基于DEM-FEM耦合方法的碎屑流对桥墩最大冲击力的影响因素研究

碎屑流是我国山区最危险的地质灾害之一,山区桥墩常受到碎屑流冲击而开裂、倾斜甚至倒塌,给山区桥梁建设、运营带来严重的安全隐患。采用离散元方法(discrete element method,DEM)和有限元方法(finite element method,FEM)耦合的三维数值模拟方法模拟了碎屑流对双柱式桥墩的冲击效应,并结合斜槽试验,验证了耦合方法的准确性,进一步分析了碎屑流冲击坡度、距离和体积密度对桥墩冲击力的影响规律。结果表明,最大冲击力与碎屑流冲击坡度、距离和体积密度分别呈幂函数(指数大于1)、幂函数(指数小于1)和线性正相关。冲击坡度、距离和体积密度对最大冲击力的敏感度值分别为3.012、0.202、0.804,在桥梁碎屑流灾害防治时需重视冲击坡度和体积密度的影响。将冲击力的数值模拟值与流体动力学模型预测值对比分析表明,流体动力学模型理论公式能较好地预测桥墩所受的最大冲击力,最大预测误差低于23.6%。相关研究结果可为山区桥梁碎屑流灾害防治与设计提供一定的参考依据。

级配与拦挡位置对滑坡碎屑流运动影响研究

为了研究不同级配的高位滑坡碎屑流经多级偏转后冲击不同拦挡结构的运动特性以及致灾效应,结合自然地形构建固定坡度和偏转角度均为45°的离散元模型,并利用DEM软件进行数值模拟分析不同拦挡工况和不同级配对碎屑流颗粒运动过程中能量耗散、最终堆积形态,以及碎屑流冲击挡板的作用高度的影响,进而建立相关冲击力学模型。研究结果显示:(1)上下均设置挡板的工况能有效减缓碎屑流颗粒的平均动能和势能,且能有效降低颗粒流翻越挡板的数量,并降低颗粒流的最大运动距离从而减小致灾范围;随着颗粒组级配的增大,势能时程曲线分散点出现的时间越晚,颗粒流最终堆积面积中细颗粒组最大,粗颗粒组最小。(2)当滑槽底部反作用力位置取2/3静止堆积体长度时,计算所得碎屑流最大冲击作用高度与模拟试验结果相接近,力学模型计算的冲击作用高度在0.017~0.138 m。在实际工程中,可按研究相似比对此范围进行加强抗冲击防护。(3)由于侧板的切向力和“颗粒分选效应”,大颗粒会主要冲击挡板的中上部,小颗粒主要冲击挡板的下部,并受偏转角影响集中在一侧,因此工程设计可根据实际情况避免在沟道偏转方向的反向建设工程。研究结果可为高位滑坡碎屑流灾害的治理防护提供参考。

颗粒分选对碎屑流流动性的影响研究

崩塌碎屑流是山区铁路公路常见的地质灾害之一,且具有运动速度快、规模大、冲击距离远的特征。为了探究碎屑流流动特征,本文在碎屑流物理模型试验的基础上,基于离散元数值仿真模拟实验,建立碎屑流颗粒的数值模型。研究碎屑流运动过程中在不同颗粒粒径,滑坡坡角等因素对碎屑流运动特征及堆积特征的影响。运用离散元数值模拟试验,通过设置大、中和小三种颗粒粒径和不同堆积方式对碎屑流运动过程中的颗粒分选现象及其对碎屑流流动性特征的影响进行研究,得到了不同的颗粒级配下碎屑流模型的运动状态和堆积特征。根据不同颗粒级配下碎屑流模型的运动状态和堆积特征,揭示不同坡度条件下碎屑流颗粒级配对碎屑流流动性的影响。此次研究成果加深了对碎屑流流动性特征的认识,也为日后开展碎屑研究工作和防治滑坡碎屑流的发生起到一定指导意义。

基于离心试验与离散元模拟的滑坡碎屑流冲击效应研究

滑坡碎屑流物质组成的复杂性造成其对工程结构的冲击效应尚未被完全理解,特别是粒径大小与级配特征如何影响冲击力及其组成,以及拦挡结构设计中如何考虑粒径特征的影响,当前仍缺乏深入的研究。针对这些问题,开展了一系列离心试验与离散元模拟分析,研究结果表明滑坡碎屑流的颗粒粒径控制着冲击力的波动行为,即随着粒径的增大,总冲击力的峰值越来越明显,且伴随着显著的离散冲击力值。小粒径颗粒对大粒径颗粒存在明显缓冲效应,且小颗粒在冲击过程中更容易进入大颗粒的孔隙,进而贡献作用力,因此粒径和级配特征同时控制着冲击力的绝对值。不同粒径特征控制着颗粒尺度上动量传递机制,进而改变了滑坡碎屑流的冲击效应,由此造成冲击动压力系数α随着Savage数的增大基本上呈现出递增的关系,因此建议采用Froude数与Savage数作为双控指标,辅助确定冲击动压力系数α。此外,通过分析冲击力合力作用位置,发现工程设计中可按总冲击力峰值及矩形分布荷载进行考虑。

离心-科氏复合条件下体积对滑坡碎屑流流动性的影响研究

科氏效应已逐渐成为限制土工离心机处理高速滑坡碎屑流灾害的关键难题之一,特别是在基于离心试验研究体积如何影响滑坡碎屑流流动性方面所涉及的科氏效应问题上,当前仍缺乏深入研究。围绕这一问题,基于土工离心试验与离散元模拟试验展开研究,分析了不同科氏条件下不同初始体积对滑坡碎屑流运动过程与堆积范围的影响。结果表明,科氏力改变了滑坡碎屑流势能向动能的转化效率以及最终搬运距离随体积增大而被强化的幅度,惯性流运动机制与粒子脉动抑制机制及其转变是控制离心-科氏复合条件下不同体积滑坡碎屑流流动性的关键原因。考虑到实操性,物理离心试验中建议尽量保证流向与离心机旋转方向相同的配置,同时可用线性模型对模拟结果进行校准。

滑坡碎屑流消能桩结构动力计算与设计方法

滑坡碎屑流由于体积大、速度快和运动距离远的特性,常常在下游造成较大破坏形成严重的自然灾害。基于消能桩与滑坡碎屑流结构的动力相互作用过程,采用功能原理和结构力学方法,推导了消能桩对滑坡碎屑流能量耗散的理论计算模型。首先,通过冲击力计算模型获得滑坡碎屑流冲击力的垂向分布;其次,由悬臂梁挠曲变形的关系确定其抗弯反力;然后,根据滑坡碎屑流在坡面上流动的面积、厚度估算消能桩的反力,以及在反力方向上碎屑流通过的距离;最后,计算单根桩的动能耗散量。采用推导的公式进行消能桩的优化设计:综合考虑下游防护对象的位置和滑坡体的堆积位置,计算消能桩的“消能效益”,确定消能桩的数量;根据最大块石的冲击力作用,计算需要消能桩的排数,从而确定消能桩的排布设计。选取一个滑坡碎屑流实例,采用上述理论计算模型设计消能桩,计算出消能桩的数量和排数,并根据计算结果进行优化布设。结果表明,该模型适用于消能桩的优化设计与应用。

滑坡-碎屑流运动堆积特征与能量耗散规律

为深入探究滑坡-碎屑流运动堆积特征与能量耗散规律,通过简化地形特征,考虑体积效应和启滑高度关键因素,建立室内滑坡碎屑流试验模型,监控并获取模型运动与堆积过程特征参数,揭示滑坡碎屑流运动学特征。此外,应用TS方法模拟滑坡碎屑流缩尺模型的运动全过程,反演获得碎屑流模型关键动力学参数,结合试验和数值方法定量研究碎屑流的运动过程(距离、厚度、速度等)、堆积特征以及能量转化规律。结果表明:滑坡体积与启滑高度对碎屑流最大运动距离的影响程度较为相近,启滑高度对堆积体宽度几乎没有影响;碎屑流平均速度先增大至峰值后逐渐减小,速度峰值受到启滑高度影响明显,碎屑流前缘速度显著大于中部及后缘速度;碎屑流重力势能转化为动能的效率在10%~25%,且转化效率随着启滑高度的增加而增大,而体积对转化效率影响较小。综合研究了滑坡碎屑流运动堆积特征和能量耗散规律,成果对滑坡碎屑流动力学机制研究提供支撑,对防灾减灾具有一定的价值。

偏转地形约束条件下滑坡-碎屑流运动速度与颗粒分布的试验研究

滑坡-碎屑流在行进中受到侧向地形约束与挤压,运动方向发生偏转,侧蚀、侧向冲击或掩埋原低风险分区内的建筑结构。偏转地形约束条件下滑坡-碎屑流致灾参数分布演化特征及过程,包括运动速度、堆积分布、颗粒分选等的分析与反演是有效防控此类地质灾害的前提与基础。前期滑坡-碎屑流模型试验较少考虑其在受地形偏转作用影响下的运动特征,结果与实际观测不符。本文以典型滑坡碎屑流为原型,改进模型试验装置,采用物理模型试验,探究偏转点前后碎屑流运动速度和颗粒分布变化。研究结果表明:(1)碎屑流的运动速度在偏转点显著下降,并在偏转点后急剧增加并达到峰值,呈现出急加速、波动加速、地形偏转作用导致的速度剧烈下降、运动堆积区的逐渐下降、堆积停滞区的快速下降五个变化阶段。(2)滑坡碎屑流最大堆积厚度位于偏转点之后。(3)碎屑流大、小颗粒在堆积体表层、下层的质量占比分别为50.7%、65.1%,呈现明显的颗粒分选特征。在沿碎屑流运动的纵向和横向方向上,不同粒径的质量占比在偏转点附近与初始状态一致。沿纵向方向上,大颗粒质量占比呈现短距离减小分布,而后随运动距离的增加,质量占比增大,由初始状态的28.3%增大到49.6%;而小颗粒的质量占比则呈现先增加后减小的分布特征,由初始状态的44.0%减小到23.5%;在横向方向上,两侧大颗粒的质量占比大于中部,而小颗粒则相反。研究结果可以为受偏转地形作用的滑坡-碎屑流致灾参数演化和灾害防御提供参考。

滑坡碎屑流冲击刚性挡墙动力响应的数值模拟分析

【目的】刚性拦挡结构是一种被用于减弱滑坡碎屑流致灾强度的工程措施。为研究碎屑流运动路径的坡度与碎屑流体积对于碎屑流冲击刚性拦挡结构的动响应的影响,【方法】利用Fish语言开发不同形状的块体簇颗粒,并基于室内滑槽试验结果,开展三维离散元数值模拟研究(PFC^(3D)),探究滑坡冲击动力特性、冲击力、堆积形态与能量演变过程。【结果】能量演化过程和冲击力时程曲线结果显示:在整个滑坡过程中,摩擦耗能占总能量消耗的约80%;对于坡度为35°、40°、45°(H=15 cm)的碎屑流,峰值冲击力与残余堆积力的比值随着坡度的增大而不断增大(1.064,1.380,1.538)。【结论】模拟结果表明:块体(clump)簇颗粒能够较好地被用于模拟颗粒的形状作用,为碎屑流冲击动力学的离散元模拟提供一定的参考;摩擦耗能是碎屑流发生时主要的能量耗散形式;坡度的增大会加快滑坡滑动进程,增大峰值动能,形成更大的峰值冲击力与残余堆积力;碎屑流体积的增大会增加坡度对于碎屑流运动能力的影响,使得堆积体在坡体与拦挡结构上的长度显著增加。

基于物质点法的远程滑坡碎屑流运动过程模拟及特征分析

目的 研究远程滑坡碎屑流运动过程以及运动过程中速度、滑动距离、动能变化,为滑坡碎屑流灾害的预防和治理提供参考。方法 基于物质点法,以塔合曼和乱石包两个远程滑坡碎屑流工程实例为背景,对两个滑坡碎屑流的运动过程进行数值模拟;并对塔合曼滑坡碎屑流运动过程中水平、垂直方向运动速度分布,内摩擦角对运动过程的影响,以及乱石包滑坡碎屑流铲刮效应对堆积形态、动能变化的影响进行分析。结果 两个滑坡碎屑流最终堆积形态模拟结果与实测结果吻合良好,验证了数值模拟结果的有效性;塔合曼滑坡碎屑流随着内摩擦角从18°增加到33°,动能峰值降低71.4%,最终势能增加54.4%,滑坡碎屑流的能量耗散减小47.8%;在乱石包滑坡碎屑流实例的模拟中,速度云图呈现了滑体速度场的层状分布特征。结论 内摩擦角对滑坡碎屑流的动力过程影响十分显著;乱石包滑坡碎屑流的滑体在高速滑移阶段存在强烈的内部剪切作用,并且铲刮效应对滑坡碎屑流的运动起到了一定的阻碍作用。

贵州都匀马达岭滑坡碎屑流动力演化过程分析

下伏采空层及节理发育对滑坡崩塌致灾过程具有重要影响。为进一步探究节理对岩体的切割破碎作用与特征,基于无人机航摄及对马达岭滑坡碎屑流的野外调查,采用颗粒离散元方法模拟了下伏采空区含节理的滑坡碎屑流动力破碎过程,对产生破碎体的数量变化和粒径分布进行了分析。结果表明:(1)马达岭滑坡碎屑流发育过程可归纳为后缘拉裂-阶梯状蠕滑拉裂-剪切变形-滑面贯通-滑体整体破坏,节理与下伏采空区的冒落作用促进了滑体破坏破碎过程;(2)破碎在滑体破坏和运动堆积过程中均有发生,且运动堆积中的破碎占主导地位;(3)采用Weibull双参数模型拟合的结果表明,滑体内的细粒径破碎体持续增加,最终堆积体以中小粒径破碎体为主,论证了滑体运动堆积过程中的破碎解体现象。研究为此类下伏采空区含节理的滑坡碎屑流的破碎机理分析提供了新的思路,证明了下伏采空区冒落作用及节理切割作用对岩体破碎的影响,对类似地质条件区域的滑坡碎屑流灾害防治具有一定指导意义。

鄂尔多斯盆地三叠系延长组7段深水碎屑流沉积特征及成因

为了明确不同类型深水碎屑流沉积特征及其成因,以鄂尔多斯盆地三叠系延长组7段深水重力流沉积为研究对象,综合测录井资料、岩心观察分析、薄片分析和定量统计,分析碎屑流沉积特征、总结沉积序列和探讨成因机制。研究表明:研究区的深水碎屑流主要发育砂质碎屑流、泥质碎屑流和泥流3种类型。砂质碎屑流沉积以块状砂岩最为常见,漂浮状泥质碎屑发育,单层厚度分布在0.24~1.10 m,平均厚度为0.55 m。泥质碎屑流沉积包含孤立块状沉积和与下伏块状砂岩成对产出两种类型,前者内部大量发育漂浮状泥岩撕裂屑及软沉积物变形构造,后者富含漂浮状泥质碎屑与砂质团块,单层厚度分布在0.21~1.29 m,平均厚度为0.60 m。泥流沉积包含孤立块状沉积和与下伏块状砂岩成对产出两种类型,前者整体为泥质砂岩或砂质泥岩,后者内部可见漂浮状成层排列的毫米级泥质碎片,单层厚度分布在0.20~0.60 m,平均厚度为0.30 m。高浓度砂质沉积物或泥质沉积物搬运过程中环境水体卷入导致的流体转化是形成砂质碎屑流、孤立块状泥质碎屑流和泥流沉积的主要原因。与下部块状砂岩相伴生的泥质碎屑流沉积多为流体侵蚀成因或砂体液化成因;与下部块状砂岩相伴生的泥流沉积包含流体减速膨胀导致的流体转化和碎屑颗粒的差异沉降等成因。

滑坡碎屑流冲击挡桩的模型试验研究

【目的】研究滑坡-碎屑流在真实三维地形上的运动冲击过程及其堆积形态。【方法】使用PFC3D数值模拟重现模型试验,分析碎屑流冲击力的影响因素。【结果】较高的挡桩能更有效地减缓冲击力,并减少碎屑流的运移距离和堆积长度;颗粒粒径或体积增加时,碎屑流造成的冲击力会增大;挡桩所在截面颗粒冲击力大致呈正态分布,中部挡桩所受冲击力最大,往两侧冲击力逐渐减小。【结论】通过数值模拟研究碎屑流冲击力,可为后续防治提供参考。

基于红树林仿生学优化的碎屑流桩群防护结构数值研究

碎屑流灾害频发于西南山区,对当地生命财产构成重大威胁。布置桩群结构是有效的减灾措施,但传统桩群设计缺乏针对性,可能影响其防护效果。为提高减灾功能,本文提出了一种基于红树林支柱根结构的防护桩群方案。本文采用离散元软件EDEM对传统桩群和红树林防护桩群在沟槽型碎屑流冲击下的动力响应进行了研究。首先分析了不同桩群结构下的碎屑流运动过程;然后对堆积面积、拦挡率和峰值动能进行了定量分析。结果表明:(1)碎屑流运动过程中出现分层现象和“死区”;(2)红树林防护桩群显著减小碎屑流堆积面积,相比传统桩群,方形、圆形和三角形桩群的堆积面积分别减少了21.9%、20.6%和16.1%;(3)方形红树林桩群对M1和M2粒径的碎屑流拦挡率分别达98.6%和96.9%;(4)红树林桩群对M1碎屑流的峰值动能耗散效果显著,方形、圆形和三角形桩群的峰值动能分别比传统桩群低31.8%、36.7%和21.2%。桩群结构设计优化能提高其对碎屑流灾害的防治效果,为桩群结构设计提供了参考。 。

西藏玉曲河岸坡大型寒冻风化碎屑流的形成及影响分析

本文以玉曲河干流两岸14处规模较大的寒冻风化碎屑流堆积体为研究对象,在对其分布和堆积演变过程进行分析的基础上,进一步探讨其对相关河段水电工程开发(主要是选线选址)的影响。通过卫星遥感影像解译分析、地形测量、野外工程地质测绘等,分析总结出本区寒冻风化碎屑流的空间分布特点和堆积演变的过程,并结合其特征提出工程选线选址的建议。研究表明,区内大规模寒冻风化碎屑流堆积体是一种以冻融破坏为主的斜坡堆积体,主要受气候、地形(坡度和海拔)、岩性、构造和地震因素的综合控制。大型寒冻风化碎屑流堆积体具有规模大、分布范围广、成群发育、稳定性差、后缘形成区(物源区)持续风化剥蚀等特点,对流域相关工程建设选线选址具有重大影响。相关研究结果可供流域内水力发电、交通工程等的开发和建设等提供参考。

某高位崩滑-碎屑流形成机理及运动过程分析

高位崩滑-碎屑流是一种常见的山地地质灾害,形成机理及运动过程受多种因素影响。以四川盆地东北边缘大巴山南部前河上游左侧的高位崩塌体为研究对象,通过对研究区地形地貌、地层岩性、地质构造和气候条件的分析,确定了高位崩滑-碎屑流的基本特征与分区,详细阐述了高位崩滑-碎屑流的形成机理及运动过程。结果表明,高位崩滑-碎屑流的形成与地形地貌、地质构造、降雨和人类工程活动等多种因素密切相关。

砂质碎屑流和底流改造——部分传统浊积岩成因新解

以鲍马层序为代表的古典浊积岩，在地质学界曾广泛流行。近年来的研究表明，真正的浊积岩是很少发生的。由于浊流和碎屑流具有不同的流变学特点，人们对部分传统浊积岩提出了砂质碎屑流和底流改造成因及其鉴别标志，并对传统海底浊积扇模式在进行重新研究的基础上提出了海底碎屑流模式。

陆相湖盆深水砂质碎屑流成因机制与分布特征——以鄂尔多斯盆地为例

国外深水沉积发展了50年,从浊流定义的普遍应用,到今天对鲍马序列、约克扇等经典模式持否定态度,深水沉积研究经历了一个推陈出新的过程。目前国外流行的砂质碎屑流理论是经典浊流理论的部分否定与新发展。本研究阐述国外砂质碎屑流的概念、实验、鉴别特征、沉积模式等最新认识,以运用砂质碎屑流理论解释鄂尔多斯盆地湖盆中部厚砂岩的成因机制为例,揭示我国陆相湖盆中心坡折带砂体分布特征与形成机制,为开拓陆相勘探领域提供理论支撑。

2010年7·27四川汉源二蛮山滑坡-碎屑流特征与成因机理研究

2010年7月27日凌晨4时许,四川省汉源县万工乡二蛮山发生大规模滑坡,约48×104m3的强风化玄武岩体,在前期降雨的影响下高位高速滑出,随即解体转化为碎屑流,沿沟谷高速运动,沿途不断携卷和铲刮堆积于沟床及两侧斜坡的表层松散物质,使滑体的体积和含水量不断增大。当运动到沟谷中段时,因沟道在此向右偏转,在强大的惯性力作用下,部分碎屑流体冲向左岸斜坡,将居住于此的双合村一组5户村民房屋掩埋,造成20人失踪;另一部分碎屑流体继续沿沟谷高速运动近1.4km才最终停止。约30m in后,堆积于沟谷中段深切沟道内的滑坡堆积物,在重力作用下再次启动,形成二次滑坡。二次滑坡缓慢蠕滑流动数小时,最终到达万工新集镇,将部分房屋推倒掩埋,造成92户房屋受损、1500人被迫紧急转移。本文在对灾害现场进行详细地质调查的基础上,结合现场测绘、颗分试验、航拍等手段,对二蛮山滑坡体的基本特征进行了较深入的调查研究,对滑坡发生及成灾原因进行了初步分析。结果表明,滑源区相对突出的地形条件、风化破碎的玄武岩体和有利的结构面组合是滑坡发生的基本条件;前期降雨期间爆发的泥石流对滑源区坡脚的掏蚀、强降雨的饱水加载作用以及雨水沿陡倾张裂结构面的下渗软化作用,是诱发滑坡发生的直接原因。二蛮山沟谷原为一高频泥石流沟,滑坡发生前并无明显的滑坡迹象,滑坡的发生表现出极强的隐蔽性和突发性以及高位高速远程运动和危害巨大的特点,同时,主滑坡发生后在短时间内滑坡区再次启动发生二次滑坡,这些现象和特点具有特殊性,也具有典型性,值得深入研究。

高速远程滑坡-碎屑流运动机理研究发展现状与展望

高速远程滑坡-碎屑流具有极高的运动速度和超远距离的位移,往往能够引发灾难性事故,造成严重的生命财产损失,因此,它的运动机理,即高速远程效应机理一直是国内外学者研究的热点。目前国外主要存在四种观点:空气润滑模型、颗粒流模型、能量传递模型和底部超孔隙水压力模型。但是,由于高速远程滑坡-碎屑流自身的复杂性,到目前为止,研究还没有取得公认的成果。中国是高速远程滑坡-碎屑流的频发区,因其研究才刚刚起步,研究成果还处于定性阶段。本文在查阅大量文献的基础上,从理论和技术两方面分别阐述了国内外高速远程滑坡-碎屑流运动机理研究的发展现状,对目前纵多的理论和模型进行了归纳与总结,点评了目前研究的难点,并在此基础上提出了今后的研究重点。本文是国内外首次对该领域的研究进行系统的归纳和总结,对今后类似的研究具较高的参考价值。