基于DEM模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究_王杰.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0502-12王杰，庄建琦，孔嘉旭，等 2023 基于 DEM 模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究J 工程地质学报，31(2):502513 doi:1013544/jcnkijeg20220716Wang Jie，Zhuang Jianqi，Kong Jiaxu，et al 2023 Influence of fragmentation on dynamic characteristics of loess landslide based on DEM simulationJJournal of Engineering Geology，31(2):502513 doi:1013544/jcnkijeg20220716基于 DEM 模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究*王杰庄建琦孔嘉旭牟家琦郑佳付玉婷(长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054，中国)(西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，西安 710054，中国)摘要为研究滑体破碎对黄土滑坡动力学过程的影响，基于 PFC2D建立了一种考虑到黄土特殊结构的可破碎离散元滑坡模型，通过改变细观强度参数生成不同强度滑体，模拟不同破碎率下的滑坡发生过程，分析了破碎对滑坡速度、流动性和堆积特征等方面的影响，再现了党川 8#滑坡从启动到停止全过程。结果表明:(1)滑体峰值速度与破碎率呈负相关，具体表现为:滑体最大运动速度随破碎率的增大呈幂函数减小。(2)破碎对滑坡流动性的促进作用可能存在某阈值点，使得当破碎率小于该值时，有效摩擦系数随破碎率的增大不显著降低，反之则迅速减小。(3)随着破碎程度的增加，滑坡堆积厚度减小，水平分布范围越广，分选降低，孔隙的分布趋于均一化，且最大堆积厚度的位置多位于地形低洼处。(4)党川 8#滑坡从失稳到停止运动总历时 28 s，局部最大速度约 17 ms1，最远滑动距离约 195 m，破碎率达到 19%。揭示了破碎对黄土滑坡动力学过程的影响，对黄土滑坡动力学研究具有一定参考价值。关键词黄土滑坡;破碎;离散元;动力学过程中图分类号:P642.22文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220716*收稿日期:20221011;修回日期:20230321基金项目:国家自然科学基金项目(资助号:42090053，41922054)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos 42090053，41922054)第一作者简介:王杰(1995)，男，硕士生，主要从事黄土灾害地质与数值模拟方面的科研工作 E-mail:2776855770qqcom通讯作者简介:庄建琦(1982)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事工程地质力学方面的科研与教学工作 E-mail:jqzhuangchdeducnINFLUENCE OF FAGMENTATION ON DYNAMIC CHAACTEISTICSOF LOESS LANDSLIDE BASED ON DEM SIMULATIONWANG JieZHUANG JianqiKONG JiaxuMOU JiaqiZHENG JiaFU Yuting(Chang an University，College of Geological Engineering and Geomatics，Xi an 710054，China)(Key Laboratory of Western China Mineral esources and Geological Engineering，Xi an 710054，China)AbstractA fragmentable discrete element landslide model takes into account the unique structure of loess and isbuilt on the basis of PFC2Din order to investigate the impact of slide fragmentation on the dynamics of loess land-slides The landslide occurrence process under various fragmentation rates is simulated The impact of fragmentationon the landslide velocity，mobility，and accumulation features is examined in order to replicate the whole process ofthe Dangchuan 8-meter landslide from beginning to end The results show the follows(1)The peak velocity of theslide is inversely related to the fragmentation rate，as evidenced by the fact that the maximum velocity of the slidemovement falls as a power function with an increase in fragmentation rate(2)There could be a cutoff point for thefragmentation-based encouragement of landslide mobility，below which the effective friction coefficient rapidly de-clines and does not change appreciably when the fragmentation rate rises above it(3)As the degree of fragmenta-tion increases，the landslide accumulation thickness decreases，sorting decreases，the horizontal dispersion broad-ens，the distribution of pores becomes more homogeneous，and the highest accumulation thickness is frequentlyfound in low-lying terrain(4)The Dangchuan 8-meter landslide had a fragmentation rate of 19%，a maximum localvelocity of around 17 ms1，a maximum sliding distance of roughly 195 m，and a total duration from destabilizationto cease movement of 28 s It demonstrates how fragmentation affects a landslide s dynamic process，providing someuseful context for those looking into the subjectKey wordsLoess landslide;Fragmentation;Discrete element;Dynamic process0引言中国黄土总面积约 6.3105 km2，占中国陆地面积的 6.6%(徐张建等，2007)。由于黄土裂隙发育，宏观结构具类喀斯特特性，细观结构疏松多孔，干湿强度差异大等特殊工程性质，使其极易在水、力等作用下发生失稳，形成地质灾害。黄土地区地质环境十分脆弱，黄土厚度大、沟壑纵横、地形破碎、气候干燥且降雨集中，因此成为了我国地质灾害最为发育的地区之一(彭建兵等，2014;张茂省等，2016)。据不完全统计，全国近 1/3 的滑坡发生在黄土地区(Zhou et al，2002)，这些数以万计且规模不等的滑坡，已成为威胁黄土地区人类生命及财产安全的重大生态地质安全问题(黄润秋，2007)。如1983 年发生在甘肃东乡县的洒勒山滑坡，不到 30 s的时间里 3 座村庄被毁，死亡 237 人，是我国 20 世纪 80 年代最严重的灾难性黄土滑坡(闫由之等，2018);2011 年西安市“917”滑坡，造成 32 人死亡，负面影响极大(庄建琦等，2015)。已有研究表明，黄土山城兰州市从 20 世纪 40 年代至今共发生大型灾难性滑坡 20 余起，近 700 人丧生，累计直接经济损失达 7.76 亿元，截至目前受到黄土滑坡灾害威胁的人数仍高达 66.7 万，威胁财产 2600 亿元(王家鼎，1996;黎志恒等，2014)。对于黄土滑坡的研究，学者们已经做了大量的工作，主要集中在滑坡实例分析、滑坡分类、滑坡影响因素、滑坡成因机理等方面(彭建兵等，2020;孔嘉旭等，2021;郑佳等，2022)，并取得了丰富的研究成果，一定程度上促进了对黄土滑坡的认识和防控。但由于黄土的易崩解性和水敏性，使黄土滑坡在失稳后不仅表现出突发性和速度高的特点，还呈现出明显的流态化特征(许强等，2016)。普遍认为这种流态化特征的形成是因为黄土在滑坡过程中发生了液化，但是其中很多并不具备液化条件的黄土滑坡仍然表现出了很强的流动性(张茂省等，2011)。广泛认为碎屑化作用是高速远程滑坡最重要的动力学过程之一，其可能与滑坡的超高流动性密切相关。Heim(1932)认为碎屑颗粒间强烈的相互作用会导致滑坡处于流态化状态;Hs(1975)认为颗粒间碰撞产生的离散应力会减小有效正应力，从而提高滑坡运动性;Davies(1982)提出动力破碎后巨大弹性应变能的释放，会使得破碎后的颗粒随机高速运动，同时产生的弥散应力能够使颗粒间正应力减小，导致减阻效应的产生。此外，滑坡过程中持续动力破碎引起的粒径组成变化，也被认为是致使颗粒流向流态化转变、促进远程运动的另一重要原因(李坤等，2022)。以上研究都集中指出:滑体破碎会促进滑坡运动，并使滑坡向流态化转变。黄土是一种三相碎散结构体，颗粒之间的联结强度较弱，在黄土滑坡发展初始阶段，结构就已经发生大规模损伤，滑坡运动结束后破碎程度更是远高于岩质滑坡，这也就说明破碎在黄土滑坡动力学过程中扮演着更为重要的角色(周琪等，2019)。关于黄土滑坡破碎方面的研究，王家鼎等(1999)对海原大地震、通渭大地震等缓倾角、低含水量高速远程滑坡的机理进行了研究，提出了地震力在破坏滑坡体土粒间的联结使其结构解体之后，土颗粒块体会因为碰撞而粉尘化，粉尘化的黄土会进一步影响滑坡的运动，最终形成高速运动的黄土瀑布或黄土流。张茂省等(2011)认为，在低含水量情况下，黄土结构强度较高，其瓦解形成散粒过程与黄土内部孔隙气压的变化密切相关。以上研究都着力解释了黄土滑坡发生过程中结构体破碎这一宏观现象或其产生的原因，而针对破碎如何影响黄土滑坡动力学过程这一问题却研究很少。目前颗粒离散元软件 PFC 已经成熟运用于滑坡动力学的相关研究，并取得了良好效果(孟桓羽，30531(2)王杰等:基于 DEM 模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究2022)。Zhao et al(2017)基于三维离散元数值模拟软件 PFC3D，再现了岩块顺坡下滑至撞击水平面这一过程中，滑体的动力破碎过程与碎屑物质的运动堆积过程。Lin et al(2020)开展了块体破碎物理模型试验，并结合数值模