阿克陶县泥石流运动过程离散元模拟研究

关志凯 马彦兵 罗文功

摘要：为揭示泥石流运动过程规律，文章以新疆G314线公路工程阿克陶县泥石流为研究对象，根据泥石流生成实际地形建立二维数值模型，采用离散元法对泥石流模型进行仿真模拟，并对比分析不同时步位移、矢量、监测点及测量圆的数据。结果表明：由于降雨等因素，堆积体下部颗粒强度降低，从而向下滑出，而上部颗粒由于失去下部颗粒支撑，进而继续下行滑动，因此堆积体整体发生滑动，从而产生泥石流灾害。基于上述分析，建议加强对泥石流生成区域监测，并采取有效的措施。

关键词：泥石流;离散元;滑动过程

0 引言

泥石流是一种十分严重的地质灾害，严重威胁当地的生态环境和人民的生命财产安全。泥石流通常是一种裹挟大量泥土、碎石的急性水流，其中的固态物质含量（如砂石、砂土）有时甚至超过水量。泥石流多发于地形陡峭的山区，是一种区别于滑坡的多介质混合流[1-2]。

由于泥石流这种特殊的运动形式，有限元对其模拟存在一定的局限性，而离散元具有大变形、大位移的优势[3]，因此，国内外学者开展了大量研究[4]。何俊辉等[5]为发现节理裂隙岩层对隧道稳定性的影响，研究了隧道的破碎岩体，采用离散元法建立了6个不同破碎岩层位置数值模型，并对比分析不同节理裂隙岩层的隧道开挖后的矢量云图;杨三强等[6]通过对某公路地区泥石流地质灾害的现场调查，对泥石流的形成原因进行了大量分析，并对形成泥石流主要因素之一的临界雨量的计算方法进行了介绍;唐明亮[7]以某公路隧道为研究对象，采用有限元法对隧道施工过程进行数值仿真，分析了施工阶段围岩的位移、应力的变化与和塑性区生成，以及锚杆加固对围岩产生的内力。

综上所述，国内外学者已经使用离散元法对泥石流灾害进行了模拟研究，并取得了较好的结果。本文以新疆阿克陶县泥石流为工程依托，采用离散元法研究泥石流的滑动过程，为泥石流治理工程提供参考。

1 工程地质概况

新疆G314线公路工程建设项目位于阿克陶县境内，路线走向为自东向西。泥石流灾害生成原因为：（1）新疆大部分地区出现高温天气， 并持续较长时间，甚至有部分地区 气温突破当地有记录以来的最高气温;（2）工程区范围内的上游地区来水量迅速增大，这是由于上游水库水位达到最高水位，因此进行了开闸放水;（3）项目地区出现了一次范围较大、持续时间较长的降雨过程，导致出现多次爆发泥石流。项目沿线右侧上游分布有多个水电站隧道支洞施工区，隧道弃渣未进行合理规划，随意弃至洞口，松散弃渣极易受雨水冲刷下泄，形成泥石流，造成桥涵路基淤埋。泥石流灾害导致正在建设的工程受到严重的损害。

由于河道狭窄，河底纵坡较大、洪水流量大、流速快导致挡墙基础外侧河道下切严重，将基础淘空，使得挡墙失稳导致挡墙倒塌或者外倾，同时引起路基开裂、涵洞出口侧沉降。根据现场调查，挡墙长度共计330 m，挡墙倒塌长度共计288 m。泥石流生成过程如图1所示。

2 泥石流离散元模型建立

泥石流离散元模型根据实际地质模型建立，尺寸为：长2 500 m，高165 m。模型生成过程如下：先以“wall”命令生成滑动面地形，摩擦系数设置为0.2;考虑到计算效率及工程实际情况，采用“ball”命令在一定范围内生成半径为0.6～0.8 m的颗粒集合，颗粒在重力作用下平衡后，删除堆积体外的颗粒，最终生成的模型如图2所示。根据现场实际物理力学参数及参考文献[8]中提供的参数，最终得到离散元模型的细观参数如表1所示。

图2中模型共有8 663个颗粒。建立了三个测量圆，分别位于堆积区的上中下部，用来监测孔隙率变化情况。并设置了3个颗粒作为监测点，用来监测颗粒X方向位移。

3 泥石流滑动过程分析

图3为泥石流位移图，在100 step时，堆积体前部颗粒出现少量滑动;当达到3×106 step时，颗粒出现大量滑动，并有部分颗粒已经滑动到沟底;在6×106 step时，颗粒大部分已经滑动到沟底，颗粒滑动趋于稳定，颗粒最大位移达到600 m左右。

泥石流速度位移图如下页图3所示，在100 step时，大部分颗粒的矢量方向向下，说明颗粒在重力作用下向下堆积，堆积体前部有少量颗粒矢量方向向前，说明已经有部分颗粒开始滑动;在3×106 step时，大部分颗粒矢量指向沟底，并有少量颗粒到达沟底;当时步为6×106 step时，颗粒大部分矢量已经到达沟底，说明滑动已经趋于稳定。

图4为1～3监测点颗粒的X方向位移变化过程图，从中可以看出监测点1位于堆积体的下部，当开始滑动时，X方向的位移迅速增大，说明颗粒在开始时首先滑出堆积体，1.5×106时，速度放缓时到达沟底;监测点2位于堆积体中部，位移均匀增大，说明该部分颗粒在滑动过程中一直保持运动;监测点3位于堆积体上部，其位移距离明显小于监测点1和2。

图5为堆积体不同位置孔隙率的变化情况图，从图中可以看出，不同位置的测量圆孔隙率先后到达1，说明测量圆中颗粒先后滑出测量圆，测量圆1位于堆积体下部，由于需要所有颗粒全部滑出后达到孔隙率为1，所以时步最长，测量圆3位于堆积体后部，颗粒全部滑出后孔隙率为1，而测量圆2位于两者之间。

综上所述，可以推断出堆积体向下滑动的过程：由于降雨等因素，堆积体下部颗粒强度降低，从而向下滑出，而上部颗粒由于失去下部颗粒支撑，进而继续下行滑动，因此堆积体整体发生滑动，从而产生泥石流灾害。

4 结语

（1）采用离散元法对泥石流的全过程进行分析，可以直观地得到泥石流滑动的过程，可以很好地揭示泥石流的形成过程。

（2）在建立泥石流离散元模型的基础上，通过对其滑动过程中的位移、矢量、监测点及测量圆的数据分析，得到泥石流的滑动过程是由于降雨等因素，堆积体下部颗粒强度降低，从而向下滑出，而上部颗粒由于失去下部颗粒支撑，进而继续下行滑动，因此堆积体整体发生滑动，从而产生泥石流灾害。

（3）基于上述分析，建议加强对泥石流生成区域监测，并采取有效的加固措施。

参考文献：

[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. 浅谈PFC软件在岩土工程中的应用[J].西部交通科技，2015（7）：68-74，112.

[5]何俊辉，赵艳纳. 破碎岩层位置对隧道稳定性的影响研究[J].西部交通科技，2013（5）：60-63，69.

[6]杨三强，黄 勇，刘 涛. 基于临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.公路隧道开挖与支护数值模拟分析[J]. 西部交通科技，2014（5）：65-68，72.

[8]林玫玲，简文彬，胡海瑞，等. 基于离散元的矿渣泥石流运动过程研究[J]. 中国地质灾害与防治学报，2017，28（2）：10-14，120.

收稿日期：2020-06-05