阿克陶縣泥石流運動過程離散元模擬研究

關志凱 馬彥兵 羅文功

摘要：為揭示泥石流運動過程規律，文章以新疆G314線公路工程阿克陶縣泥石流為研究對象，根據泥石流生成實際地形建立二維數值模型，采用離散元法對泥石流模型進行仿真模擬，并對比分析不同時步位移、矢量、監測點及測量圓的數據。結果表明：由于降雨等因素，堆積體下部顆粒強度降低，從而向下滑出，而上部顆粒由于失去下部顆粒支撐，進而繼續下行滑動，因此堆積體整體發生滑動，從而產生泥石流災害。基于上述分析，建議加強對泥石流生成區域監測，并采取有效的措施。

關鍵詞：泥石流;離散元;滑動過程

0 引言

泥石流是一種十分嚴重的地質災害，嚴重威脅當地的生態環境和人民的生命財產安全。泥石流通常是一種裹挾大量泥土、碎石的急性水流，其中的固態物質含量（如砂石、砂土）有時甚至超過水量。泥石流多發于地形陡峭的山區，是一種區別于滑坡的多介質混合流[1-2]。

由于泥石流這種特殊的運動形式，有限元對其模擬存在一定的局限性，而離散元具有大變形、大位移的優勢[3]，因此，國內外學者開展了大量研究[4]。何俊輝等[5]為發現節理裂隙巖層對隧道穩定性的影響，研究了隧道的破碎巖體，采用離散元法建立了6個不同破碎巖層位置數值模型，并對比分析不同節理裂隙巖層的隧道開挖后的矢量云圖;楊三強等[6]通過對某公路地區泥石流地質災害的現場調查，對泥石流的形成原因進行了大量分析，并對形成泥石流主要因素之一的臨界雨量的計算方法進行了介紹;唐明亮[7]以某公路隧道為研究對象，采用有限元法對隧道施工過程進行數值仿真，分析了施工階段圍巖的位移、應力的變化與和塑性區生成，以及錨桿加固對圍巖產生的內力。

綜上所述，國內外學者已經使用離散元法對泥石流災害進行了模擬研究，并取得了較好的結果。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過程，為泥石流治理工程提供參考。

1 工程地質概況

新疆G314線公路工程建設項目位于阿克陶縣境內，路線走向為自東向西。泥石流災害生成原因為：（1）新疆大部分地區出現高溫天氣， 并持續較長時間，甚至有部分地區?氣溫突破當地有記錄以來的最高氣溫;（2）工程區范圍內的上游地區來水量迅速增大，這是由于上游水庫水位達到最高水位，因此進行了開閘放水;（3）項目地區出現了一次范圍較大、持續時間較長的降雨過程，導致出現多次爆發泥石流。項目沿線右側上游分布有多個水電站隧道支洞施工區，隧道棄渣未進行合理規劃，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。泥石流災害導致正在建設的工程受到嚴重的損害。

由于河道狹窄，河底縱坡較大、洪水流量大、流速快導致擋墻基礎外側河道下切嚴重，將基礎淘空，使得擋墻失穩導致擋墻倒塌或者外傾，同時引起路基開裂、涵洞出口側沉降。根據現場調查，擋墻長度共計330 m，擋墻倒塌長度共計288 m。泥石流生成過程如圖1所示。

2 泥石流離散元模型建立

泥石流離散元模型根據實際地質模型建立，尺寸為：長2 500 m，高165 m。模型生成過程如下：先以“wall”命令生成滑動面地形，摩擦系數設置為0.2;考慮到計算效率及工程實際情況，采用“ball”命令在一定范圍內生成半徑為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。根據現場實際物理力學參數及參考文獻[8]中提供的參數，最終得到離散元模型的細觀參數如表1所示。

圖2中模型共有8 663個顆粒。建立了三個測量圓，分別位于堆積區的上中下部，用來監測孔隙率變化情況。并設置了3個顆粒作為監測點，用來監測顆粒X方向位移。

3 泥石流滑動過程分析

圖3為泥石流位移圖，在100 step時，堆積體前部顆粒出現少量滑動;當達到3×106 step時，顆粒出現大量滑動，并有部分顆粒已經滑動到溝底;在6×106 step時，顆粒大部分已經滑動到溝底，顆粒滑動趨于穩定，顆粒最大位移達到600 m左右。

泥石流速度位移圖如下頁圖3所示，在100 step時，大部分顆粒的矢量方向向下，說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，說明已經有部分顆粒開始滑動;在3×106 step時，大部分顆粒矢量指向溝底，并有少量顆粒到達溝底;當時步為6×106 step時，顆粒大部分矢量已經到達溝底，說明滑動已經趨于穩定。

圖4為1～3監測點顆粒的X方向位移變化過程圖，從中可以看出監測點1位于堆積體的下部，當開始滑動時，X方向的位移迅速增大，說明顆粒在開始時首先滑出堆積體，1.5×106時，速度放緩時到達溝底;監測點2位于堆積體中部，位移均勻增大，說明該部分顆粒在滑動過程中一直保持運動;監測點3位于堆積體上部，其位移距離明顯小于監測點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，不同位置的測量圓孔隙率先后到達1，說明測量圓中顆粒先后滑出測量圓，測量圓1位于堆積體下部，由于需要所有顆粒全部滑出后達到孔隙率為1，所以時步最長，測量圓3位于堆積體后部，顆粒全部滑出后孔隙率為1，而測量圓2位于兩者之間。

綜上所述，可以推斷出堆積體向下滑動的過程：由于降雨等因素，堆積體下部顆粒強度降低，從而向下滑出，而上部顆粒由于失去下部顆粒支撐，進而繼續下行滑動，因此堆積體整體發生滑動，從而產生泥石流災害。

4 結語

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

（2）在建立泥石流離散元模型的基礎上，通過對其滑動過程中的位移、矢量、監測點及測量圓的數據分析，得到泥石流的滑動過程是由于降雨等因素，堆積體下部顆粒強度降低，從而向下滑出，而上部顆粒由于失去下部顆粒支撐，進而繼續下行滑動，因此堆積體整體發生滑動，從而產生泥石流災害。

（3）基于上述分析，建議加強對泥石流生成區域監測，并采取有效的加固措施。

參考文獻：

[1]Lin D G，Hsu S Y，Chang K T. Numerical Simulations of Flow Motion and Deposition Characteristics of Granular Debris Flows[J]. Natural Hazards，2009，50（3）：623-650.

[2]Liu K F，Li H C，Hsu Y C. Debris Flow Hhazard Assessment with Numerical Simulation[J]. Natural Hazards，2009，49（1）：137-161.

[3]CUNDALL P A，STRACK O D L. A Discrete Numericalmodel for Granular Assemblies[J]. Geotechnique，1979，29（1）：47-65.

[4]王宏宇，李 博，李旭東. 淺談PFC軟件在巖土工程中的應用[J].西部交通科技，2015（7）：68-74，112.

[5]何俊輝，趙艷納. 破碎巖層位置對隧道穩定性的影響研究[J].西部交通科技，2013（5）：60-63，69.

[6]楊三強，黃 勇，劉 濤. 基于臨界雨量的天山公路泥石流成因分析[J].西部交通科技，2009（11）：46-50.

[7]唐明亮.公路隧道開挖與支護數值模擬分析[J]. 西部交通科技，2014（5）：65-68，72.

[8]林玫玲，簡文彬，胡海瑞，等. 基于離散元的礦渣泥石流運動過程研究[J]. 中國地質災害與防治學報，2017，28（2）：10-14，120.

收稿日期：2020-06-05