基于離散元的礦渣泥石流運(yùn)動(dòng)過程研究

林玫玲，簡(jiǎn)文彬,3，胡海瑞，黃俊寶(1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108；2.福州大學(xué)巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福建 福州 350108；3.福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；.福建省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，福建 福州 350002)

基于離散元的礦渣泥石流運(yùn)動(dòng)過程研究

林玫玲1,2，簡(jiǎn)文彬1,2,3，胡海瑞1,2，黃俊寶4
(1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108；2.福州大學(xué)巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福建 福州 350108；3.福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；4.福建省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，福建 福州 350002)

礦渣具有散粒體的基本特征，在降雨作用下可以啟動(dòng)形成泥石流。為了解礦渣堆積物質(zhì)啟動(dòng)形成泥石流的過程與降雨強(qiáng)度的關(guān)系，利用PFC2D顆粒流軟件對(duì)該礦渣泥石流進(jìn)行不同雨強(qiáng)工況下的數(shù)值仿真，探究礦渣堆積體演化為泥石流的形態(tài)變化，揭示礦渣堆積體作為泥石流物源在降雨作用下顆粒位移和速度的變化規(guī)律，總結(jié)該礦渣型泥石流啟動(dòng)到暴發(fā)過程中顆粒內(nèi)部力學(xué)特征。研究成果對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)礦渣泥石流的啟動(dòng)機(jī)制、運(yùn)移規(guī)律以及泥石流防治具有理論及實(shí)際意義。

礦渣型泥石流；顆粒流；啟動(dòng)；降雨強(qiáng)度；力學(xué)特征

0 引言

泥石流經(jīng)常造成災(zāi)難性的災(zāi)害，經(jīng)常給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人們生活生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響[1-2]。自然泥石流是一種攜帶有大量泥砂、石塊的短暫性急水流，夾帶的固體物質(zhì)含量有時(shí)超過水量，多發(fā)于山區(qū)，是介于挾砂水流和滑坡之間的土石、水、氣混合流或顆粒剪切流。而礦渣泥石流指的是構(gòu)成泥石流的松散固體物90%以上來源于采礦過程中排放的廢石渣[3]，又被稱為人為泥石流。

礦渣泥石流早在20世紀(jì)70年代就有發(fā)生。其中以1970年四川鹽井溝鐵礦泥石流、1994年陜西潼關(guān)金礦區(qū)泥石流帶來的慘痛代價(jià)令人倍感礦渣型泥石流的威脅巨大[4-6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥石流的研究已經(jīng)不在少數(shù)[7-11]，但針對(duì)礦渣型泥石流，特別是礦渣型泥石流的啟動(dòng)機(jī)制、力學(xué)特性等方面研究還較少。因此對(duì)這種有別于自然泥石流，在礦區(qū)形成的特殊泥石流問題進(jìn)行研究有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)礦渣型泥石流的啟動(dòng)機(jī)制。本文以福建地區(qū)某礦渣型泥石流為工程背景，開展礦渣型泥石流的啟動(dòng)機(jī)制、運(yùn)移規(guī)律研究，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)礦渣泥石流地質(zhì)模型

以福建地區(qū)某礦渣泥石流溝為工程地質(zhì)原型，研究區(qū)屬于多山丘陵地貌。流域發(fā)育一條主溝和多條小支溝，主溝長(zhǎng)約2.1 km，匯水面積2.9 km2，流域形態(tài)近似樹枝狀，西低東高，流域內(nèi)最高海拔約663 m，最低海拔約518 m，相對(duì)高差約145 m，其遙感全貌圖見圖1。

圖1 礦渣型泥石流全貌圖(來源于網(wǎng)絡(luò))Fig.1 General view of the slag debris flow(Comes from the Internet)

研究區(qū)的水系呈樹枝狀分布，最后匯集到該泥石流溝，且該地雨季較長(zhǎng)，年降水量在1 491～1 809 mm之間，具備引發(fā)泥石流災(zāi)害的降雨條件。雨季24 h降雨量可達(dá)130 mm，屬于“大暴雨”，這將是泥石流形成的主要引發(fā)因素，集中的降水產(chǎn)生洪水強(qiáng)烈沖蝕礦渣堆積物及侵蝕溝槽，增加溝內(nèi)的松散堆積物。泥石流研究區(qū)在空間上分為物源區(qū)，流通區(qū)和堆積區(qū)(圖2)。

圖2 礦渣型泥石流空間分區(qū)示意圖Fig.2 Partition map of the slag debris flow

其中物源區(qū)分布有多個(gè)礦點(diǎn)，礦山開挖留下的礦渣直接原地堆積或者往溝谷里堆填。礦渣以鐵礦為主，物質(zhì)松散，空隙大，這為泥石流的形成提供了充足的物源，其礦渣堆積體見圖3，這些堆積層在暴雨形成的地表徑流沖刷下將隨洪流一起被帶走而成為泥石流物質(zhì)來源。

圖3 礦渣堆積體Fig.3 The accumulation of slag

2 礦渣泥石流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)地質(zhì)模型所建立的大合泥石流溝數(shù)學(xué)模型的尺寸為：長(zhǎng)2 100 m、高145 m。按照相似原理和量綱分析原理，對(duì)地質(zhì)原型進(jìn)行適當(dāng)比例放縮，先以“墻”命令生成礦渣堆積體表面，綜合考慮計(jì)算效率、物理模型的顆粒級(jí)配和相似程度以及粒徑分布[12]，將最小粒徑放大1.5倍以減少顆粒和計(jì)算工作量，提高計(jì)算效率，最終隨機(jī)生成4 179個(gè)粒徑范圍0.05～0.50 m且沒有重疊的不規(guī)則排列顆粒組，用以模擬礦渣堆積體內(nèi)部無序的顆粒結(jié)構(gòu)。溝底以墻單元表示，并通過設(shè)定顆粒間摩擦系數(shù)以及與墻體的摩擦系數(shù)變化范圍為0.1～0.5，以此模擬顆粒間以及與墻體之間的結(jié)合強(qiáng)弱程度，具體數(shù)學(xué)模型見圖4。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)含水率試驗(yàn)儀測(cè)試結(jié)果以及室內(nèi)測(cè)試，得到3組計(jì)算參數(shù)(表1)，用以模擬礦渣在三種降雨強(qiáng)度作用下的形態(tài)變化并以此為依據(jù)分析泥石流的啟動(dòng)過程和機(jī)制。

圖4 數(shù)學(xué)模型Fig.4 The mathematical model

表1 礦渣基本力學(xué)參數(shù)Table 1 The basic mechanical parameters of slag

3 運(yùn)動(dòng)過程模擬及其啟動(dòng)機(jī)理分析

3.1 計(jì)算方案

首先設(shè)置堆積體的孔隙率及顆粒半徑的大小范圍來生成顆粒，主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所得的實(shí)際顆粒大小范圍來定義主要顆粒的粒徑范圍。由于模型形狀不規(guī)則，故采用膨脹法生成顆粒，顆粒在重力加速度作用下在墻上完成初步堆積過程，再經(jīng)一定時(shí)步循環(huán)后完成松散堆積體的整個(gè)堆積過程，堆積完成的坡面形態(tài)見圖3。計(jì)算顆粒在自重作用下達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，松散堆積體的初始應(yīng)力場(chǎng)見圖5～圖7。黑色線代表顆粒間的壓應(yīng)力，線越粗，代表壓應(yīng)力越大，最大應(yīng)力集中于堆積體底部，雨強(qiáng)越大，顆粒間含水量越大，應(yīng)力越小，這些都與實(shí)際相況基本一致。

圖6 大雨工況初始應(yīng)力圖Fig.6 Initial stress diagram under heavy rain

圖7 暴雨工況初始應(yīng)力圖Fig.7 Initial stress diagram under rainstorm

在力和力矩平衡作用下，礦渣堆積體坡體形態(tài)隨雨強(qiáng)的變化發(fā)生不同程度的變化，在坡面不同位置設(shè)置速度和位移監(jiān)測(cè)球(圖8)。分析各工況下的坡面形態(tài)和顆粒運(yùn)動(dòng)速度隨雨強(qiáng)的變化，揭示降雨作用下礦渣堆積體啟動(dòng)形成泥石流的過程和機(jī)制。

圖8 監(jiān)測(cè)球位置分布圖Fig.8 Map of the monitored ball location

編號(hào)1～3三個(gè)小球進(jìn)行計(jì)算模型中球的垂向速度大小(圖9)，平均不平衡力和平均接觸力(圖10)，為避免贅述，只展示大雨工況下的監(jiān)測(cè)圖?？梢娊?jīng)過迭代運(yùn)算后，平均不平衡力與接觸應(yīng)力的比值隨著迭代計(jì)算的運(yùn)行逐漸趨于0，運(yùn)動(dòng)速度也逐漸趨于0，表明該體系最終達(dá)到了力平衡狀態(tài)，泥石流堆積體的初始應(yīng)力場(chǎng)已形成，堆積體逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，泥石流溝谷具有了穩(wěn)定的坡面形態(tài)。

圖9 2號(hào)球垂向速度監(jiān)測(cè)圖Fig.9 Y-velocity history of ball 2

圖10 平均不平衡力和平均接觸力監(jiān)測(cè)圖Fig.10 Mean unbalanced force and contact force at equilibrium

3.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過數(shù)值模擬，不同降雨強(qiáng)度下的堆積體形態(tài)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的變化見圖11～圖12，圖中所示1號(hào)點(diǎn)球號(hào)為433，2號(hào)點(diǎn)球號(hào)835，3號(hào)點(diǎn)球號(hào)1 437。并將6 000時(shí)步和12 000時(shí)步下的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度變化值列表見表2。從圖11和圖12可以看出，堆積體在中小雨工況下運(yùn)行6 000時(shí)步以及12 000時(shí)步并無明顯變化；在大雨工況下堆積體產(chǎn)生下滑，堆積體變?。辉诒┯旯r下，堆積體變薄更加明顯，當(dāng)運(yùn)行12 000時(shí)步時(shí)，堆積體形態(tài)變形迅速發(fā)展，已有部分顆粒距離溝口很近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)移距離也相對(duì)大雨工況下要來的遠(yuǎn)，說明顆粒運(yùn)移速度有了較大程度的提高，與監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度監(jiān)測(cè)值變化較為相符。本程序設(shè)置每時(shí)步間隔5 s，因此當(dāng)6 000時(shí)步和12 000時(shí)步對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理時(shí)間分別是8.3 h和16.7 h，表示當(dāng)暴雨降雨時(shí)間持續(xù)8.3 h泥石流將啟動(dòng)，當(dāng)降雨時(shí)間持續(xù)達(dá)到16.7 h以上，泥石流將全面暴發(fā)。

圖11 不同雨強(qiáng)下的堆積體形態(tài)及其監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置(6000時(shí)步)Fig.11 Morphologic change of the slag accumulation and position changes of the monitored balls under different rainfall intensity(6000 steps)

圖12 不同雨強(qiáng)下的堆積體形態(tài)及其監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置(12000時(shí)步)Fig.12 Morphologic change of the slag accumulation and position changes of the monitored balls under different rainfall intensity(12000 steps)

堆積體監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度監(jiān)測(cè)結(jié)果說明，泥石流物源區(qū)堆積體在中小雨之前，不同部位、不同高度的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度極小，堆積形態(tài)變化很小，可見小雨工況下基本不會(huì)啟動(dòng)泥石流；而在降雨強(qiáng)度達(dá)到大雨級(jí)別之后，各質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度有一定幅度提升，堆積形態(tài)有可視程度的變化；當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到暴雨級(jí)別時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度迅速增加，堆積形態(tài)有十分明顯的變化，幾乎程流動(dòng)狀態(tài)。雖然在運(yùn)移至坡度較緩的溝段速度有所回落，但隨著降雨強(qiáng)度的提升越來越難回落到0。

表2 不同雨強(qiáng)下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度值Table 2 Monitoring value of the velocity under different rainfall intensity

3.3 結(jié)果分析

從平均接觸力監(jiān)測(cè)曲線圖(圖13)來看，大雨工況下接觸力先是緩慢增長(zhǎng)，在8 000時(shí)步之后迅速增長(zhǎng)而后漸小，截至該處是礦渣松散堆積體吸水的過程，礦渣逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，在達(dá)到飽和之前接觸力不斷增大，飽和階段接觸力稍有下降，因?yàn)榈V渣顆粒之間的孔隙被水充斥，顆粒與顆粒之間通過空隙水進(jìn)行接觸，因此接觸力稍有下降。而在12 000時(shí)步之后接觸力急劇下降，而且所用時(shí)步極短，這是因?yàn)槟嗍饕呀?jīng)啟動(dòng)，礦渣堆積體崩解離體，顆粒與顆粒之間接觸甚少，因此平均接觸力急劇下降。在這之后，堆積體在運(yùn)移過程中又再次相遇，再次產(chǎn)生接觸，由于該泥石流為粘性泥石流，因此在暴發(fā)之后顆粒運(yùn)移還是呈整體流動(dòng)為主，平均接觸力漸趨穩(wěn)定，大雨工況下穩(wěn)定在500 kN。

圖13 兩種工況平均接觸力監(jiān)測(cè)曲線圖Fig.13 Mean contact force history under two working condition

暴雨工況下平均接觸力走勢(shì)與大于工況基本一致，但是數(shù)值大小有所區(qū)別?？梢砸姷帽┯旯r下礦渣堆積體吸水的過程更短，平均接觸力峰值更小，這是因?yàn)楸┯觌m然有著和大雨工況類似的過程，但是暴雨降雨量更大，雨水瞬間充斥礦渣空隙，甚至擴(kuò)大空隙，使顆粒與顆粒之間接觸不及大雨工況緊密，因此平均接觸力峰值反而小于大雨工況。除此之外，該工況下礦渣吸水過程更短，礦渣運(yùn)移的時(shí)間更長(zhǎng)，平均接觸力最終穩(wěn)定值也更小，穩(wěn)定在300 kN。這是因?yàn)楸┯旯r下降雨自帶的動(dòng)能更大，下落之后轉(zhuǎn)移至礦渣堆積體顆粒，使其運(yùn)移得更久遠(yuǎn)，因此最終停留堆積時(shí)顆粒所占據(jù)的空間也更大，平均接觸力也就更小。

從同一工況的曲線圖來說，兩種工況下皆出現(xiàn)了平均接觸力的增大，說明降雨打破了堆積體的初始平衡狀態(tài)，每個(gè)顆粒的應(yīng)力沒有達(dá)到不平衡但都有向平衡發(fā)展的趨勢(shì)，因此顆粒之間產(chǎn)生擠壓，出現(xiàn)平均接觸力不為0。在擠壓過程中，隨著雨強(qiáng)的增加，顆粒在水流的潤(rùn)滑作用下產(chǎn)生運(yùn)移，雨強(qiáng)越大，運(yùn)移位移越大，顆粒散布空間也隨之增大，因此暴雨工況的平均接觸力的最終穩(wěn)定值示較小。

以上說明當(dāng)顆粒運(yùn)移位移的增大速度較快，且平均接觸力突破0往上激增并穩(wěn)定于較小值時(shí)，此時(shí)質(zhì)點(diǎn)已經(jīng)啟動(dòng)，難以在力和力矩作用下坡面再造而停止。

4 結(jié)論

(1)由于礦渣泥石流的物質(zhì)來源主要是采礦、礦山建設(shè)的棄土、石、渣，介質(zhì)具有松散、抗沖能力差、遇水易啟動(dòng)等特點(diǎn)，因此采用顆粒流研究可以獲得其啟動(dòng)及力學(xué)機(jī)制。

(2)通過顆粒流數(shù)值模擬研究得出：中小雨工況下降雨通過礦渣堆積體發(fā)生滲流，堆積體基本不會(huì)達(dá)到飽和條件，礦渣型泥石流基本不啟動(dòng)不暴發(fā)；大雨工況下，在短持時(shí)降雨作用下礦渣泥石流啟動(dòng)難度較大，而在降雨持時(shí)較長(zhǎng)時(shí)，泥石流可能啟動(dòng)，啟動(dòng)瞬間礦渣堆積體崩散分離，之后迅速重聚難以大規(guī)模暴發(fā)；暴雨工況下，礦渣泥石流在強(qiáng)降雨作用下容易達(dá)到飽和而呈流動(dòng)狀態(tài)，堆積體內(nèi)排水量不及降水量，易大規(guī)模暴發(fā)泥石流。

(3)通過三種工況模擬結(jié)果對(duì)比分析可得礦渣泥石流啟動(dòng)受強(qiáng)降雨強(qiáng)度影響大：強(qiáng)降雨作用下易啟動(dòng)，過程短而促；而中強(qiáng)度降雨工況下雨水以入滲和滲流為主，啟動(dòng)過程長(zhǎng)且艱；小強(qiáng)度降雨則基本不能啟動(dòng)泥石流。

(4)對(duì)礦渣泥石流的顆粒流研究，有利于進(jìn)一步揭示礦渣型泥石流的啟動(dòng)機(jī)理，為類似的工程實(shí)踐提供防災(zāi)減災(zāi)依據(jù)。

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The movement process of slag debris flow based on the discrete element method

LIN Meiling1,2，JIAN Wenbin1,2,3，HU Hairui1,2，HUANG Junbao4
(1.CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China; 2.InstituteofGeotechnicalandGeologicalEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China; 3.FujianProvincialKeyLaboratoryofGeologicalHazards,Fuzhou,Fujian350002,China; 4.GeologicalEnvironmentMonitoringCenterofFujianProvincial,Fuzhou,Fujian350002,China)

Slag shows certain characteristics of granular mixtures, and it turn into debris flow under the effect of rainfall.In order to explore the relationship between the process of slag accumulation body forming into the slag debris flow and the rainfall intensity,simulate the process under various working condition by using the two-dimensional particle flow code sofiware-PFC2D.Through the investigation, it comes to the rule of the slag accumulation in morphologic and the change in position as well as the velocity of the slag particle, and the conclusion about internal mechanical characteristics change between the process of slag debris flow outbreak is also proposed. The research results would make sense to the further understanding of the initiation mechanism in slag debris flow.

slag debris flow；grain flows code；initiation；rainfall intensity；mechanical characteristics

2016-07-13;

2016-09-21

林玫玲(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)檫吰鹿こ?、地?zāi)防災(zāi)減災(zāi)等。E-mail:1024479207@qq.com

簡(jiǎn)文彬(1963-)，男，教授，博士，主要從事巖土工程與工程地質(zhì)教學(xué)與科研。E-mail:jwb@fzu.edu.cn

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.02.02

P642.23

A

1003-8035(2017)02-0010-05