PFC2D滑坡阻河机理及冲击致灾数值模拟研究
朱书涛，祝星星，杨春月，伏航
（四川农业大学水利水电学院，四川雅安625014）
引言
我国西部地区多为丘陵、山地。河流分布众多，地形崎岖，地势陡峭。在人类活动范围扩大、地震频繁发生、降雨强度大等因素的影响下，容易在河流沿岸发生滑坡，滑坡自滑动区向下滑动，汇入河道中形成大小不一的堆积体，堆积体的存在将会严重影响河流的过流能力，或者束窄河道行洪断面，造成堆积区域水位涌高，以致引发其他次生灾害，如淹没下游城镇及农田。据统计：由滑坡引发的堰塞坝占所有堰塞坝的70%以上[1]，2018年10月17日，西藏米林县雅鲁藏布江左岸，色东普沟发生大体积滑坡，冲入雅鲁藏布江堵塞河道形成堰塞湖[2]，2018年，金沙江上游发生白格滑坡，碎屑流完全堵断河道形成堰塞坝[3]。滑坡受到河宽、坡高、方量等因素的影响，堆积体在河道中并不一定形成堰塞坝。但堆积体的存在将会明显减弱河道的过流能力，束窄河道行洪断面，使河道上游水位升高，同样也会对下游地区造成一定的危害。
国内外对滑坡堵江的研究进展不同，研究程度不同，在滑坡堵江的形成机理方面虽有涉及，但较为缺
乏深入的研究[4]。黄鸿强在考虑了河道宽度和地形坡度两因素的情况下，使用PFC2D软件，对滑坡堵江的影响因素进行了数值模拟[5]，但其并未考虑坡高及方量对滑坡堵江的影响，需要进一步完善；王洋海等利用DEM软件，在不同坡角及坡高条件下，对滑坡形成的堆积体形态和颗粒的粒径分布进行了数值模拟[6]，然而并没有涉及河宽及方量对堆积体形态造成的影响；李子隆等以黄石盘水库黄角树滑坡为研究对象，以PFC2D软件，对滑坡失稳造成堵江的高度进行了预测[7]；陈祖煜等采用动力有限元分析技术，再现了肖家桥滑坡的失稳过程以及诱发堵江的四个阶段[8]；吴建川等人利用PFC3D软件，对唐古栋滑坡堰塞坝堆积过程及堆积形态进行了反演[9]。
本文以前人研究为基础，采用PFC2D离散元软件，对滑坡汇河阻河机理进行数值模拟。考虑了坡高、河宽、颗粒数量三个因素对滑坡堵江的影响，该研究可在理论上深化对滑坡堵江致灾机理的认识，同时对实际灾害防治也具有一定的指导意义。
1PFC2D数值模拟
为研究滑坡汇河阻河过程及其影响因素，采用二维离散元软件PFC2D进行数值模拟。首先利用PFC2D生成一
摘要：为进一步完善建立在离散元程序上的滑坡汇河阻河致灾机理的数值模拟，以ball-wall方法建立滑坡模型，对滑坡涌入河道后的堆积体形态进行研究。结果表明：在坡高、河宽、方量三个影响因素
中，河宽对于滑坡是否阻河占首要地位，在河宽较小时滑坡入河后容易阻河，河宽较大时则不易阻河。方量和坡高对堆积体形态也有一定的影响，坡高越高，方量越大越容易造成阻河。滑坡的最大冲击荷载受到河宽和坡高的双重影响，坡高越高，河宽越小冲击力越大。
关键词：PFC2D；滑坡；数值模拟；阻河
中图分类号:TV641文献标志码:A文章编号:2095-2945(2021)01-0082-05
Abstract:In order to further improve the numerical simulation of the disaster mechanism caud by the confluence of landslide bad on the discrete element program,the landslide model was established by ball-wall method to study the shape of accumulation after the landslide gushed into the river.The results show that among the three influencing factors of slope height,river width and square volume,the river width plays an important role in whether the landslide blocks the river or not. It is easy to block the river after the landslide enters the river when the river width is small,and it is not easy to block the river when the river width is larger.The square volume and slope height also have a certain influence on the shape of the accumulation body.The higher the slope height is,the larger the square volume is,the easier it is to block the river.The maximum impact load of the landslide is affected by both the width of the river and the height of the slope.The higher the height of the slope is,the smaller the width of the river is,the greater the impact force is.
Keywords:PFC2D;landslide;numerical simulation;river blocking
类别组别河宽L/m 坡高H/m 颗粒数N/个
Ⅰ1 4 6 400
2 4 9 400
3 4 12 400
4 8 6 400
5 8 9 400
6 8 12 400
7 12 6 400
8 12 9 400
9 12 12 400
Ⅱ1
12 6
300
2 400
3 500 4
12 9
300
5 400
6 500 7
12 12
300
8 400
9 500 表1PFC2D数值模拟实验方案
定数量的颗粒，使碎屑流滑入河道中得到一定形态的堆积体，其次进一步研究各影响因素对堆积形态演化过程的影响。在模拟过程中，忽略河道中的河水流量、流速等部分水动力条件，即认为河水水位很浅，对滑坡堆积体不产生作用。颗粒流程序PFC中颗粒间的接触采用既可以传递力，又可以传递力矩的线性平行粘结模型，并通过ball-wall的方法建立滑坡崩滑模型，以颗粒来组建滑体进而开展实验。
2数值模型及模拟方案
2.1模型建立
柴贺军等人在经过大量资料的收集整理后，认为滑坡型堰塞坝容易在30°~45°的斜坡地带形成[10]，因而选取35°角为坡角建立滑坡模型。数值模型几何尺寸如图1所示。模型主要由颗粒生成区、滑床、河道三部分组成。在河道与滑床衔接处通过-53°的斜面连接而成，其中河道宽度为8m，河堤高度为2m，坡高为12m。
2.2计算方案
为研究坡高、河宽及颗粒数量对滑坡堵河的影响，实
验方案如表1所示。表中类别Ⅰ为研究坡高和河宽对堆积形态的影响，类别Ⅱ为研究在一定的坡高和河宽下方量对堆积形态的影响。
3PFC2D数值模拟计算结果
3.1滑坡下滑及堆积过程
首先在PFC中建立两个墙面，在两个墙面之间生成一定数量的颗粒，使颗粒在重力作用下，沉降到滑床表面并计算达到平衡。然后赋予颗粒合理的微观参数，并将其中一侧起拦挡作用的墙面删除，对颗粒赋予重力后，使得颗粒在重力作用下，沿着滑床下滑并最终堆积在河道中，颗粒生成及下滑堆积过程如图2（a）、（b）、（c）所示。3.2河宽及坡高对堆积堵河的影响
实验中在同一河宽下分别考虑了6m、9m、12m坡高对堆积体堵河的影响。从图3中可以看出，坡高较低时堆积体后部逐渐向坡上攀升，坡高增加时这种现象有所减弱，同时随着坡高的增加，堆积体前缘厚度有增加趋势。在滑坡方量相同时，河宽越小、坡高越高越容易发生滑坡完全堵河事件。
由图3进行横向对比可以发现，在颗粒数相同时，河宽增加，堆积体堵河由完全堵河发展为不完全堵河。河宽由4m增大到12m的过程中，堆积体整体厚度不断减小，意味着堆积体拦挡蓄水的能力明显减
低，同时随着河宽的增加，堆积体后部向坡上爬升的现象将减弱。
图1数值模拟滑坡模型尺寸图
3.3方量对堆积体堵河的影响
为研究滑坡方量对阻河的影响，PFC数值模拟生成的颗粒数分为300、400、500三组，由图4（a）、（b）、（c）各组可以发现随着滑坡碎屑流方量的增多，堆积体堵河程度加剧，其前缘堆积厚度增加，对河道的束窄程度也在提高。当生成的颗粒数增加到一定程度时，滑坡就会由不完全堵河发展成为完全堵河，进而形成具有潜在威胁的堰塞坝。
由图3对比图4可知，当河宽变宽以及生成的颗粒数增多时，河宽对堆积体厚度的影响明显大于方量对堆积体厚度的影响，即堆积体是否完全造成阻河，主要取决于河道宽度，方量因素并非主要因素，只有在河宽确
定时（a）（b）（c）
图3不同坡高和河宽下堆积体形态的变化
规律
（a）（b）（c）
图4滑坡方量对堆积体堵江情况的影响
（a）（b）（c）
图2数值模拟实验过程图
方量才会产生明显的影响。
由图3（c ）中第一个图对比图4（b ）中最后一个图可知，当河宽为12m 不变，坡高由6m 增加至12m ，颗粒数量由400个增长到500个时，堆积体厚度整体增加，表明方量对堆积体阻河状态存在显著影响，方量的提高，将会明显改变河道水流流速和行洪断面，碎屑流数量的影响
较坡高因素的影响强。
4滑坡冲击力的影响
滑坡入河后不仅会对河堤造成冲击，导致破坏，也会使得河堤周边存在的不稳定岩土发生塌落，从而增加堆积体前缘厚度，加大堆积体阻河的程度。为探究滑坡汇入河道后由于冲击力造成的影响。以实验方案中类别Ⅰ的滑坡模型进行数值模拟，模拟过程中通过编写的fish 函数，用PFC 2D 程序监测在不同河宽下，从不同坡高下滑的滑坡对河堤的冲击力大小，监测到的滑坡冲击荷载图如图5所示。依次进行各组试验，最终得到河宽为4m 、9m 、12m 条件下各坡高的最大冲击荷载，并通过origin 数据
处理软件得到不同河宽和坡高情况下的最大冲击力图，如图6所示。由图5可知，不同坡高下，滑坡自由下滑的运动时间不同，坡高越高运动时间越长。从图6可知，坡高增加最大冲击荷载也在增加，但受到河宽的影响，河宽增加最大冲击力反而在减小。
因此在河宽较窄、落差较大部位，滑坡对河堤的破坏程度加强，河堤应尽量加固以防止被破坏。
5结束语
滑坡冲入河道后，形成的天然拦挡蓄水建筑物，往往会对下游人民群众的生命财产安全产生巨大威胁，本文
通过二维离散元软件PFC 2D ，对构建的滑坡模型在不同坡高、河宽及方量条件进行数值模拟，得到最终堆积体堵河的不同形态，同时监测了不同河宽和坡高情况下的最大冲击力。对各影响因素下堆积体形态及冲击力图进行分析，可得出如下结论：
（1）河宽较窄时，随着坡高的增高，堆积体后部向滑床部位攀升的程度将减小，坡高越高堆积体前缘厚度将加大，使得堆积体对水流的拦挡能力加强。
坡高越高滑
坡图6不同河宽及坡高下最大冲击力图
（a ）
（b ）
（c ）
图5滑坡冲击力图
架柱用钢量较大，B方案构架梁用钢量较大，由于构架柱数量多于构架梁，总体上看两方案经济性相差不大，而B 方案经济性更好。
7结论
本文对角钢格构式构架常用的两种梁柱连接形式进行对比研究，可以得出以下结论：
（1）两种连接形式对构架平面外刚度影响不大，而对构架平面内刚度梁柱刚接大于梁柱铰接。
（2）梁柱刚接构架柱内力较小、构架梁内力较大；两种连接方式构架平面外位移相差不大；而梁柱刚接构架平面内位移较小；梁柱刚接可以有效约束构架梁扭转变形，扭转角更小。
（3）总体上看两种连接形式对钢材量影响不大，梁柱刚接构架结构性能更优，推荐工程设计采用梁
柱刚接方案。
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对河堤的冲击荷载越大，对河堤造成的冲击破坏也越强。
（2）河宽的加宽将有效减小堆积体阻河的程度，当考虑河道中的水动力条件时，河道越宽堆积体厚度越小，形成堰塞坝越困难。河宽能够影响滑坡的最大冲击荷载，河宽越小冲击力越大，反之则减小。
（3）滑坡方量对堆积体阻河程度的影响，较坡高影响强烈，随着方量的增加，堆积体由部分堵河会发展成为完全堵河。
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