拦挡坝-桩群复合结构的高速滑坡碎屑流拦挡效果

曾金

中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043

滑坡碎屑流灾害是指大规模岩土体在地震、降雨、工程活动等外力作用下突发性失稳，然后在运动过程中逐渐碎裂、解体以致形成复杂的岩土碎屑流动，最终表现为超高的运动速度（大于5 m/s）、超远的搬运距离以及超强的冲击致灾效应［1-2］。2017 年6 月24 日，四川省阿坝自治州茂县叠溪镇新磨村突发高位山体滑坡，掩埋了64户农房和1 500 m 道路，堵塞河道1 000 m，导致10 人死亡，73 人失踪［2］。随着全球气候变暖，极端气候事件频发，加上巨震的长期效应，碎屑流灾害风险依然不容小觑［3-4］。滑坡碎屑流动的高速运动特性是造成灾害防治工程设计难度大的重要原因。超强冲击速度产生的冲击压力在千帕至兆帕级（不考虑大块石的作用力）［5-6］，因此对结构强度设计提出了更高的要求。舟曲泥石流灾害事件中大量钢筋混凝土建筑物被冲击破坏便证明了这一点［7］。因此发展可靠的拦挡工程是当前的研究重点［8-10］。

桩群式拦挡系统由一系列突出地表的、互相组合成一定排列形式的短桩构成。桩群经常作为一种辅助性拦挡措施，一般放置在主拦挡结构或建筑物之后。当滑坡碎屑流通过桩群后，速度会大幅衰减从而降低了在主拦挡结构或建筑物上的冲击破坏作用力，提高了防护结构的安全性。由于桩群施工简单、经济有效，近年来得到了广泛关注，但仍处于研究初级阶段，尚未形成系统的工程设计规范。相关研究多集中在研究桩群的平面布局，如优化单桩间距［11-17］、桩形［18］以及桩群的位置［19］。

部分灾情严重的地区仅依靠拦挡坝一种防护手段只能在一定程度上削减冲击效应，甚至拦挡结构直接会被泥石流冲毁。若将桩群防护体系与现有的拦挡坝组合使用，可以进一步提高防灾减灾能力，降低大变形灾害带来的损失。但目前相关研究较少且不够详细，导致工程结构设计仍缺乏依据。

本文将拦挡坝和桩群两种防护方法结合起来，采用EDEM 离散元软件，研究拦挡坝-桩群复合式结构的防护效果，从滑坡碎屑流堆积形态、流速变化、桩群潜在失效可能性、拦挡坝冲击力降幅等方面对复合结构的防护效果展开分析评价，以期能对实际工程中高速滑坡碎屑流灾害的防灾减灾工程设计提供参考。

1 离散元模拟

采用商业软件EDEM 完成相关数值计算，运用其中一种有效的颗粒接触模型——Hertz-Mindlin（no slip）模型。

1.1 离散元接触模型建立与验证

以方桩桩群为例对桩群和拦挡坝进行布设，简化的计算分析模型见图1。分析模型主要包括加速段（长度为100 m，坡度为50°）、冲击段（长度为100 m，坡度为30°）以及水平堆积段三段。初始滑体简化为规则形状，长50 m，宽60 m，高6 m。参考GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》及文献［14，20-22］对各个参数进行取值，见表1。经验证［23-24］，模型准确。

表1 离散元计算参数

图1 离散元计算模型

1.2 模拟工况设置

根据不同防护结构类型共进行了8 次模拟试验，分别探究滑体材料在自由滑动（1-F）、设拦挡坝防护措施（2-R）、设方桩桩群防护措施（3-S）、设三角形桩桩群防护措施（4-T）、设圆桩桩群措施（5-R）、设方桩桩群-拦挡坝复合式防护措施（6-SR）、设三角形桩群-拦挡坝复合式防护措施（7-TR）、设圆桩桩群-拦挡坝复合式防护措施（8-RR）八种不同条件下的运动堆积特性。本文旨在研究不同拦挡结构形式的有效性，不考虑桩体破坏、整体拔出等情况，因此在模拟中桩体底部完全固定，并采用刚性构件代替桩体。

在桩群-拦挡坝组合式防护结构计算工况中，在6-SR、7-TR、8-RR计算工况中，在拦挡坝前设三排桩组成的桩群，三种桩桩高均为8 m，圆桩桩径5 m，方桩和三角形桩边长为5 m；拦挡坝长度与第一段坡和第二段坡等宽均为60 m，拦挡坝高10 m。桩群的第一排距离坡面分界线19 m，第三排与拦挡坝相距30 m，桩群的桩间距为6 m，排间距为18 m。拦挡坝高10 m，桩群高8 m，均大于1.5倍的流深。计算工况中设定的几何尺寸参数是根据文献［12-13］选取的最佳参数。

2 数值模拟结果分析

2.1 滑坡碎屑流的堆积形态

以俯视视角，分析了1-F、2-R、3-S、4-T、5-R、6-SR、7-TR、8-RR 八种计算工况下滑体材料最终堆积形态，见图2。其中红线为拦挡坝。可知：在越流现象发生的前提下，设置拦挡坝或桩群等防护形式，会对下游地区受影响范围产生削弱作用，降低下游地区承受的灾害风险，也证明了设置拦挡坝、桩群等防护结构的有效性。对于桩群的模拟分析，根据文献［12-13］对桩群的布设进一步优化，对比采用单一防护结构对滑坡碎屑流运动距离的拦截作用时，发现在滑动区设置桩群对于滑坡碎屑流的拦挡效果有较大的优势。

图2 各计算工况下滑体最终堆积形态（俯视）

进一步分析3-S、4-T、5-R 三种单一桩群工况发现，滑坡碎屑流的侧翼受到的来自于桩群的阻力相对小一些，故在堆积区的分布有显著的分区现象，滑体在两侧的滑动分布范围要比中间部分滑体的滑动分布范围大。当采用拦挡坝-桩群复合式防护措施时，对滑坡碎屑流的拦截效果更好，大大减少了越流通过拦挡坝的滑体体积；拦挡坝-方桩桩群复合结构的防护效果要明显好于拦挡坝-三角形桩桩群复合结构、拦挡坝-圆桩桩群复合结构。

以侧视视角比较分析3-S、4-T、5-R、6-SR、7-TR、8-RR 六种计算工况下桩群堆积量，见图3。结合图2和图3可知：方桩对于滑坡碎屑流的拦截能力更强，其桩后堆积量的高度要明显大于其他两种桩形，在这三种桩形中，方桩对滑体的拦截能力要强于圆桩，三角形桩对于滑坡碎屑流的拦截能力要明显弱于其他两种桩形。方桩桩群的防护效果更好，与其在桩后拦截滑体并使之堆积的能力强是密不可分的，但过多的堆积量会增大堆积滑体对桩群的冲击作用力，增大其破坏的可能性。

图3 不同计算工况下滑体最终堆积形态（侧视）

2.2 滑坡碎屑流流速变化

以俯视视角，分析了1-F、2-R、6-SR、7-TR、8-RR五种计算工况下滑坡碎屑流在不同时刻的流速与堆积形态，见图4。可知：①对比1-F 和2-R 工况，发现拦挡坝的存在有效减弱了滑坡碎屑流的运动速度，并拦截了相当大一部分进入下游堆积区的滑体。②对比2-R 与6-SR、7-TR、8-RR 工况发现，拦挡坝-桩群复合结构有效加强了对滑坡碎屑流速度的削弱能力和对滑体物质的拦截效果。③分析6-SR工况发现，当滑坡碎屑流流经第一排桩群时，方桩对于滑体的拦截能力较好，部分颗粒遇到方桩时产生了很大的速度降幅，并逐渐堆积在方桩后，同样的情况也发生在当流经第二排桩和第三排桩时。滑坡碎屑流在流经桩群时被分成了若干支流，由于桩群中的方桩是错落分布的，故而每排桩都对滑坡碎屑流的速度起到了很好的削弱作用。由于两侧的支流受桩群分流的作用相对较少，运动速度受到的桩群削弱效果也相对较弱。滑坡碎屑流两侧的支流有较好的流动连续性，两侧的支流也是最早通过桩群到达拦挡坝的，这也解释了图2 中出现的堆积形态。④6-SR 与7-TR、8-RR 工况对比时发现圆桩桩群也发生了类似于方桩桩群的桩后减速堆积现象，但圆桩对于桩后滑体的速度降幅较方桩更小，桩后减速并逐渐堆积的物质量明显少于方桩桩群，而三角形桩桩群在这方面的能力更弱，滑体在桩后的速度降幅和堆积量明显少于方桩和圆桩，这一现象在14.5 s时的对比最明显。桩群对于滑坡碎屑流的分流现象同样也出现在了圆桩桩群和三角形桩桩群中。⑤在16.0 s时滑坡碎屑流的流速和流动状态有了最大的差异。在流动形态方面，在16.0 s 时当前缘刚刚抵达6-SR 工况方桩桩群的第三排时，8-RR 工况中前缘已经流出圆桩桩群，7-TR 工况中通过三角形桩桩群的滑体颗粒已经形成了支流向拦挡坝靠近。在流速方面，发现滑体在16.0 s 通过方桩桩群的速度明显小于通过三角形桩桩群和圆桩桩群。但方桩两侧的支流在靠近第三排桩处的速度却明显大于三角形桩和圆桩，这是因为三角形桩桩群和圆桩桩群的分流作用，通过桩群的滑坡碎屑流以一定角度流出，通过第三排桩的部分滑体与两侧支流靠近第三排桩的滑体相互作用，对流速产生了削弱作用。

图4 滑坡碎屑流典型时刻的流速分析

2.3 桩群结构失效可能性分析

桩群结构的失效可能存在两种情况：①滑坡碎屑流沿桩顶发生越流从而降低桩群能量耗散作用；②桩群发生冲击破坏从而失去拦挡功能。

方桩桩群、圆桩桩群、三角形桩桩群典型时刻的越流分析见图5。除13 s，其余3个时刻是滑坡碎屑流通过桩群不同排、溢流高度达到最大值对应的时间。

图5 桩群越流分析

由图5 可知：方桩桩群与圆桩桩群有类似的越流构型，且滑坡碎屑流在通过方桩桩群不同排数时，滑坡碎屑流的越流高度达到峰值的时间均晚于圆桩桩群。滑坡碎屑流在通过三角形桩桩群时的越流构型与前两种桩形的桩群区别较大，与前两种桩形的桩群相比，除第一排桩外，每排溢流最大高度出现的时间都要早于前两种桩形。这种现象的产生与桩形的导流效果有关。

不同桩形条件下峰值越流高度见图6。可知，不论是何种桩形的桩群，滑坡碎屑流在通过第一排桩时发生的越流现象最为显著，在通过最后一排桩时发生的溢流现象相对较弱。综合来看滑坡碎屑流在通过方桩桩群时发生的溢流现象最强，而在三种桩形中，三角形桩桩群中溢流现象相对较弱。

图6 桩形对峰值越流高度的影响

滑坡碎屑流在6-SR、7-TR、8-RR 工况时的越流现象见图7。可知：虽然滑坡碎屑流在经过三种桩群时都出现了越流现象，但是产生越流现象的原因却不尽相同。方桩桩群和圆桩桩群中，越流现象出现的成因类似，部分滑体颗粒在桩后减速堆积，后续运动的颗粒通过堆积的颗粒爬升整体越过方桩和圆桩，产生了越流现象。而三角形桩产生越流现象的机制却不同于前两种桩形，7-TR 工况时滑坡碎屑流在流经三角形桩桩群时发生了分流现象。因为桩群的侧限作用，导致支流的流深比三角形桩更高，侧面观察时同样发现了越流现象的产生，但本质上讲两种越流现象产生的原因不同。

通过追踪颗粒与桩体的接触作用力并对所有接触力进行求和，从而获取滑坡碎屑流对桩群的总冲击作用力。三种不同桩形桩群的冲击力时程演化特性见图8。可知：在三种桩群中，承受冲击力峰值最大的都是桩群的第一排，而后冲击力峰值逐步降低。方桩桩群的三排桩所承受的峰值冲击力约为19 × 10³、13 ×10³、8 × 10³ kN，圆桩桩群的三排桩所承受的峰值冲击力约为16 × 10³、12 × 10³、6 × 10³ kN，三角形桩桩群的三排桩所承受的峰值冲击力约为12 × 10³、7 × 10³、4 × 10³ kN。三种桩形中，三角形桩桩群所受的峰值冲击力是最小的。在滑坡碎屑流运动结束后，对比三种桩群第一排桩所承受的冲击力，可以发现圆桩和三角形桩的冲击力基本为0，而方桩还需承受约10³ kN 的冲击力，这一点也与方桩对滑坡碎屑流具有较好的拦截能力有关。就破坏可能性而言，三角形桩桩群比其他两种桩形好。

2.4 拦挡坝冲击作用力分析

选取2-R、6-SR、7-TR、8-RR 工况中拦挡坝的冲击力进行分析，各工况中拦挡坝所受的冲击力时程曲线见图9。可知：①当仅设置拦挡坝一种防护结构时，拦挡坝在15.0 s 左右开始受到来自滑坡碎屑流的冲击力，而后急剧上升，在17.5 s 左右达到峰值，再后冲击力减小到1×105kN 左右趋于稳定。②在设置了桩群-拦挡坝复合结构的6-SR、7-TR、8-RR 工况中，冲击力总体上呈上升趋势，而后逐步达到稳定值。③桩群-拦挡坝复合结构的工况中，冲击力的增长斜率明显小于仅设置拦挡坝一种防护结构的计算工况，这也正体现了复合式防护体系的优势。④设置了方桩桩群-拦挡坝复合结构工况的冲击力增长斜率低于圆桩桩群-拦挡坝复合结构，也低于三角形桩桩群-拦挡坝复合式防护体系。这也说明了综合使用方桩桩群和拦挡坝组成的复合式防护体系其防护效果要高于用圆桩、三角形桩同拦挡坝组合使用的复合式防护体系。

图9 拦挡坝上的冲击作用力分析

拦挡坝上的冲击力情况见图10、图11。可知：桩群-拦挡坝复合结构对拦挡坝所受的冲击力峰值和滑动结束后的冲击力稳定值都有很强的削弱作用。在方桩、圆桩、三角形桩的桩群与拦挡坝组成的复合结构中，方桩桩群对冲击力峰值降幅为三种桩形中最高，为70.45%；对冲击力稳定值降幅为48.30%，也高于另外两种桩形。

图10 不同计算工况下拦挡坝上的冲击力峰值和稳态冲击力

图11 桩群对拦挡坝冲击力的影响

复合式防护结构对冲击力峰值和冲击力稳定值的削弱机制不同，冲击力峰值降低的原因是桩群-拦挡坝复合结构大大降低了颗粒流在抵达拦挡坝前的速度，进而影响了其动能，致使拦挡坝所受的冲击力峰值远低于仅设拦挡坝一种防护结构的情况。冲击过程和滑坡碎屑流的滑动过程结束后，拦挡坝所承受的来自于堆积体的静止土压力，而由于桩群拦截了相当数量的颗粒，致使冲击过程结束后在拦挡坝前堆积的滑体总量显著减少，进而影响了其冲击力稳定值。

3 讨论

本文的研究重点在于拦挡坝-桩群复合式结构对高速滑坡碎屑流的拦挡效果。进一步构建科学的拦挡结构设计方法，还应加强以下三个方面的研究。

1）干碎屑流与桩群相互作用机制。目前的研究多注重于碎屑流通过桩群后流滑速度和距离的变化或作用在工程结构上冲击力的衰减情况，而碎屑流在通过桩群时的细观行为并未得到深入研究。特别地，对于碎屑流动力学特征（Froude 数）以及颗粒特征（粒径与桩群间隙的比值）对相互作用机制的影响也缺乏详细的研究，而这对于理解碎屑流对桩群的冲击效应至关重要。

2）碎屑流对桩群拦挡结构的冲击动力过程。目前在相关研究中，桩群被视为刚性，以充分关注其对碎屑流的减速耗能效应，但是对于碎屑流沿桩群的爬升高度、对桩群的冲击作用力等冲击效应问题研究不足，而这对于桩群高度以及其强度的设计至关重要。

3）桩群拦挡结构设计方法。桩群拦挡结构目前并未有相关规范可以参考，现有的设计方法，例如冲起爬高高度计算以及冲击力计算都更多是针对封闭式拦挡结构［25］，仅有较少的研究提出了针对缝隙坝的冲起爬高计算方法［21］以及冲击动压力系数与Froude数的关系［26］。对于桩群系统而言，其功能及平面布局形态与缝隙坝有着本质不同，桩群拦挡结构的横向拦截率（拦挡宽度与流动宽度的比值）要求在40%以下，而缝隙坝要求在40%以上［27］。目前的研究仅对桩群的平面局部给予了相关的建议，仍缺乏基于动力过程的桩群拦挡结构设计方法，而这对合理确定桩群的高度以及强度至关重要。同时碎屑流动是高度非稳态和物质非均匀的，如何在设计中合理考虑也是应当特别注意的。

4 结论与建议

1）设置桩群-拦挡坝复合式防护体系可减小滑坡碎屑流灾害在下游地区的影响范围，且方桩桩群与拦挡坝组合形成的复合式防护体系较其他两种桩形而言对颗粒流有更好的拦截能力。

2）滑坡碎屑流在流经方桩桩群时的溢流特性要强于圆桩桩群和三角形桩桩群，且方桩桩群所承受的来自颗粒流的峰值冲击力也更大。而三角形桩桩群在这方面的表现优于其他两种桩形。

3）方桩桩群对滑坡碎屑流的速度削弱能力更强，圆桩桩群次之，三角形桩桩群最小。

4）在相同滑体方量的条件下，采用方桩桩群与拦挡坝组合形成的复合式防护体系的作用效果更好，方桩桩群对冲击力峰值降幅为三种桩形中最高，为70.45%；对冲击力稳定值降幅为48.30%，也高于另外两种桩形。

5）综合来看方桩桩群能更好减弱滑坡碎屑流对拦挡坝的冲击力，方桩桩群与拦挡坝组合形成的复合结构具备更优的拦挡效果。建议采用较大的桩高以避免越流现象，同时建议采用垫层等措施保护桩群，避免发生冲击破坏。