文摘
滑坡动态特性的研究和积累模式的滑坡灾害的定量评价具有重要意义。本文以唐家山滑坡为研究案例,一个真正的三维模型建立了基于高精度DEM数据确定的地形特点和预处理和postlandslide图像数据来确定滑动体的形状和大小。颗粒流的3 d程序(PFC3D)进行重新出现的完整运动唐家山滑坡。和动态特性等因素监测和分析滑坡的速度和位移的身体。结果表明,唐家山滑坡是一个traction-type滑坡,持续约37年代总共可以分为四个阶段:扰动和破坏,崩溃和加速滑动,高速滑动,减速和积累。的最大滑动距离约为642.05米,最大滑动速度约为38.67 m / s。这是一个典型的高速短程滑坡,身体表面滑动的速度远远大于其他部分,它显示一个明显的碎屑流的特征。唐家山滑坡的滑动距离的控制因素,确定滑坡在不同位置的速度。
1。介绍
在自然界中,滑坡是最常见的一种地质灾害,造成巨大威胁人类生命和财产的安全。山体滑坡的动态演化特征的研究具有重要意义的定量和定性评价滑坡灾害,为防灾减灾提供指导。近年来,随着计算机技术的迅速发展,数值模拟已广泛应用于滑坡灾害研究以其突出的优点,如成本低、重复性好,容易和灵活的参数设置(1]。黄等。2- - - - - -5)复制完整的高速远程滑坡运动过程通过谈判等各种模拟方法和有限差分法进行了深入研究在远程高速远程滑坡的滑动机制。赵et al。6)结合仿真和实验流化,进行全面、系统的研究,揭示了滑坡碰撞期间瓦解和分裂的影响,空气动力学效应在高空飞行阶段,和高速滑动机制。
颗粒流代码(PFC)计划更广泛应用于滑坡动力学问题的研究由于其丰富和灵活的接触模型,可以模拟不连续,如位错和分离的媒体(7- - - - - -10]。Lo et al。11- - - - - -13]PFC3D使用数值模拟方法来转化岩石滑坡的破坏和运动过程,结合特定的地质构造分析和探讨滑坡破坏。邹et al。14,15)复制Jiweishan滑坡的完整的动态过程通过数值模拟程序土坡基于现场机械试验测试,并揭示了沉积特征和Jiweishan滑坡的长途传输机制。周et al。15,16推断两山体滑坡发生在沟区通过PFC3D离散单元程序并结合其特定地质条件评估两个山体滑坡的风险。陈等人。17,18]分析了具有不同特点的地震力对边坡破坏的影响和滑坡运动过程基于地震滑坡的例子,结合离散单元数值模拟。尽管PFC3D数值模拟程序的研究已广泛应用于滑坡问题,传统的三维地形建模方法繁琐等缺点而受到批评和复杂的操作和无法控制的准确性。因此作者采用了犀牛一站式造型的方法。地形表面是第一个直接生成犀牛的内置插件,然后转换为地形的身体组成的一个合适的三角网根据犀牛的基本功能,最后导出格式适合PFC3D根据犀牛的格式转换功能。学者们他们的研究集中在滑坡灾害的地质条件和地质特征对滑坡的影响运动和积累过程,而研究滑坡的力学和动态演化特性仍相对稀缺。
摘要滑坡研究的机械和动态演化特征,及其运动特点是定量和定性分析。唐家山滑坡,超大型的岩石滑坡,是作为对象,一个真正的三维模型构造根据高精度DEM数据和图像预处理和postlandslide数据。根据室内单轴实验滑动体的岩性、精细参数测定。使用PFC3D数值模拟软件,完整的唐家山滑坡是反向的过程。并通过分析特征数据,如速度、位移,轨迹,和滑坡的形态,唐家山滑坡的动态演化特征显示,动态特性研究提供参考和类似滑坡的动态过程。
2。地貌和地质特征
2.1。地形
唐家山滑坡位于河的右岸铜扣,大约4.5公里上游的北川县。铜扣河主要支流之一的剑河,和唐家山位于河的中游,河流狭窄陡峭的地方。的上部边坡是温柔的大约30°,下部是陡峭的约50°。唐家山的顶部是约1800米,滑源面积约1270米,与Dashuiwan左边滑源区,Yijiawan右上角,元和大坝另一侧。和Loufangping村庄内部的一面元和大坝,元和大坝的斜率是约180约25°的缓坡上,陡边坡约45°较低的一侧(19- - - - - -21]。唐家山的地貌特征如图所示1。
2.2。地层岩性
唐家山斜坡根据岩性可分为两层:上层是强烈弱风化凝灰岩厚度约8-25 m;较低的层是新鲜、未风化的灰色泥灰岩的近似厚度55米,点缀着柔软和弱使层。唐家山滑坡源面积除以岩石结构,从底部到顶部,与完整的叠层岩体,略有风化层压破碎岩体,强烈风化松散的身体积累。岩石结构概要图所示2。
2.3。滑坡特征
唐家山滑坡高速短程地震诱发滑坡。大地震发生时,滑坡前缘的身体第一次被损坏,以及地震的强度继续增加,裂缝前缘双方逐渐渗透,和幻灯片的引力的拉力下,裂缝也出现在滑体的上边缘,然后滑的身体开始向下滑动(14]。由于山的险峻,滑坡影响高速向下然后元和大坝撞到对岸,形成一个巨大的滑坡坝。根据滑坡破坏形式的分类,唐家山滑坡属于牵引破坏山体滑坡;根据滑坡岩土体的类型,唐家山滑坡又属于岩石滑坡;根据滑坡体的规模,唐家山滑坡又属于巨型滑坡(23]。
2.4。滑坡来源区域
唐家山滑坡的滑坡源区位于唐家山的北方向,整个圆和椅子的形状,其中中央下方是最宽,最宽约550米,平均宽约500米,长约820米的平均长度约700米,估计面积是3.15×105米2。中央下方的滑坡源面积最厚,上下两边逐渐变薄,最厚的部分约80米,最薄的部分是约20米,平均厚度约57米,估计体积约为2×106米3。大多数源区略有风化泥灰岩,与较低的泥灰岩含泥和薄弱的夹杂物和一定厚度的强烈风化表面松散堆积。
2.5。分析滑坡运动的沉积过程
强烈地震后的斜率唐家山地震力的作用下,较低的边缘滑源区首先产生裂纹,然后地震力和重力的共同作用产生了拉裂缝的上边缘滑源区,连续地震力的作用,裂缝变得越来越深,直到整个渗透整个滑源区。通过裂缝形成后,幻灯片开始向下加速。由于陡峭的高山斜坡,幻灯片的迅速加速到前沿的脚挤进元和大坝,在加速过程结束。的作用下高速碰撞产生的巨大的影响,大量的岩石碎片飞出,和破碎的前沿幻灯片向前继续影响到一定高度之前停止和回落到铜扣河重力的影响下。由于狭窄的河道沉积大量的滑坡,坠入通口河完全封锁,形成一个超大型滑坡坝。结合现场地质地形条件,分析推断出,滑体不损坏滑动的过程中,除了底部,由于摩擦而导致一些岩石破碎的地形,和其他的内部结构不受损,直到滑体元和大坝的影响。巨大的影响破坏了滑体的岩石结构,产生大量的碎片。
3所示。维度模型的建设唐家山滑坡
3.1。接触模型的选择
与有限元素,可以直接指定材料的宏观参数,PFC(颗粒流)需要一个内在联系的粒子模型来表示目标材料的宏观物理力学性质。通过建立一个合理的和简单的接触模型对不同的模型,它可以代表各种非线性和复杂的内在属性的不同组合形成的粒子。只有通过定义的内在联系模型PFC3D模型可以用来计算粒子的力学行为在下一步和最终的物理状态的粒子,从而反映出整体变形和运动通过不断的重复力-位移定律和牛顿第二定律。
在颗粒流,三个内在模型是常用的:Contact-stiffness模型、滑移模型,结合模型,它描述粒子之间的弹性关系,滑动过程,分别和成键特性(24]。刚度模型描述了颗粒之间的力和变形的关系,滑动模型描述之间的关系正常的接触力和切向力,和粘结模型描述了限制的大小正常的接触力和切向力和失败的债券一旦超过键的强度。线性刚度模型、滑动模型,平行粘结模型为本文选择和制定如下。
3.1.1。线性刚度模型
线性接触刚度模型,一个最基本的颗粒流模型,可以应用于大多数情况下。线性接触刚度模型定义了两个粒子之间的刚度,刚度定义共同的粒子和 。其主要参数(正常的刚度)和(切向刚度)N / m。
在哪里和正常的刚度两个粒子吗和分别在接触;和两个粒子的切向刚度吗和分别联系。
3.1.2。滑动模型
滑动模型,主要用于描述粒子之间的相对滑动,指定切向接触和正常的力量之间的关系。给定一个定义的法向力,滑动时,会发生粒子之间的切向力超过了一个特定值。滑动接触模型不能承受正常的拉力。摩擦系数的主要参数是联系 ,这是较小的值时,两个粒子有不同的摩擦系数 。当粒子之间的重叠 ,联系失败,正常和切向力为零;当 ,之间的相对滑动接触球时,正常和切向力的联系消失,和滑动接触模型继续行动。值得强调的是,自从点接触滑动模型,其参数摩擦系数并不完全等于宏观摩擦系数 ,这是面对面的学习。所不同的是,他们通常是不平等的数值,和滑动模型通常存在于与其他模型。
3.1.3。平行粘结模型
平行粘结模型代表的内在属性内夹层或胶凝材料颗粒接触的小空间。当接触,可以想象,联系粒子填充一定量的水泥覆盖它们,用力量和作用于他们的时刻。平行债券模型可以被认为是几个弹簧接触,安排的组合刚度对应的正常和切向刚度接触模型,分别。平行债券模型不仅抵抗拉力四面八方,也指其他一些特定的弯矩,因为接触的平行键接触模型不是一个点而是一个表面半径的连接按钮。强调或倾向于移动粒子时,力量和时间产生的接触,但当这些力量的总和或时刻,切线或正常方向大于切向或正常的键的强度,债券将打破。
有五个平行键模型的主要参数,即债券半径,正常和切向刚度,正常和切向粘结强度。债券半径控制接触表面的性质,正常和切向刚度控制变形的正常和切向粘结强度的接触和联系的强度控制。
3.2。测定细滑体的物理力学参数
颗粒流数值模拟,参数的合理性直接关系到数值模拟的结果。研究人员从事工程研究,实验是最基本的手段,确定岩土体的参数(25]。本文的强度参数上下强烈风化凝灰岩新鲜灰色ridge-bearing泥灰岩的幻灯片分别测定室内单轴压缩试验结合工程地质手册(中国建筑工业出版社,2018年)。
在确定岩石的基本力学参数,模拟岩石的单轴压缩试验(图3)被用来反复调整好视图参数反复试验,结合滑坡的实际运动特性仿真反演,终于决心和合理的罚款视图参数模拟唐家山滑坡(表1),它实现了基本的一致性与唐家山滑坡运动和积累的过程。
3.3。三维地形和滑动的身体造型
PFC模拟边坡问题通常可以分为两个模型类型,Ball-Ball模型和Ball-Wall模型。前者充满滑体和滑床颗粒,适合没有发生山体滑坡,或者滑动面不能确定,一般可以用来预测滑坡破坏表面。然而,它也有许多的缺点粒子,计算效率低,难以合理确定粒子参数,并倾向于生产大错误。后者区分滑床,满是粒子,和滑床,所生成的一堵墙,是理想的刚体,一般用于滑坡已经发生或可以发现一个明显的滑动面,用更少的粒子,更高效的计算,和相对容易确定参数(26]。考虑到计算机的性能和滑坡特征,摘要Ball-Wall模型,建模步骤大致如下。(1)首先,根据高精度DEM滑坡前后,结合现场地质调查结果,确定滑坡源区域的范围。利用三维造型软件犀牛、DEM数据转换为三维表面,其中一个是保留在重叠和下部是保留,它不滑坡床;的上、下部分的两个表面相交形成一个封闭曲面,保留区域的滑坡模型的来源。使用烤盘网格划分功能,将滑床和滑源区划分为相应的三角网格(2)因为PFC只能识别文件DXF和STL格式,导出的模型是独立于STL格式的犀牛。使用“几何进口”命令,滑动床和滑动体三角网格模型导入到PFC墙边界,分别为(数字4和5)。使用滑动墙边界模型范围,球分布范围命令用于生成一个合理的粒子数与特定需求填补滑源区。重力通过万有引力模型设置命令允许颗粒积累下的自然重力(3)在粒子生成的早期阶段,由于大重叠,时间步长设置为1,粒子模型解决命令,这样平衡的粒子之间的不平衡力接近0(图6)。(4)分配参数表1滑坡模型然后删除墙滑源区。墙上的缺失破坏了粒子的初始平衡状态,粒子的不平衡的内应力会导致许多流行。在这一点上,设置粒子速度为零在某个时间步通过循环蛤命令,迭代不断获得最终的均衡模型,最后通过球粒子速度和位移零分发命令。最后,使用引力模型命令设置重力
(一)
(b)
(c)
(d)
3.4。监控点设置
本研究的目的是转化唐家山滑坡的动态过程,通过数值模拟监视和记录的速度,位移变化,和轨迹的不同部分滑坡damage-movement-accumulation的整个过程中,它可以反映滑坡的每个部分的运动特征在一定程度上(8]。滑坡分为三个部分在前面,中间,来回滑动方向的顺序,共有16个监控11 - 16粒子数,5 - 10,分别和1 - 4被均匀地放置。
3.5。地震波的选择和应用
摘要汶川地震的地震波记录在卧龙站处理根据8级罕见的地震,和加速度在x方向上的最大大小是400厘米/秒2,在y方向上的加速度的最大大小是400 cm / s2,在z方向加速度的最大大小是400厘米/秒279年代,一个动态的持续时间和一个0.005秒的时间间隔。过滤后的加速时间曲线如图7,第一次选择37年代被应用到模型的地理EW方向,NS,和UD方向,分别的时间间隔为0.01年代,作为计算的输入。
(一)
(b)
(c)
4所示。分析边坡破坏和运动过程
4.1。山体滑坡的动态进化过程
为了更好地观察到的运动和变形过程的每个部分岩土体在滑动的运动,不同部分的幻灯片是染色和分组之前,期间和之后的移动幻灯片,和彩色的分布的比较和分组粒子在不同阶段的滑动运动,结果发现,大多数的岩土体的空间分布模式的幻灯片(图没有明显变化8)。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
基于网站的目击者和地质调查,地质原则的分析表明,滑体滑动过程中,除了底部的岩石和土壤的身体,支离破碎的高速滑动过程中摩擦。当滑动接触的前沿元和大坝在对岸,继续向上攀登,元和大坝的植被是刮刀的清除作用下,和强大的影响也引起岩石和土壤的前缘身体分解和回落(图9),它最终被抛出的上部桩。
(一)
(b)
(c)
数据8和10表明,唐家山滑坡分为四个主要阶段,用下面的动态过程。
以下4.4.1。边坡扰动和破坏过程
唐家山滑坡,在其自然状态,产生拉伸应力集中区域和剪切应力集中区域的肩膀和脚,分别和拉伸应力的作用下,大量的拉伸裂缝大致平行于坡面产生的斜率的肩膀上。地震力申请后0 - 5 s,大量的平行拉伸裂缝将开发和扩展,形成大型拉伸裂缝通过坡肩碎片会在一定程度上滚下。楔劈作用下,岩石和裂缝将继续使裂缝深度(图11)。地震力的持续应用拉裂缝继续扩展到下部的斜率,导致锁定部分继续积累变形能量。根据滑坡的现场调查,发现唐家山滑坡的滑带近平行于结构表面和属于一个兼容的岩石滑坡(27,28]。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.1.2。的崩溃和加速阶段
5 - 15 s:幻灯片继续加速巨大的引力的作用下,地震的力量。10年代,幻灯片的前缘第一次接触金属化孔通道,随着滑动的速度方向不在同一平面的地平面渠道,幻灯片向前继续下滑,通道产生一个巨大的抗滑,和增加的趋势前面滑动速度急剧减慢。第一个峰值的地震力也发生在大约10年代。虽然前面滑动的运动被在这一点上和阻力中间和后滑,传播速度增加的趋势中产和后方的幻灯片没有显著变化的共同作用下的第一个峰值地震力和阻力通过较低的幻灯片。在10 - 15 s阶段,滑体的前缘跨越了整个河道的铜扣河边摸脚元和大坝另一侧。在这个过程中,前面滑应该减少的速度和运动方向的被迫改变。然而,在大约10年代,中间和后滑的速度已经超过了前面的幻灯片,所以前面滑推了它背后的幻灯片来维持其趋势的增加速度。直到大约15年代,当滑动接触的前沿元和大坝,和遇到的前缘滑最暴力的堵塞,前缘持续向上影响到元和大坝,加速度阶段结束。主要滑动的速度急剧下降,直到达到零。
4.1.3。高速滑动体的运动阶段
15 - 25 s:滑体进入高速滑动阶段。在加速阶段,并行债券正逐渐打破,表明滑体在此阶段逐渐解体。幻灯片进入高速阶段时,平行债券几乎被完全破坏,以及由于极高的滑动速度,底层与滑床岩石和土壤的身体碰撞,导致身体的一些岩石和土壤严重分散。有大量的支离破碎的岩石和土壤与空气和水混合的底部幻灯片,和复杂的交互结合形成液体混合物,从而大幅度减少幻灯片之间的摩擦系数和幻灯片的床上,促进高速运动。这导致中期和后滑接触铜扣河道的底部,在运动的方向大幅改变,趋势的增加速度几乎不受影响,达到峰值速度为39.89米/秒。
4.1.4。减速和积累阶段的幻灯片
25-37 s:作为堰河已经充满了充满了前滑,表面摩擦系数远远大于湿河,中央滑大大地阻碍,和它的速度急剧下降。上滑的身体占据了太少的质量,虽然身体上滑动速度仍在增长,它还定义了这个阶段的减速阶段。这时,前面和中间的幻灯片已经搬到河铜扣,虽然继续移动,速度很低,几乎为零。25 - 30年代阶段,后面的幻灯片还滑滑床上,遇到了第二波的地震力,所以尽管中央幻灯片阻塞后,增加速度是难以改变的趋势下添加第二波地震力的影响。直到30年代,当大多数的后方滑的影响和覆盖中央滑滑运动直接封锁,和加速度阶段结束,峰值速度为41.96米/秒,也是监视的幻灯片(表的最大速度2)。30-37 s:幻灯片的所有部分有非常低的速度和叠加一步打破的一部分,大部分的幻灯片将零速度,只有少量的幻灯片以低速度(图还在动11)。
4.2。丘的特征和形态分析
37岁,滑坡的速度面前,中间,和后方部分几乎是零,和积累是基本完成。根据滑坡的动态过程的仿真分析,滑坡的最大宽度源面积约100米,平面投影面积约15002,整体lap-chair形状。作为滑坡前缘阻止滑动触摸元和大坝,前沿的速度大幅降低,也给了一个强大的中央阻力以及后面的幻灯片,幻灯片开始扩展到双方,和幻灯片的宽度变大,整体的形状的幻灯片开始显著变化。滑坡丘的长度大约是800沿着河,河对面的最大宽度是600 m,飞机面积约3000002,三峡大坝的高度是82 - 124,和体积约为2000万米3(图,扇形分布10和图12)。堰的顶部宽约300米,整个地形起伏,显示地形分布沿河流交叉方向,中间,前面部分是高,中部和后部被下一个最高,中间部分是最低的。从仿真分析获得成型特性(图12 (b)和图12 (d))都符合实际等功能(图12(一个)和图12 (c))。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.3。速度和跟踪分析
如图6,为了监控的特征速度,位移,滑坡在不同的时间和运动轨迹,三组15监测粒子在滑坡粒子模型建立,这是1 - 3号滑坡的在后面,中间没有电场。和前面11 - 15号。
粒子的轨迹反映了sliding-accumulation唐家山滑坡的过程。可以看出前面唐家山滑坡的滑动显示双方倾向于传播,而中间和后面幻灯片近直线运动(图9),主要是因为前面滑撞到元和大坝直接受到强烈的挤压效应本身,而中产和后方滑几乎击中元和大坝和消耗的动能与前面滑动摩擦的过程。动能消耗在与前面的身体摩擦27]。
速度和时间特性的监测粒子,可以看出前面滑已最快的速度增长,最短的生长过程持续时间、最小的速度峰值,最短的下降时间和最小的最终位移。后方滑身体最慢的速度增长,流程持续时间最长的增长,最大速度峰值,最长的下降时间和最大的最终位移(数字13和14)。这主要是因为前面滑动位移是最短的(表2),加速距离短,中间和后方滑加速距离更长。后方滑加速时间是足够长的时间来捕捉地震力的第二个高峰,约20年代分界线,第二加速现象很明显,中央政府和前滑没有这种现象。此外,虽然前面的身体直接影响了元和大坝的过程影响元和大坝由于刮行动将大大减少摩擦;中间身体滑入坠入通口河中覆盖上层的身体面前,所以它是大于湿河床的滑动摩擦;上半身滑入坠入通口河,因其质量小,惯性小,一旦遇到bump没有完全完成叠加足以使它失去大部分的幻灯片。身体划分根据表面,中低层次,它可以发现,运动的速度和距离的滑体显示趋势递减速度从表层到底层随时滑坡(表2),最终也会导致减少位移。根据工程现场调查的结果和数值模拟的位移和速度-时间曲线,它可以是假定控制因素的最大速度唐家山滑坡滑移距离。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
动能的时间曲线和滑动的速度时间曲线(数据14和15)表明,整体动能的峰值和峰值速度的中层滑互相对应发生在15秒左右。这种现象也证实,中间滑的确是主要的组件质量下滑。值得注意的是,表面滑动,虽然不是主要参考因素的描述滑坡运动,展品特点明显不同于其他部分的幻灯片(数字13和14)。我们可以看到在桌子上2,表面滑远高于其他部分的滑动速度和位移和泥石流特色展品。
5。结论
本文宏观和精细的滑动体的力学参数测定基于室内机械测试和离散单元数值模拟。结合滑坡的地貌和积累特征,唐家山滑坡的超大型的岩石滑坡为研究对象。基于高精度Dem数据和预处理和postlandslide图像数据,建立了三维滑坡模型。唐家山滑坡的完整的动态过程是反向使用数值模拟程序PFC3D和特征数据的速度,位移,滑坡体的形态监测和分析。得到了以下结论:(1)主要的唐家山滑坡的滑动方向是NW160°,及其动态演化过程可分为四个阶段:失稳和破坏,崩溃和加速滑动,高速滑动,减速积累。的最大滑动距离约为642.05米,最大滑动速度约为38.67 m / s,这是一个典型的高速短程压倒性的胜利(2)强烈的地震力的作用下,斜率首先经历牵引破坏,然后幻灯片向河铜扣。地震力和重力的耦合效应下,滑动速度也在增长,直到它击中了元和大坝另一侧,后方滑几乎同时达到最大速度为38.67米/秒。之后,大部分的大幅下滑运动停止,但少量的幻灯片在前缘仍在向上运动并继续影响元和大坝直到动能耗尽之前回落下来。通过监测的轨迹前缘幻灯片,它可以发现,确实有一个明显的高峰回落现象(3)使用PFC3D数值模拟程序,完整的唐家山滑坡滑动过程中被复制,结果匹配与实际调查。结果表明,唐家山滑坡的失稳过程持续约5 s,加速度阶段持续大约10年代,高速阶段持续大约10年代和减速和积累阶段持续约12。整个过程持续约37。在滑动过程中,大多数滑坡的结构完整性是保存完好,除了滑坡前缘,破碎和分散由于影响元和大坝(4)唐家山牵引滑坡,这是划分根据前面中间和背部沿主滑方向。和后滑的特点大滑动距离,缓慢的速度增长,最大速度高,快速度下降。滑坡分为表面,中间,和底部层。和滑坡运动速度显示了逐渐减少的趋势从表面到底层。表面滑动的速度远远高于其他地区,它显示了明显的碎屑流特征。唐家山滑坡的滑动距离的控制因素是滑坡速度在不同的部分(5)基于高精度Dem数据,犀牛的使用可以快速、准确地建立一个滑坡的三维模型。是很符合实际滑坡的地形,可以满足PFC3D的数值模拟
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(41772163)。