场地条件对滑坡-碎屑流运动冲击特征的影响研究

2022-02-16 01:18张睿骁樊晓一姜元俊吴泽雄
振动与冲击 2022年2期
关键词:滑体滑槽平均速度

张睿骁, 苏 栋, 樊晓一, 姜元俊, 吴泽雄

(1.深圳大学 土木与交通工程学院,广东 深圳 518060;2.西南石油大学 土木工程与测绘学院,成都 610500;3.中国科学院 成都山地灾害与环境研究所,成都 610041)

近年来,受地震、极端降雨等自然因素和人类活动的影响,极易发生滑坡、泥石流之类的地质灾害,尤其是在我国山区。滑坡碎屑流受外界影响而沿斜坡快速向下运动,形成的具有高破碎度、高离散性和流动特性的集合[1-2],往往造成大量的经济损失和人员伤亡。

为了应对滑坡碎屑流的冲击灾害,揭示滑坡碎屑流冲击机理,国内外学者开展了大量的滑坡碎屑流冲击的研究。由于滑坡碎屑流发生的可预测性差[3],同时自然环境和滑体材料的特殊性[4],使现场监测的数据不具有代表性[5],为此模型试验与数值模拟相结合的方法成为了众多学者的选择。滑体颗粒和拦挡结构的参数是大量学者研究考虑的变量因素,具体包括颗粒级配、粒径和颗粒排布顺序[6]的颗粒参数,以及不同拦挡结构位置、高度[7]、类型[8]和排布的变化,兼顾滑坡碎屑流运动过程的颗粒分选机制[9]和铲刮效应[10],获取不同参数条件下滑坡碎屑流冲击的影响以及易损性和动力响应[11]。

冲击力作为滑坡碎屑流致灾强度的直观体现,成为研究中的热点。Jiang等[12-14]以室内模型试验所监测的结构物上的冲击力,结合碎屑流对结构物的动态冲击过程,可将冲击力分解为碎屑流拖曳力、重力和摩擦力以及被动土压力。同时,冲击力也是防护结构设计强度重要指标,尤其是最大冲击力[15]。为此根据上述理论基础,眭静等[16]建立滑坡碎屑流冲击作用影响性的量化评估力学模型,通过将模型试验结果与其他学者提出的力学模型进行对比[17-18],可判断眭静等的模型和Albaba等的模型结果与试验结果无明显差异,而Ashwood等模型的冲击力计算结果与试验结果相比明显偏小。

根据滑坡现场的调查结果,发现相同规模的滑坡,其运动距离差异显著,说明滑坡的运动参数显著受运动场地条件的控制[19]。目前碎屑流的冲击研究,以场地条件为边界条件,考虑碎屑流后续冲击效应,缺少以场地条件为变量,对碎屑流冲击效应的研究,其研究成果应用局限性大。基于以上分析,本文利用三维离散元方法,考虑斜坡坡度、堆积区坡度和场地类型为变量因素,系统分析场地条件对碎屑流冲击效应的影响,为滑坡灾害防治提供参考依据。

1 三维离散元模型

目前常用的数值模拟方法包括有限元方法和离散元方法。有限元方法的具备对大规模问题建模的高计算效率的优点。然而,该方法不能捕捉颗粒流对结构的冲击过程中观察到的明显的离散行为,对于碎屑流离散颗粒的模拟,离散元方法应用更加广泛。EDEM是英国 DEM-Solution公司开发的一种具有全球领先水平的离散元仿真商业软件,具有高效的并行计算能力和前后处理能力。本文基于EDEM软件,选用Hertz-Mindlin (No Slip)作为接触模型进行研究。

1.1 模型建立

本模型由斜坡、侧板、底板、拦挡结构和碎屑物源组成,如图1所示。图1中,碎屑物源距离底面垂直高度固定为1.25 m,滑槽宽度为0.5 m,滑槽高度为0.5 m,滑坡体纵向宽度2.5 m,α为斜坡坡度,β为堆积区坡度,均可调整。

图1 滑槽模型示意图(mm)Fig.1 Schematic diagram of the chute model (mm)

根据滑坡灾害现场调研可知,实际滑体颗粒均为带棱角的不规则形状,为此本文通过将四个球形颗粒黏结作为基础颗粒,反应出实际颗粒含有棱角的特点,如图2所示。该方法的使用,已被通过与单个球形颗粒进行对比验证,多颗粒黏结的基础单元数值模型,模拟结果与试验结果更相符[20-21]。

图2 单个颗粒大样Fig.2 Single particle sample

1.2 数值模型参数

离散元数值模拟中,需确定参数的主要可分为两类:本征参数和接触参数。泊松比、剪切模量和密度为材料的本征参数,表示各种材料的自身属性,基于现场实测及计算结果,确定离散元模型所用材料参数如表1所示。

表1 材料参数Tab.1 Material parameters

图3 颗粒级配曲线Fig.3 Particle gradation curve

图4 碎屑流离散元颗粒模型Fig.4 Debris flow discrete element model

表2 接触参数Tab.2 Contact parameters

1.3 模拟结果与试验结果对比

将表1材料参数及表2中接触参数设置到EDEM软件中,以相同滑槽尺寸所开展的模型试验为参照,开展数值模拟。当斜坡坡度α=45°,拦挡结构设置在坡脚处时,滑体颗粒运动过程图,通过对比相同时刻下模型试验和数值模拟滑体颗粒运动形态,发现两者结果吻合较好,如图5所示。

图5 数值模拟与模型试验对比图Fig.5 Comparison of numerical simulation and model test

虽然上述数值模拟与模型试验的堆积形态图吻合度较好,在一定程度上能够验证参数的合理性,但是对于碎屑流颗粒的运动学参数情况不清楚,若是补充相关的运动学参数对比验证,将使模型验证过程更为完整、参数选取的可信度更高。为此,通过基于高速摄像机在模型试验当中所记录的滑体颗粒运动图分析,获取前缘颗粒的运动速度,绘制出曲线,如图6所示。对比数值模拟与模型试验的前缘颗粒运动速度图,两者间曲线的走势相同,速度大小相差较小,结果较为相近。

图6 前缘颗粒速度试验值与DEM计算值比较Fig.6 Comparison of the experimental value of the leading edge particle velocity with the calculated value of DEM

通过对数值模拟和模型试验的堆积形态图对比;以及从运动学方面,以运动速度对比,两者结果吻合度均较好,进而验证了所取参数的合理性和准确性,并且能够以上述参数开展场地条件对滑坡碎屑流运动冲击特征的影响研究。

2 斜坡坡度影响

通过对已发生的滑坡进行统计,其斜坡坡度通常存在较大的差异,如茂县国际饭店滑坡平均坡度约为40°~45°[23],文献[24]中所记录的滑坡坡度分布在24°~55°,不同斜坡坡度将影响滑坡碎屑流的冲程和平面覆盖面积[25],同时影响其冲击结构物的效果。为此考虑斜坡坡度为变量,研究35°,45°和55°三个坡度对滑坡碎屑流冲击效应的影响。

2.1 运动过程分析

滑体颗粒初始启动的过程图,如图7所示。当滑槽闸门打开后,滑体前部颗粒(近似于水平面垂直方向的颗粒)未受到前方闸门的约束,忽略空气阻力等影响,此时由于自身重力的作用,该部分颗粒率先开始运动。然而,该部分颗粒同时受到颗粒间的摩擦力Fkf,使运动颗粒逐渐往尾部颗粒发展。前部颗粒沿着滑槽不断下滑,受到沿着滑槽方向的重力分量Fg,同时受到滑槽对颗粒的摩擦力Fdf,其中重力分量Fg>摩擦力Fdf,滑体颗粒沿着滑槽逐渐向下运动。虽然前部上层颗粒的运动速度逐渐增加,但由于颗粒间存在着摩擦力,使前缘颗粒下滑时对后缘未启动颗粒有牵引力,滑体颗粒始终汇聚成一体运动。

图7 滑体颗粒启动过程图Fig.7 Sliding body particle initiating process diagram

为明确滑体颗粒运动过程重力和颗粒摩擦在运动过程的作用阶段,选取斜坡坡度为45°为研究对象,提取滑体颗粒平均速度以及在水平方向和垂直方向的分量,绘制成如图8所示曲线。从图8中可以看出,前期启动阶段(0~0.20 s),颗粒的平均速度随时间的增加不断增大。虽然颗粒水平方向的平均速度也随时间的增加不断增加,但水平方向的增长速度和幅度小于垂直方向颗粒的平均速度。在该阶段,滑体颗粒的重力成为了主要作用,即颗粒的运动以垂直方向上的速度为主导。与总的平均速度相比,颗粒垂直方向的平均速度与总的平均速度大小相近。前缘滑体颗粒在滑槽上逐渐铺展开,滑体长度增加,表现出前缘速度大,后缘速度小,滑体颗粒的运动由重力和颗粒摩擦共同作用。垂直方向的平均速度增长速度减慢,而水平方向的平均速度增长速度增加,两条曲线的差异逐渐减小。当t为0.74 s时,水平方向的平均速度与垂直方向大小相等。在此之后,滑体颗粒与拦挡结构发生相互作用,颗粒在结构物后方开始堆积,平均速度的水平分量略大于垂直分量。

图8 颗粒速度随时间的分布Fig.8 Particle velocity distribution over time

2.2 运动速度

本文固定碎屑流颗粒的滑源区高度,碎屑流颗粒从不同斜坡坡度上运动,经过斜坡加速,斜坡坡度越大,到达坡脚处时的平均速度也越大。由于拦挡结构设置在坡脚处,碎屑流颗粒运动到坡脚处时,与拦挡结构碰撞,速度减小,则前缘颗粒运动到坡脚处时,即为平均速度的最大值。如图9所示,根据平均速度时程曲线可得,当斜坡坡度为35°时,Vmax=2.06 m/s,斜坡坡度为45°时,Vmax=2.38 m/s,斜坡坡度为55°时,Vmax=3.13 m/s。

从图9中可以看到,当t为0~0.18 s时,此时靠近料箱挡板处的颗粒率先得到加速,底部的颗粒部分与滑槽接触,导致滑槽的坡度对颗粒速度的影响不显著,不同坡度下碎屑流的平均速度相近。

图9 不同斜坡坡度下平均运动速度时程曲线Fig.9 Time history curve of average motion velocity under different slopes

2.3 冲击力

当斜坡坡度不同时,碎屑流颗粒在斜坡上的运动距离不同,斜坡坡度越大,斜坡越短,到达坡脚处的时间越短。如图10所示,斜坡坡度为35°,45°和55°时,碎屑流颗粒到达坡脚的时间分别为0.78 s,0.67 s和0.58 s。

图10 不同斜坡坡度下冲击力时程曲线Fig.10 Impact time history curve under different slopes

当斜坡坡度为55°时,碎屑流颗粒从斜坡上下滑,t=0.58 s时,前缘颗粒开始与拦挡结构碰撞,冲击力线性增大,其值达到1 000 N。随着斜坡上的颗粒不断下滑,堆积在拦挡结构后的颗粒不断增加,形成“死区”,拦挡结构上所受到的冲击力可以分为拖曳力、重力和摩擦力以及被动土压力。“死区”的颗粒不断增加、壅高,下滑的后缘颗粒,与“死区”颗粒碰撞摩擦,推移“死区”颗粒间接作用到拦挡结构上,此时拦挡结构上所受到的冲击力可以分为“死区”颗粒的静压力和后缘颗粒对死区颗粒的推移作用力,冲击力呈现振荡增加,达到峰值,Fmax=1 387 N。在此之后,冲击力不断减小,直至1.05 s,碎屑流颗粒堆满拦挡结构后方,拦挡结构上受到恒定的静压力,终值为467 N。

对比斜坡坡度为35°和45°时,由于坡度较缓,碎屑流颗粒运动到坡脚处时的平均速度较小,与拦挡结构碰撞产生冲击力较小,与坡度为55°最大冲击力相比,分别减小了74.3%,57.2%,为356 N,593 N;冲击力达到峰值之后,冲击力不断减小趋于平缓,直至颗粒静止,维持恒定的静压力,分别为173 N,313 N。

2.4 斜坡坡度作用分析

设OA的长度为L,碎屑流运动速度为v,坡脚和滑源区坡度为α,堆积区坡度为β,滑槽上的坡度为γ(该角度的变化影响场地条件类型),滑槽摩擦因数为μ,滑体质量为m,如图11所示。

图11 滑槽相关参数示意图Fig.11 Schematic diagram of chute related parameters

图12 滑块受力示意图Fig.12 Slide force diagram

根据力的平衡条件,垂直滑槽方向的受力包括重力的分量Gv和支持力,始终平衡,则影响滑块运动的只有平行于滑槽方向的受力。当闸门移除后,滑块的最大静摩擦力不足以维持滑块保持静止,与滑槽方向平行重力分量Gh大于摩擦力Fdf,滑块与滑槽接触表面之间存在相对运动的趋势,此时滑块获得与滑槽面平行的加速度

a=(Gh-Fdf)/m=g(sinα-μ·cosα)

(1)

当只考虑斜坡坡度的影响,此时γ=α(取35°,45°和55°),β=0°。由于斜坡的坡度可变化范围为0~90°,在此范围之间,对于式(7),g和μ均为常数,而sinα值随着坡度的增加不断增大,cosα值随着坡度的增加不断减小,则加速度a值随着坡度的增加不断增大;同时,随着坡度的增大,斜坡坡面长度减小(本文固定滑体颗粒下落高度),则摩擦力所消耗的能量也随之减小,滑体颗粒运动到坡脚处的运动速度随着坡度的增加不断增大。当不考虑其他外界因素影响时,动能的大小与速度成正比,则滑体颗粒的动能随着坡度的增加不断增大,作用在拦挡结构上的峰值冲击力随之增大。

3 堆积区坡度影响

滑坡-碎屑流运动路径上地形坡度一般具有较大差异,例如汶川地震诱发的滑坡-碎屑流滑床坡降范围为 0°~58°,而高速远程滑坡的滑床坡降主要在8°~20°[26]。坡度的变化影响着碎屑流颗粒之间以及与基底之间的相互作用,进而影响对结构的冲击效应。为了研究堆积区坡度对碎屑流颗粒冲击效应的影响,若是将拦挡结构设置在坡脚处,则无法观察到堆积区坡度的影响,而滑体颗粒的运动特征和结构的相互作用显著受防护结构的位置影响。基于此,为了考虑堆积区坡度的影响,同时指导防护结构选址提供参考依据,在本章,将拦挡结构后移,如图13所示,拦挡结构与坡脚距离d取0.25 m,0.50 m和0.75 m(分别是无拦挡结构时滑体运程的1/4,1/2和3/4处)[27],斜坡坡度α固定为45°,堆积区坡度β取0°,5°,10°,15°和20°进行分析。

图13 拦挡结构布置示意图Fig.13 Schematic diagram of block structure arrangement

3.1 运动速度

滑体颗粒的平均速度随时间的变化曲线,如图14所示。图14(a)展示的是拦挡结构设置在0.25 m处时滑体颗粒平均速度时程曲线。碎屑流颗粒从滑槽上下滑,t=0.66 s时运动到坡脚处,由于拦挡结构设置在距坡脚0.25 m处,前缘颗粒受坡脚的约束作用速度减小,但后缘速度从斜坡上不断下滑得到加速,导致碎屑流颗粒的平均速度增大,直至0.80 s。此时部分颗粒运动到堆积区滑槽上,对后缘颗粒的下滑有拦阻作用,同时前缘颗粒运动到拦挡结构处,与结构碰撞速度减小,平均速度不断减小。堆积区坡度越大,颗粒受滑槽的摩擦力越小,运动速度越快,当t>0.92 s时,堆积区滑槽上的颗粒较多,堆积区坡度对颗粒的作用变大,堆积区坡度为0°的碎屑流颗粒平均速度减速阶段比堆积区坡度为5°~20°的快,曲线开始分离。以上相同的情况,在图14(b)和图14(c)中可以同样观察到,此处不进行过多赘述。对比图14(a)~图14(c)中五条曲线,堆积区坡度的变化,对碎屑流颗粒的平均速度影响不显著。随着防护结构与坡脚的距离增加,堆积区坡度对滑体颗粒的平均速度影响增大。

图14 不同堆积区坡度下平均运动速度时程曲线Fig.14 Time history curve of average moving speed under different stacking slopes

3.2 冲击力

碎屑流颗粒经斜坡加速,运动到堆积区滑槽,与拦挡结构接触产生冲击力。如图15所示,当β<5°时,堆积区坡度对碎屑流颗粒冲击力时程曲线差异不显著;当β>5°时,随着堆积区坡度的增加,峰值冲击力显著增加。

碎屑流颗粒运动到堆积区滑槽上,运动0.25 m之后与拦挡结构发生碰撞,在堆积区滑槽上运动的过程,碎屑流颗粒与颗粒、颗粒与滑槽的碰撞和摩擦,导致碎屑流颗粒的动能被消耗,不同堆积区坡度上拦挡结构所监测到的冲击力峰值小于设置在坡脚处拦挡结构上的冲击力峰值(654 N)。

根据冲击力时程曲线,可以分为波动增加、峰值振荡和逐渐减小三个阶段。波动增加阶段随着堆积区坡度的增加,越不稳定,见图15:堆积区坡度为20°时,拦挡结构在0.82 s时监测到瞬时的极大值(296 N)。当增加堆积区坡度时,碎屑流颗粒以倾斜的角度与拦挡结构碰撞。堆积区坡度越大,碎屑流在堆积区上所消耗的能量越少,前缘颗粒与拦挡结构碰撞时,冲击力作用显著;后缘颗粒的下滑,更容易推移前缘颗粒向前运动。

图15 冲击力随堆积区坡度变化曲线Fig.15 Curve of impact force with slope of accumulation area

拦挡结构上所检测到的冲击力峰值和终值随堆积区坡度的变化曲线,如图16所示。从图16中可以看出,冲击力的峰值和终值都随堆积区坡度的增加而不断增加。

2.对在外经商或务工不愿土地信托流转的部分“农民”,通过各种途径进行宣传教育。这些人本身具有一定的素质和能力,见多识广,有些已经是功成名就的企业家,也热心在家乡搞公益事业,可能和家乡一些领导比较熟,在家乡具有一定的影响力和号召力,他们思想通了,对农村土地信托流转具有极大的推动作用。在重要节假日他们回乡的时候,乡(镇)村干部多走访,召开座谈会,向他们宣传土地信托流转的意义,平时电话多联系,或到他们工作创业的地方多走访,这些人明事理,思想也很开放,做好他们的思想工作相对比较容易。

如图16(a)所示,对于不同位置处的拦挡结构,与坡脚距离为0.25 m处的拦挡结构上的冲击力峰值始终大于0.50 m和0.75 m处。除β为20°时,距坡脚为0.25 m和0.50 m处拦挡结构上所获得最大冲击力相近,为382 N。

图16 冲击力随堆积区坡度变化曲线Fig.16 Curve of impact force with slope of accumulation area

冲击力的终值为滑体颗粒作用在拦挡结构上的静压力,与颗粒最终堆积形态相关。堆积区坡度的增加,滑体颗粒作用在拦挡结构上的有效应力增加,冲击力终值随之增加。当堆积区坡度相同时,拦挡结构与坡脚距离越小,滑体颗粒运动到结构物前所具备的能量越大,对拦挡结构产生的冲击力越大,所以距坡脚处0.25 m的拦挡结构上的冲击力终值始终为最大。但对于0.50 m和0.75 m处的拦挡结构,由于两者与坡脚的距离较大,堆积区坡度较小是,滑体颗粒能量损耗较大不同位置处拦挡结构上冲击力终值差异较大;但随着堆积区坡度增加,两者冲击力终值差异随之减小,当β为20°,冲击力终值大小相等。

3.3 堆积区坡度影响分析

当只考虑堆积区坡度的影响,此时γ=α为固定值,β取0°,5°,10°,15°和20°。此时五种工况下滑体颗粒下滑坡度一致,滑体颗粒运动到坡脚处的运动能量是一致的。

当滑体颗粒运动到坡脚处时,受坡脚约束作用,运动速度迅速减小;另一方面,随着堆积区坡度的增加,滑体颗粒与滑槽碰撞角随之减小,颗粒与堆积区滑槽段的碰撞摩擦所消耗的能量减小。图17为运动到堆积区颗粒的动能变化曲线,从图17中可以看出,随着β的增加,堆积区颗粒动能随之增加,β=0°堆积区颗粒的动能的峰值约为β=20°下颗粒峰值动能的75%。

图17 堆积区颗粒动能变化曲线Fig.17 Curve of particle kinetic energy in accumulation zone

根据滑体颗粒在滑槽上的运动影像获得,滑体颗粒在0.6 s左右附近进入堆积区,0.7 s左右与拦挡结构发生相互作用。为此,当t位于0.6~0.7 s,此时只有部分前缘滑体颗粒进入堆积区,该时段滑体颗粒受坡脚约束和堆积区坡度影响最为显著;当t>0.7 s时,将该过程视为滑体颗粒与结构的作用时段。

基于此,选取0.6 s作为起始时刻,提取堆积区颗粒的平均速度,绘制成如图18所示曲线图。从图18中可以看出,当t位于0.6~0.7 s时,堆积区坡度越大,进入堆积区区域内的颗粒平均速度越大;当t>0.7 s时,随着堆积区坡度的增加,堆积区颗粒的平均速度随之增加。当t=0.7 s,β=20°时,堆积区颗粒的平均速度为3.16 m/s。堆积区对滑体颗粒平均速度的显著差异持续到0.8 s,在此之后滑体颗粒平均速度基本一致。虽然在0.6~0.8 s,堆积区颗粒的平均速度存在较大差异,但该部分颗粒的占比较小,对所有颗粒的平均速度影响较小,所以在图14中并没有观察到显著的差异。

图18 堆积区颗粒速度变化曲线Fig.18 Curve of particle velocity in accumulation zone

对于不同位置的拦挡结构,随着拦挡结构与坡脚的距离增加,滑体颗粒在滑槽的运动距离随之增加,颗粒的动能在运动过程的消耗随之增加,对拦挡结构的冲击力减小。为此,对于d=0.25 m处的拦挡结构上监测到的冲击力始终为最大。然而,堆积区坡度的增加,堆积区对颗粒的约束作用减小,堆积区颗粒的动能和运动速度增加,冲击力的峰值和终值的差异随之减小。

4 场地类型影响

已有的研究以场地类型为边界条件,采用平直型斜坡开展后续工作。然而现实滑坡场地中,碎屑流的运动路径并非都是平直型,碎屑流受到不同场地类型的作用,产生加速、持速、减速过程以及碰撞、阻止等作用方式,影响了碎屑流的运动特性[28]。以场地条件作为研究中的边界条件而不是影响因素来研究碎屑流的冲击效应是不充分。由于不同坡面的坡度,直接影响颗粒的冲击方向和冲击力大小[29],为此本文将滑槽分为上下两段,控制下段的坡度保持不变,通过改变滑槽上段的倾角以此达到不同场地类型。由此以野外典型滑坡为基础,将场地类型分为直线型斜坡、凸面型斜坡(由缓变陡)和凹面型斜坡(由陡变缓),如图19所示,研究三种不同场地类型对碎屑流冲击效应的影响。

图19 三种不同场地类型示意图(mm)Fig.19 Overview of three different site types(mm)

4.1 运动速度

碎屑流颗粒在斜坡上得到加速,斜坡的类型直接影响碎屑流颗粒的运动速度。如图20(a)所示,经直线型斜坡加速后,碎屑流颗粒的平均速度最大值vmax=2.38 m/s。与直线型斜坡相对比,碎屑流颗粒经凸面型和凹面型斜坡加速后,其平均速度的最大值都减小了,vmax分别为2.22 m/s和2.29 m/s。图20(b)为滑体颗粒的最大运动速度随时间变化曲线,曲线初始时刻不为零,主要是存在个别小颗粒未静止,但从图20(a)中可以看出,颗粒的平均速度趋于零,表明个别颗粒的运动速度不影响整体结果。当t>0.43 s时,滑体颗粒经过场地条件转折处,最大速度曲线开始分离,凸面型场地条件颗粒最大速度最大,直线型场地次之,凹面型场地最小。

三种不同斜坡类型下,颗粒的平均速度时程曲线都可以分为加速和减速两个阶段。经凸面型斜坡加速后,碎屑流颗粒的运动路径由缓变陡,经过坡面变化处的颗粒会得到加速。然而得到加速部分的颗粒所占比例较小,同时该部分颗粒并没有得到足够的加速路径,最先完成在坡面上的运动,于t=0.6 s运动到坡脚处,与拦挡结构接触,导致平均速度迅速减小,峰值平均速度最小。对于凹面型斜坡,碎屑流颗粒的运动路径由陡变缓,在坡面变化处受到约束作用,加速度减小,其加速过程先快后慢,导致平均速度的峰值小于直线型。直线型斜坡和凹面型斜坡上的颗粒分别于t=0.67 s,t=0.74 s碎屑流颗粒运动到坡脚处。

对于碎屑流颗粒减速阶段,结合图20(b),凸面型斜坡上的碎屑流颗粒运动到坡脚处的速度最大,受拦挡结构的拦阻作用显著,前缘颗粒堆积在拦挡结构后方,堆积得更快,形成缓冲层,导致后缘颗粒速度迅速减小,平均速度近似于直线减小。当t=1.25 s时,对于直线型斜坡绝大部分滑体颗粒完成堆积运动,平均速度趋于零。而凸面型斜坡条件下,存在小部分碎屑流颗粒越过拦挡结构,落到堆积区滑槽上,平均速度经过一段缓慢的减速阶段,于1.6 s左右趋于静止。碎屑流颗粒经凹面型斜坡加速后,滑体长度变长,碎屑流颗粒的运动厚度变小,与拦挡结构碰撞时颗粒最少,后缘的颗粒不断与前缘堆积颗粒接触,平均速度减小得较慢。

图20 不同场地类型颗粒速度时程曲线Fig.20 Particle velocity time history curve under different site types

4.2 冲击力

碎屑流颗粒经不同类型场地加速后,冲击力时程曲线差异显著。如图21所示,同时结合图20,折线凸面型场地的碎屑流最先与拦挡结构碰撞,碎屑流颗粒运动到坡脚时的动能最大,冲击力急剧增加,并达到峰值,Fmax=721 N。在此之后,由于碎屑流颗粒堆积在拦挡结构后方,后缘碎屑流的下滑与堆积的颗粒碰撞,颗粒的动能在碰撞的过程,一部分动能被消耗;另一部分转化为堆积颗粒对拦挡结构的作用力,但其作用力变小,导致冲击力不断减小。

图21 不同场地类型下冲击力时程曲线Fig.21 Impact time history curve under different site types

经直线型和凹面型场地加速后,碎屑流颗粒与拦挡结构碰撞,起初前缘颗粒与拦挡结构碰撞,冲击力有短暂线性增加,此时拦挡结构后方颗粒逐渐堆积,堆积颗粒对后缘颗粒的反作用力不显著。随着堆积颗粒的不断增加,后缘颗粒受到堆积颗粒的反作用力变大,同时动能消耗变大,冲击力呈现振荡缓慢增加,直线型场地振荡增加持续了0.15 s,凹面型场地振荡增加持续了0.22 s,冲击力峰值分别为654 N,336 N。对比经过三种场地后,拦挡结构上所受到的最大冲击力,折线凸面型场地对拦挡结构的冲击力最大,折线凹面型场地对拦挡结构的冲击力最小。冲击力达到峰值后,冲击力振荡减小,最终维持恒定的终值。经过三种不同场地类型后,拦挡结构上受到静压力相同。

4.3 场地类型影响分析

当只考虑场地类型的影响,通过改变γ值实现不同的场地类型,包括凹面型、直线型和凸面型。对于三种不同场地类型,滑体颗粒从料箱释放,受滑槽坡度变化的影响,颗粒运动状态发生变化,而滑槽下段是一致的,颗粒最终与拦挡结构碰撞方向是保持一致。直线型场地条件下,运动场地并没有发生特殊变化,即为滑体颗粒经历斜槽加速后,与拦挡结构碰撞,速度逐渐减小的过程,不存在特殊的情况,在此不进行过多赘述,为此主要分析凹面型和凸面型场地条件下,对滑体颗粒运动冲击特征的影响。

对于凹面型场地,坡度由陡变缓,当滑体颗粒运动经过场地条件转变处时,由于此时滑体颗粒的运动速度方向是沿着相对陡的滑槽,而坡度突然变缓,滑体颗粒沿着原来的运动方向运动到相对缓的滑槽段,滑体颗粒会与滑槽发生碰撞,增大与滑槽之间的摩擦,消耗滑体颗粒的动能,如图22(a)所示。滑体颗粒继续运动一段距离后,滑体运动速度方向转变成与相对缓滑槽段平行。

对于凸面型场地,坡度由缓变陡,滑体颗粒经过前段滑槽加速后,经过更陡的滑槽时,颗粒会经过二次加速;同时前缘的部分颗粒会发生抛射图22(b),直接飞跃,导致运动到坡脚处时颗粒的最大速度更大。颗粒的运动速度越大,所携带的动能也越大,对拦挡结构的冲击力更大。这与图20(b)和图21中所观察到的现象:最大运动速度与拦挡结构所受冲击力大小排序一致,即凸面型>直线型>凹面型。

图22 颗粒运动示意图Fig.22 Schematic diagram of particle movement

5 结 论

以场地条件为变量,考虑斜坡坡度、堆积区坡度和场地类型对碎屑流冲击效应的影响,可以得到以下结论:

(1)不同斜坡坡度下,颗粒的平均速度时程曲线都可以分为加速和减速两个阶段。斜坡坡度越大,滑体颗粒水平方向重力分量越大,加速度随之增大,导致碎屑流颗粒的平均速度越大;同时,滑体颗粒下落高度固定,滑体颗粒沿斜坡坡面滑动所消耗的能量随之减小,对拦挡结构的冲击力越大。

(2)堆积区坡度的增加,对碎屑流颗粒的平均速度影响不显著;对于冲击力而言,堆积区坡度增加,滑体颗粒与滑槽碰撞角随之减小,颗粒与堆积区滑槽段的碰撞摩擦所消耗的能量减小,冲击力峰值和终值随堆积区坡度的增加。拦挡结构与坡脚距离越远,滑体颗粒在滑槽的运动距离随之增加,颗粒的动能在运动过程的消耗随之增加,冲击力越小。

(3)不同斜坡类型下,颗粒的平均速度时程曲线都可以分为加速和减速两个阶段。凸面型场地条件下,碎屑流颗粒的运动路径由缓变陡,前缘颗粒会经过二次加速、抛射。凹面型场地,坡度由陡变缓,颗粒与滑槽之间的碰撞摩擦增加。最大运动速度与拦挡结构所受冲击力大小排序一致,即凸面型>直线型>凹面型。

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探究物体的平均速度
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基于大数据的远程农业监控器设计
克服视力障碍的二孔插排
露天矿反铲挖掘机处理滑体的方式
滑坡运动中滑体变形解体研究综述