟着前缘反弹颗粒继续向前运动，对碎屑流颗粒整体动能的影响较小，使得冲击力整体上维持在一个线性增加阶段，曲线比较光滑。

冲击力在持力阶段持续的时间随着挡板距离的增大而增加。通过回放碎屑流冲击挡板过程发现冲击力的持力阶段出现在碎屑流颗粒平铺在挡板前方之后，堆积厚度逐渐增加的过程中。碎屑流颗粒在加速区滑道上获得动能之后，运动到堆积区滑道上。对比3种距离挡板的持力阶段，挡板距离越大，碎屑流颗粒平铺在挡板前方的厚度越小，对加速区滑道上颗粒的影响越小，持力阶段的时间越长。

对比不同距离挡板所受冲击力时程曲线，0.50 m 处挡板所受冲击力在线性减小阶段减小的速度最快。与0.75,0.25 m处挡板对比，碎屑流颗粒在加速区滑道下滑之后，运动到0.50 m处挡板前方的动能较大，作用在挡板上的冲击力较大，后缘颗粒对前部颗粒的碰撞作用对冲击力的影响显著;当冲击力时程曲线越过持力阶段之后，后缘颗粒对前部颗粒的碰撞作用减小，加之颗粒整体动能的减小，致使线性减小阶段冲击力随时间减小最快。对于0.25 m处的挡板，碎屑流颗粒所获得的动能最大，冲击力随时间线性减小，颗粒整体动能的减小占主导作用，后缘颗粒的碰撞作用较小，冲击力随时间变化较慢；对于0.75 m处的挡板，由于碎屑流颗粒在堆积区滑道上动能的消耗，颗粒到达挡板前方时动能最小，对挡板的冲击力最小，挡板受力减小阶段曲线较缓。

3 结论

本文基于离散元模拟，研究影响滑坡冲击力的因素，得出以下结论：

1)相同坡角下，随着挡板的距离的增大，滑坡碎屑流颗粒对挡板的最大冲击力逐渐减小，与0.25 m处挡板所受最大冲击力相比，0.75 m处挡板最大冲击力减小了约70%；坡角越大，最大冲击力降幅越大；不同坡角下最大冲击力出现的时间有较大差异。

2)挡板所受冲击力与时间的关系曲线可近似分为线性增大、持力阶段、线性减小3个阶段，3个阶段随坡角的增大逐渐明显。

3)在冲击力的线性增大阶段，坡角越大，冲击力增加得越快；冲击力的持力阶段持续的时间随着挡板距离的增大而增加；在3种坡角下0.50 m处挡板所受冲击力在线性减小阶段减小的速度最快。