PFC2D 滑坡阻河機(jī)理及沖擊致災(zāi)數(shù)值模擬研究

朱書(shū)濤，祝星星，楊春月，伏 航

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 雅安 625014）

引言

我國(guó)西部地區(qū)多為丘陵、山地。河流分布眾多，地形崎嶇，地勢(shì)陡峭。在人類活動(dòng)范圍擴(kuò)大、地震頻繁發(fā)生、降雨強(qiáng)度大等因素的影響下，容易在河流沿岸發(fā)生滑坡，滑坡自滑動(dòng)區(qū)向下滑動(dòng)，匯入河道中形成大小不一的堆積體，堆積體的存在將會(huì)嚴(yán)重影響河流的過(guò)流能力，或者束窄河道行洪斷面，造成堆積區(qū)域水位涌高，以致引發(fā)其他次生災(zāi)害，如淹沒(méi)下游城鎮(zhèn)及農(nóng)田。據(jù)統(tǒng)計(jì)：由滑坡引發(fā)的堰塞壩占所有堰塞壩的 70%以上[1]，2018年 10月 17 日，西藏米林縣雅魯藏布江左岸，色東普溝發(fā)生大體積滑坡，沖入雅魯藏布江堵塞河道形成堰塞湖[2]，2018年，金沙江上游發(fā)生白格滑坡，碎屑流完全堵斷河道形成堰塞壩[3]?；率艿胶訉挕⑵赂摺⒎搅康纫蛩氐挠绊?，堆積體在河道中并不一定形成堰塞壩。但堆積體的存在將會(huì)明顯減弱河道的過(guò)流能力，束窄河道行洪斷面，使河道上游水位升高，同樣也會(huì)對(duì)下游地區(qū)造成一定的危害。

國(guó)內(nèi)外對(duì)滑坡堵江的研究進(jìn)展不同，研究程度不同，在滑坡堵江的形成機(jī)理方面雖有涉及，但較為缺乏深入的研究[4]。黃鴻強(qiáng)在考慮了河道寬度和地形坡度兩因素的情況下，使用PFC2D軟件，對(duì)滑坡堵江的影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬[5]，但其并未考慮坡高及方量對(duì)滑坡堵江的影響，需要進(jìn)一步完善；王洋海等利用DEM 軟件，在不同坡角及坡高條件下，對(duì)滑坡形成的堆積體形態(tài)和顆粒的粒徑分布進(jìn)行了數(shù)值模擬[6]，然而并沒(méi)有涉及河寬及方量對(duì)堆積體形態(tài)造成的影響；李子隆等以黃石盤水庫(kù)黃角樹(shù)滑坡為研究對(duì)象，以PFC2D軟件，對(duì)滑坡失穩(wěn)造成堵江的高度進(jìn)行了預(yù)測(cè)[7]；陳祖煜等采用動(dòng)力有限元分析技術(shù)，再現(xiàn)了肖家橋滑坡的失穩(wěn)過(guò)程以及誘發(fā)堵江的四個(gè)階段[8]；吳建川等人利用PFC3D軟件，對(duì)唐古棟滑坡堰塞壩堆積過(guò)程及堆積形態(tài)進(jìn)行了反演[9]。

本文以前人研究為基礎(chǔ)，采用PFC2D離散元軟件，對(duì)滑坡匯河阻河機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]了坡高、河寬、顆粒數(shù)量三個(gè)因素對(duì)滑坡堵江的影響，該研究可在理論上深化對(duì)滑坡堵江致災(zāi)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)實(shí)際災(zāi)害防治也具有一定的指導(dǎo)意義。

1 PFC2D 數(shù)值模擬

為研究滑坡匯河阻河過(guò)程及其影響因素，采用二維離散元軟件PFC2D進(jìn)行數(shù)值模擬。首先利用PFC2D生成一定數(shù)量的顆粒，使碎屑流滑入河道中得到一定形態(tài)的堆積體，其次進(jìn)一步研究各影響因素對(duì)堆積形態(tài)演化過(guò)程的影響。在模擬過(guò)程中，忽略河道中的河水流量、流速等部分水動(dòng)力條件，即認(rèn)為河水水位很淺，對(duì)滑坡堆積體不產(chǎn)生作用。顆粒流程序PFC 中顆粒間的接觸采用既可以傳遞力，又可以傳遞力矩的線性平行粘結(jié)模型，并通過(guò)ball-wall 的方法建立滑坡崩滑模型，以顆粒來(lái)組建滑體進(jìn)而開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

2 數(shù)值模型及模擬方案

2.1 模型建立

柴賀軍等人在經(jīng)過(guò)大量資料的收集整理后，認(rèn)為滑坡型堰塞壩容易在30°～45°的斜坡地帶形成[10]，因而選取35°角為坡角建立滑坡模型。數(shù)值模型幾何尺寸如圖1 所示。模型主要由顆粒生成區(qū)、滑床、河道三部分組成。在河道與滑床銜接處通過(guò)-53°的斜面連接而成，其中河道寬度為8m，河堤高度為2m，坡高為12m。

2.2 計(jì)算方案

為研究坡高、河寬及顆粒數(shù)量對(duì)滑坡堵河的影響，實(shí)驗(yàn)方案如表1 所示。表中類別Ⅰ為研究坡高和河寬對(duì)堆積形態(tài)的影響，類別Ⅱ?yàn)檠芯吭谝欢ǖ钠赂吆秃訉捪路搅繉?duì)堆積形態(tài)的影響。

3 PFC2D 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

3.1 滑坡下滑及堆積過(guò)程

首先在PFC 中建立兩個(gè)墻面，在兩個(gè)墻面之間生成一定數(shù)量的顆粒，使顆粒在重力作用下，沉降到滑床表面并計(jì)算達(dá)到平衡。然后賦予顆粒合理的微觀參數(shù)，并將其中一側(cè)起攔擋作用的墻面刪除，對(duì)顆粒賦予重力后，使得顆粒在重力作用下，沿著滑床下滑并最終堆積在河道中，顆粒生成及下滑堆積過(guò)程如圖 2（a）、（b）、（c）所示。

3.2 河寬及坡高對(duì)堆積堵河的影響

表1 PFC2D 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)中在同一河寬下分別考慮了6m、9m、12m 坡高對(duì)堆積體堵河的影響。從圖3 中可以看出，坡高較低時(shí)堆積體后部逐漸向坡上攀升，坡高增加時(shí)這種現(xiàn)象有所減弱，同時(shí)隨著坡高的增加，堆積體前緣厚度有增加趨勢(shì)。在滑坡方量相同時(shí)，河寬越小、坡高越高越容易發(fā)生滑坡完全堵河事件。

由圖3 進(jìn)行橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，在顆粒數(shù)相同時(shí)，河寬增加，堆積體堵河由完全堵河發(fā)展為不完全堵河。河寬由4m 增大到12m 的過(guò)程中，堆積體整體厚度不斷減小，意味著堆積體攔擋蓄水的能力明顯減低，同時(shí)隨著河寬的增加，堆積體后部向坡上爬升的現(xiàn)象將減弱。

圖1 數(shù)值模擬滑坡模型尺寸圖

圖2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖

圖3 不同坡高和河寬下堆積體形態(tài)的變化規(guī)律

圖4 滑坡方量對(duì)堆積體堵江情況的影響

3.3 方量對(duì)堆積體堵河的影響

為研究滑坡方量對(duì)阻河的影響，PFC 數(shù)值模擬生成的顆粒數(shù)分為 300、400、500 三組，由圖 4（a）、（b）、（c）各組可以發(fā)現(xiàn)隨著滑坡碎屑流方量的增多，堆積體堵河程度加劇，其前緣堆積厚度增加，對(duì)河道的束窄程度也在提高。當(dāng)生成的顆粒數(shù)增加到一定程度時(shí)，滑坡就會(huì)由不完全堵河發(fā)展成為完全堵河，進(jìn)而形成具有潛在威脅的堰塞壩。

由圖3 對(duì)比圖4 可知，當(dāng)河寬變寬以及生成的顆粒數(shù)增多時(shí)，河寬對(duì)堆積體厚度的影響明顯大于方量對(duì)堆積體厚度的影響，即堆積體是否完全造成阻河，主要取決于河道寬度，方量因素并非主要因素，只有在河寬確定時(shí)方量才會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

由圖3（c）中第一個(gè)圖對(duì)比圖4（b）中最后一個(gè)圖可知，當(dāng)河寬為12m 不變，坡高由6m 增加至12m，顆粒數(shù)量由400 個(gè)增長(zhǎng)到500 個(gè)時(shí)，堆積體厚度整體增加，表明方量對(duì)堆積體阻河狀態(tài)存在顯著影響，方量的提高，將會(huì)明顯改變河道水流流速和行洪斷面，碎屑流數(shù)量的影響較坡高因素的影響強(qiáng)。

圖5 滑坡沖擊力圖

圖6 不同河寬及坡高下最大沖擊力圖

4 滑坡沖擊力的影響

滑坡入河后不僅會(huì)對(duì)河堤造成沖擊，導(dǎo)致破壞，也會(huì)使得河堤周邊存在的不穩(wěn)定巖土發(fā)生塌落，從而增加堆積體前緣厚度，加大堆積體阻河的程度。為探究滑坡匯入河道后由于沖擊力造成的影響。以實(shí)驗(yàn)方案中類別Ⅰ的滑坡模型進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬過(guò)程中通過(guò)編寫(xiě)的fish 函數(shù)，用PFC2D程序監(jiān)測(cè)在不同河寬下，從不同坡高下滑的滑坡對(duì)河堤的沖擊力大小，監(jiān)測(cè)到的滑坡沖擊荷載圖如圖5 所示。依次進(jìn)行各組試驗(yàn)，最終得到河寬為4m、9m、12m 條件下各坡高的最大沖擊荷載，并通過(guò)origin 數(shù)據(jù)處理軟件得到不同河寬和坡高情況下的最大沖擊力圖，如圖6 所示。由圖5 可知，不同坡高下，滑坡自由下滑的運(yùn)動(dòng)時(shí)間不同，坡高越高運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)。從圖6 可知，坡高增加最大沖擊荷載也在增加，但受到河寬的影響，河寬增加最大沖擊力反而在減小。因此在河寬較窄、落差較大部位，滑坡對(duì)河堤的破壞程度加強(qiáng)，河堤應(yīng)盡量加固以防止被破壞。

5 結(jié)束語(yǔ)

滑坡沖入河道后，形成的天然攔擋蓄水建筑物，往往會(huì)對(duì)下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大威脅，本文通過(guò)二維離散元軟件PFC2D，對(duì)構(gòu)建的滑坡模型在不同坡高、河寬及方量條件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到最終堆積體堵河的不同形態(tài)，同時(shí)監(jiān)測(cè)了不同河寬和坡高情況下的最大沖擊力。對(duì)各影響因素下堆積體形態(tài)及沖擊力圖進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論：

（1）河寬較窄時(shí)，隨著坡高的增高，堆積體后部向滑床部位攀升的程度將減小，坡高越高堆積體前緣厚度將加大，使得堆積體對(duì)水流的攔擋能力加強(qiáng)。坡高越高滑坡對(duì)河堤的沖擊荷載越大，對(duì)河堤造成的沖擊破壞也越強(qiáng)。

（2）河寬的加寬將有效減小堆積體阻河的程度，當(dāng)考慮河道中的水動(dòng)力條件時(shí)，河道越寬堆積體厚度越小，形成堰塞壩越困難。河寬能夠影響滑坡的最大沖擊荷載，河寬越小沖擊力越大，反之則減小。

（3）滑坡方量對(duì)堆積體阻河程度的影響，較坡高影響強(qiáng)烈，隨著方量的增加，堆積體由部分堵河會(huì)發(fā)展成為完全堵河。