西南科技大学土建学院
摘要:本文运用离散元模拟方法，研究滑坡坡度和连续偏转角度对滑坡碎屑流运动规律的影响。结果表明：连续偏转角度越大，颗粒对模型转角处冲击力越小，冲击力峰值越早出现，冲击力时程曲线可近似分为：波动增加、峰值振荡、逐渐减小3个阶段；滑坡坡度越大，颗粒对模型转角处冲击力越大，冲击力峰值越早出现；颗粒速度时程曲线均呈“两段式”增长趋势，连续偏转角度对颗粒速度峰值出现时间几乎不影响，连续偏转角度越大，颗粒速度峰值越大，至峰值后速度减小得越快；滑坡坡度越大，颗粒速度峰值越大，且越早出现速度峰值，但至峰值后减小得越快。
【关键词】滑坡坡度；连续偏转角度；离散元模拟
滑坡碎屑流是高位滑坡的一种常见运动形式，具有高破碎度、高离散性和流动特性。大量的工程实践与地质灾害表明，滑坡碎屑流受到沟谷地形的影响，其运动路径发生变化，从而使得滑坡碎屑流最终所具有的规模、能量和致灾范围都难以估计，对山区的基础建设和居民安全造成无法预知的严重威胁。国内外学者针对偏转地形条件下滑坡碎屑流运动进行了相关研究。张睿骁[1]等通过三维离散元模拟软件，研究导引结构通过改变碎屑流的运动路径，可减缓其冲击效应，提高结构抗冲击能力；赵运会[2]等通过室内滑坡模型试验，研究了岩土体类型、偏转角和下垫面对高速远程滑坡运动特征的影响；杨海龙[3]等基于滑坡物理模型试验，研究了偏转角度对碎屑流运动堆积特征的影响，但是由于滑坡碎屑流往往存在“尺寸效应”，不能模拟实际滑坡碎屑流运动过程中展现出的明显液态化特征。胡晓波[4]等利用三维离散元素法，对四川都江堰三溪村高速远程滑坡进行模拟，研究滑坡体不同部位的块体失稳后，在沟道偏转地形主导下的滑坡碎屑流前缘的运动速度、各部位滑体的速度变化过程和堆积特征，并提出沟道偏转地形耗能模型分析了地形偏转造成的动能消耗。
分析已有研究，主要运用物理模型和统计学手段对沟道偏转地形条件下滑坡碎屑流运动机理的探究，但毕竟数量和规模有限，已有的研究还不能完全揭示偏转地形对滑坡碎屑流的运动机理，还需要进一步的研究。本文运用三维离散元软件进行数值模拟分析，研究滑坡坡度和连续偏转角度对滑坡碎屑流运动规律的影响。
1三维离散元模型
1.1模型建立
本模型由料箱、滑槽、底板组成，料箱尺寸：0.3m×0.3m×0.3m；滑槽是试验土体主要运动场所，呈“之”字形，分为三段，每段长1m，相邻两段之间夹角为θ，滑槽与地面坡角为α，滑槽两侧挡板采用有机玻璃，滑槽底部采用钢板；底板采用钢板，用于堆积颗粒，模型尺寸如图1。本文将3个球形颗粒粘结作为基础颗粒，尺寸如图2，模型中最小颗粒单元为刚性体，颗粒密度2100kg/m3，总质量10.5kg。
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图1滑槽模型示意图
1.2数值模型参数
离散元数值模拟中，材料的泊松比、剪切模量和密度等本征参数表示各种材料的自身属性，与外界条件无关。满足实验要求和计算效率，确定颗粒与几何体的材料属性如表1所示。碎屑流材料参数参考岩质碎屑流材料参数选取[5]。如表2所示。
表1材料本征参数模拟取值
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表2 材料接触参数
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1.3试验方案
本实验以滑坡碎屑流为对象，通过EDEM软件，模拟滑坡碎屑流在连续偏转地形条件下的运动过程，分析不同滑坡坡角和连续偏转角对滑坡碎屑流运动规律的影响，故设计试验工况如下表3所示。
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2模型转角处冲击力分析
2.1转角处最大冲击力分析
如表4所示，相同实验条件下，滑槽连续偏转角度一致时，滑坡坡角越大，转角处冲击力越大。滑槽坡度越大，颗粒具有更高的初始势能，颗粒随着滑槽向下滑动时，势能转化为动能过程中，颗粒具有更多的动能，以更大的速度冲击模型转角处挡板，挡板承受更大的冲击力。当滑槽坡角一致时，模型连续偏转角度增大时，转角处冲击力峰值减小。岩土体在滑槽运动过程中，连续偏转角度增大，说明岩土体与挡板碰撞角度减小，岩土体更加缓和的通过转角处挡板，挡板所受冲击力越小。对比各实验组出现最大冲击力时间，偏转角度一致时，坡度越大，最大冲击力越早出现；坡度一致时，偏转角度越大，最大冲击力越早出现。
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2.2冲击力时程曲线分析
不同坡脚时不同连续偏转角度的颗粒冲击力时程曲线如图3所示。以坡度50°为例，分析可知：挡板冲击力时程曲线近似分为：波动增加、峰值振荡、逐渐减小3个阶段。0.60s之前岩土体还未到达转角挡板处，冲击力为零，随着前缘颗粒接触挡板，开始产生冲击力，且随着颗粒不断下滑接触挡板，冲击力开始波动增加，当颗粒达到一定数目后，冲击力趋于稳定并在一定区域内振荡，当颗粒逐渐通过转角处时，冲击力逐渐减小至零。从冲击力时程曲线上大致得出，坡度一定时，偏转角度越大，冲击力峰值振荡区间越小，即冲击力峰值越小；偏转角度一定时，坡度越大时，冲击力峰值越大。
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图3 冲击力时程曲线
3速度时程分析
颗粒运动过程中速度时程曲线均呈现“两段式”增长趋势。0.00-0.20s时，颗粒速度从1m/s几乎直线式增长；0.20-0.60s时，颗粒速度增长速度减慢，曲线中呈“凹凸状”，此时颗粒到达第一块挡板，与挡板发生碰撞，损耗部分动能，颗粒速度增长缓慢；0.60-1.10s时，颗粒速度继续稳定增加，直至达到颗粒速度最大值；1.10-2.40s时，颗粒速度逐渐减小至颗粒停止运动。
滑槽坡度相同时，各组颗粒速度峰值同时出现，即偏转角度对颗粒速度峰值出现时间几乎不影响；但滑槽偏转角度越大，颗粒运动过程中速度峰值越大；随着偏转角度的增大，当颗粒速度达到最大值后，其速度减小的越快。因此，每一组速度-时间曲线均呈现速度减小段的“交错点”。偏转角度越大时，挡板对颗粒的阻挡作用越小，颗粒至速度峰值后，速度减小的越快。
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图4速度时程曲线
4结论
本文基于离散元模拟，分析滑坡碎屑流在不同坡度和连续偏转角度场地条件下对其运动规律的影响，得出以下结论：
（1）相同实验条件下，滑槽连续偏转角度一致时，滑坡坡度越大，转角处冲击力越大；当滑槽坡度一致时，模型连续偏转角度增大时，转角处冲击力峰值减小。其中，滑坡坡度对冲击力峰值影响较大。
（2）挡板冲击力时程曲线可近似分为：波动增加、峰值振荡、逐渐减小3个阶段。
（3）滑槽坡度相同时，偏转角度对颗粒速度峰值出现时间几乎不影响；但滑槽偏转角度越大，颗粒运动过程中速度峰值越大，至峰值后减小的也越快。
参考文献：
[1]张睿骁，樊晓一，姜元俊，杨海龙，等.滑坡一碎屑流冲击导引结构的离散元模拟［J］水文地质工程地质，2019,46(5):162-163
[2]赵运会，樊晓一，王海瓜，杨海龙.偏转型滑坡滑动与堆积影响因素研究. 人民长江,2017,48(37):49-50
[3]杨海龙，樊晓一，赵运会，王海瓜.偏转角度对滑坡－碎屑流运动影响的模型试验.山地学报,2017,35(3):316-322
[4]胡晓波，樊晓一，田述军. 沟道偏转地形对滑坡碎屑流运动的影响研究［J］.山地学报. 1008－2786－(2019)3－371－11.
[5]杨海龙．沟谷偏转型滑坡一碎屑流运动机理研究[D]．绵阳：西南科技大学，2019
基金项目：西南科技大学大学生创新基金项目精准资助（JZ20-032）
作者简介：陈勇（1999-），男，四川成都人，土木工程专业本科生