李永超 張宜偉 何沛陽 朱澤宇 許峰博

(吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130000)

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泥石流堆積長度與地形條件關系的數(shù)值模擬研究★

李永超 張宜偉 何沛陽 朱澤宇 許峰博

(吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130000)

以長白山某處泥石流堆積體為對象，使用SPH方法，研究了物源區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)的坡度對泥石流堆積長度的影響，并采用室內(nèi)泥石流模擬裝置進行對比驗證試驗，模擬結果表明，泥石流的堆積長度隨地形條件的改變而逐漸發(fā)生變化，且受堆積區(qū)坡度的影響最大。

泥石流，地形條件，數(shù)值模擬，堆積長度

0 引言

在全世界范圍內(nèi)，每年都有數(shù)以萬次的泥石流災害發(fā)生，僅在中國，2009年就發(fā)生了1 400多次泥石流災害，由于其暴發(fā)突然、來勢兇猛、迅速，很難做到提前防范，致使每次大型泥石流發(fā)生時都會給當?shù)鼐用窈铜h(huán)境帶來嚴重的災害，對人民和國家造成無法估計的巨大損失。因此，為了減少泥石流造成的危害，有必要對影響其最終堆積范圍的地形條件進行研究。

室內(nèi)泥石流物理實驗模擬裝置雖可以對泥石流運動過程進行模擬，但由于實驗平臺限制，只能進行小型模擬，且成本較高，因此不少學者開始轉(zhuǎn)向通過計算機對泥石流進行仿真模擬。其中一些學者采用基于網(wǎng)格的數(shù)值方法，如三角網(wǎng)格的有限差分法、FVM法等對潰壩泥石流的運動進行了研究[1]。但是基于網(wǎng)格的數(shù)值方法存在一些不足之處，如在計算流體動力學中大變形、自由表面等問題時，網(wǎng)格會產(chǎn)生畸變，導致誤差較大或無法進行[2]。因此本文采用無網(wǎng)格算法中的SPH方法對泥石流進行模擬，并用室內(nèi)物理模擬實驗對數(shù)值模擬結果進行驗證，最終得出泥石流的堆積長度隨地形條件的改變而逐漸發(fā)生變化，且受堆積區(qū)坡度的影響最大。

1 數(shù)值模型的建立

本文主要研究泥石流堆積長度與地形條件的關系，為分析泥石流的堆積情況，建立了二維地質(zhì)數(shù)值模型，該模型的核心算法為SPH(光滑粒子流體動力學)算法，其基本思想是將連續(xù)的流體假設為由一個個相互作用的微粒組成，這些粒子相互影響，共同形成了復雜的流體運動，從而把對泥石流的研究轉(zhuǎn)化為對粒子集合體的研究。

試驗中，通過改變物源區(qū)、流通區(qū)以及堆積區(qū)的坡度，來研究泥石流的堆積情況。根據(jù)野外現(xiàn)場調(diào)查得到的資料，發(fā)現(xiàn)該地泥石流物源區(qū)坡度在5°～20°之間，中游流通區(qū)縱坡較大，坡度在15°～25°之間，下游地勢平坦，小于5°。為了解當?shù)啬嗍鞯奈镔|(zhì)成分，從野外取樣在實驗室內(nèi)進行篩析試驗，得到松散堆積物的物質(zhì)組成及其他物理力學性質(zhì)指標。數(shù)值模擬時，為使研究方便，假設各地形邊界條件是不可穿透的，即泥石流在運移過程中，不考慮滲透問題。

野外泥石流堆積物的物理性質(zhì)指標見表1。

表1 土樣物理性質(zhì)指標測試結果

2 模擬結果分析

以野外泥石流區(qū)地形條件為參考，建立數(shù)值模型并進行模擬，之后使用吉林大學室內(nèi)泥石流模擬裝置來對數(shù)值模擬結果進行檢測，室內(nèi)模擬裝置見圖1。本次試驗包括三組，分別用來研究物源區(qū)坡度、流通區(qū)坡度和堆積區(qū)坡度單獨作用對泥石流堆積長度的影響，建立單因素試驗的數(shù)學模型。由于篇幅有限，只截取堆積區(qū)實驗數(shù)據(jù)進行說明。

實驗時，控制水源量25 L，控制供水流速為1 L/s，供水時間25 s，控制物源區(qū)坡度12°，流通區(qū)坡度18°，并保持不變，之后依次改變堆積區(qū)坡度，得到堆積長度。

實驗結果如表2，圖2所示。

表2 堆積區(qū)坡度與堆積長度關系

由實驗數(shù)據(jù)可知，兩種模擬結果較為相似，數(shù)值模擬結果的正確性得到保證，觀察擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)隨堆積區(qū)坡度變大，堆積長度逐漸變大，且這種變大趨勢在逐漸增長，即堆積長度的增長速度越來越快，對這種現(xiàn)象的解釋為，隨堆積區(qū)坡度的增大，泥石流下滑時重力產(chǎn)生的下滑力在增大，堆積長度變大，當堆積區(qū)坡度增大到與流通區(qū)相接近時，堆積區(qū)將變成流通區(qū)，泥石流將不再堆積，堆積長度無限增大。圖3為數(shù)值模擬堆積區(qū)分別為1°，2°，3°時堆積情況。

3 結語

1)在本文中，數(shù)值模擬軟件已經(jīng)開發(fā)出來，可以得到靜態(tài)和動態(tài)的可視化模擬結果，使得更容易被理解和分析。

2)該軟件除可以研究泥石流堆積長度與地形條件的關系，還可以得到泥石流運動過程中的其他參數(shù)，包括速度等。

3)數(shù)值模擬結果與相應的模型試驗實測數(shù)據(jù)基本吻合，但在物源區(qū)模擬情況有一些誤差，還需改進。

4)NSL模擬器只能做二維平面上的模擬，不能做三維方向上的分析，具有一定的局限性。

[1] 廖 謙,倪晉仁,曲軼眾,等.陣性泥石流運動與堆積的歐拉—拉格朗日模型——Ⅱ應用[J].自然災害學報，2009,9(4):53-58.

[2] 焦培剛,基于SPH的流體仿真數(shù)值算法及工程應用研究[D].濟南:山東大學,2010.

Research on numerical simulation of debris flow packing length and terrain condition relationship★

Li Yongchao Zhang Yiwei He Peiyang Zhu Zeyu Xu Fengbo

(Construction Engineering College, Jilin University, Changchun 130000, China)

Taking a debris flow packing body in Changbai mountain as the research object, this paper used SPH method researched the influence of provenance area, circulation area, packing area slope to debris flow packing length, and using indoor debris flow simulation device made comparison verification test, the simulation results showed that, the packing body length of debris flow changed gradually along with the change of terrain conditions, and the influence of packing body slope is the largest.

debris flow, terrain condition, numerical simulation, packing length

1009-6825(2016)12-0047-02

2016-02-17★：吉林大學大學生創(chuàng)新項目資助(項目編號：2014A63266)

李永超(1995- )，男，在讀本科生； 張宜偉(1993- )，男，在讀本科生； 何沛陽(1993- )，男，在讀本科生； 朱澤宇(1992- )，男，在讀本科生； 許峰博(1996- )，男，在讀本科生

P642.23

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