PFC2D 滑坡阻河機理及沖擊致災數值模擬研究

朱書濤，祝星星，楊春月，伏 航

（四川農業大學 水利水電學院，四川 雅安 625014）

引言

我國西部地區多為丘陵、山地。河流分布眾多，地形崎嶇，地勢陡峭。在人類活動范圍擴大、地震頻繁發生、降雨強度大等因素的影響下，容易在河流沿岸發生滑坡，滑坡自滑動區向下滑動，匯入河道中形成大小不一的堆積體，堆積體的存在將會嚴重影響河流的過流能力，或者束窄河道行洪斷面，造成堆積區域水位涌高，以致引發其他次生災害，如淹沒下游城鎮及農田。據統計：由滑坡引發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，金沙江上游發生白格滑坡，碎屑流完全堵斷河道形成堰塞壩[3]。滑坡受到河寬、坡高、方量等因素的影響，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明顯減弱河道的過流能力，束窄河道行洪斷面，使河道上游水位升高，同樣也會對下游地區造成一定的危害。

國內外對滑坡堵江的研究進展不同，研究程度不同，在滑坡堵江的形成機理方面雖有涉及，但較為缺乏深入的研究[4]。黃鴻強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，對滑坡堵江的影響因素進行了數值模擬[5]，但其并未考慮坡高及方量對滑坡堵江的影響，需要進一步完善；王洋海等利用DEM 軟件，在不同坡角及坡高條件下，對滑坡形成的堆積體形態和顆粒的粒徑分布進行了數值模擬[6]，然而并沒有涉及河寬及方量對堆積體形態造成的影響；李子隆等以黃石盤水庫黃角樹滑坡為研究對象，以PFC2D軟件，對滑坡失穩造成堵江的高度進行了預測[7]；陳祖煜等采用動力有限元分析技術，再現了肖家橋滑坡的失穩過程以及誘發堵江的四個階段[8]；吳建川等人利用PFC3D軟件，對唐古棟滑坡堰塞壩堆積過程及堆積形態進行了反演[9]。

本文以前人研究為基礎，采用PFC2D離散元軟件，對滑坡匯河阻河機理進行數值模擬。考慮了坡高、河寬、顆粒數量三個因素對滑坡堵江的影響，該研究可在理論上深化對滑坡堵江致災機理的認識，同時對實際災害防治也具有一定的指導意義。

1 PFC2D 數值模擬

為研究滑坡匯河阻河過程及其影響因素，采用二維離散元軟件PFC2D進行數值模擬。首先利用PFC2D生成一定數量的顆粒，使碎屑流滑入河道中得到一定形態的堆積體，其次進一步研究各影響因素對堆積形態演化過程的影響。在模擬過程中，忽略河道中的河水流量、流速等部分水動力條件，即認為河水水位很淺，對滑坡堆積體不產生作用。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模型，并通過ball-wall 的方法建立滑坡崩滑模型，以顆粒來組建滑體進而開展實驗。

2 數值模型及模擬方案

2.1 模型建立

柴賀軍等人在經過大量資料的收集整理后，認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。數值模型幾何尺寸如圖1 所示。模型主要由顆粒生成區、滑床、河道三部分組成。在河道與滑床銜接處通過-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 計算方案

為研究坡高、河寬及顆粒數量對滑坡堵河的影響，實驗方案如表1 所示。表中類別Ⅰ為研究坡高和河寬對堆積形態的影響，類別Ⅱ為研究在一定的坡高和河寬下方量對堆積形態的影響。

3 PFC2D 數值模擬計算結果

3.1 滑坡下滑及堆積過程

首先在PFC 中建立兩個墻面，在兩個墻面之間生成一定數量的顆粒，使顆粒在重力作用下，沉降到滑床表面并計算達到平衡。然后賦予顆粒合理的微觀參數，并將其中一側起攔擋作用的墻面刪除，對顆粒賦予重力后，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程如圖 2（a）、（b）、（c）所示。

3.2 河寬及坡高對堆積堵河的影響

表1 PFC2D 數值模擬實驗方案

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

由圖3 進行橫向對比可以發現，在顆粒數相同時，河寬增加，堆積體堵河由完全堵河發展為不完全堵河。河寬由4m 增大到12m 的過程中，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，同時隨著河寬的增加，堆積體后部向坡上爬升的現象將減弱。

圖1 數值模擬滑坡模型尺寸圖

圖2 數值模擬實驗過程圖

圖3 不同坡高和河寬下堆積體形態的變化規律

圖4 滑坡方量對堆積體堵江情況的影響

3.3 方量對堆積體堵河的影響

為研究滑坡方量對阻河的影響，PFC 數值模擬生成的顆粒數分為 300、400、500 三組，由圖 4（a）、（b）、（c）各組可以發現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，對河道的束窄程度也在提高。當生成的顆粒數增加到一定程度時，滑坡就會由不完全堵河發展成為完全堵河，進而形成具有潛在威脅的堰塞壩。

由圖3 對比圖4 可知，當河寬變寬以及生成的顆粒數增多時，河寬對堆積體厚度的影響明顯大于方量對堆積體厚度的影響，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，只有在河寬確定時方量才會產生明顯的影響。

由圖3（c）中第一個圖對比圖4（b）中最后一個圖可知，當河寬為12m 不變，坡高由6m 增加至12m，顆粒數量由400 個增長到500 個時，堆積體厚度整體增加，表明方量對堆積體阻河狀態存在顯著影響，方量的提高，將會明顯改變河道水流流速和行洪斷面，碎屑流數量的影響較坡高因素的影響強。

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

滑坡入河后不僅會對河堤造成沖擊，導致破壞，也會使得河堤周邊存在的不穩定巖土發生塌落，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。以實驗方案中類別Ⅰ的滑坡模型進行數值模擬，模擬過程中通過編寫的fish 函數，用PFC2D程序監測在不同河寬下，從不同坡高下滑的滑坡對河堤的沖擊力大小，監測到的滑坡沖擊荷載圖如圖5 所示。依次進行各組試驗，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origin 數據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，滑坡自由下滑的運動時間不同，坡高越高運動時間越長。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，滑坡對河堤的破壞程度加強，河堤應盡量加固以防止被破壞。

5 結束語

滑坡沖入河道后，形成的天然攔擋蓄水建筑物，往往會對下游人民群眾的生命財產安全產生巨大威脅，本文通過二維離散元軟件PFC2D，對構建的滑坡模型在不同坡高、河寬及方量條件進行數值模擬，得到最終堆積體堵河的不同形態，同時監測了不同河寬和坡高情況下的最大沖擊力。對各影響因素下堆積體形態及沖擊力圖進行分析，可得出如下結論：

（1）河寬較窄時，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，使得堆積體對水流的攔擋能力加強。坡高越高滑坡對河堤的沖擊荷載越大，對河堤造成的沖擊破壞也越強。

（2）河寬的加寬將有效減小堆積體阻河的程度，當考慮河道中的水動力條件時，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）滑坡方量對堆積體阻河程度的影響，較坡高影響強烈，隨著方量的增加，堆積體由部分堵河會發展成為完全堵河。