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1、对卡拉韦拉斯大坝滑坡破坏后的运动过程的计算模拟,水利工程论文滑坡是一种常见的地质灾祸，其危害严重，会对人们的生命、生产、生活造成极大的威胁和影响。对滑坡运动经过进行数值分析能够模拟滑坡的运动和发展经过，计算出滑坡的致灾范围等重要的灾祸特征参数，为建筑场地的合理选择和躲避滑坡提供建议，进而研究怎样采用安全经济且有效合理的措施防治滑坡灾祸，并为定量的危险性分析提供根据，因此具有重要的经济、社会效益及广阔的应用前景. 国内外学者对滑坡的发展经过进行深切进入的研究，国外学者 Sassa对滑坡运动进行了较早的研究，把滑坡近似看作流体，推导出滑坡运动的微分方程，实现了滑距的预测。Hungr开发了模拟滑坡运
2、动的分析软件 DAN,并对一些典型的滑坡进行了全经过的模拟。潘家铮在(建筑物的抗滑稳定和滑坡分析一书中，采用基于条分的方式方法，提出了滑坡速度的计算公式，但该方式方法并未考虑滑坡运动经过中的变形。廖小平等讨论了高速远程滑坡的构成条件和运动规律，以为滑坡运动是一种连续可变的块体运动，提出了冲击性碰撞作用机理和连续可变的块体运动理论。刘忠玉等基于其对高速滑坡发生机理的认识及对运动特征和堆积特征的分析，建立了预测高速远程滑坡的块体运动模型，应用该模型能够预测出滑坡的最大滑速和最大滑距。刘涌江等应用力学原理从理论上分析了大型高速滑坡岩体与阻挡山体的碰撞经过，得出了碰撞后滑坡岩体的平均运动速度和运动方向
3、的关系式，为进一步研究滑坡的运动奠定了基础。黄润秋根据在中国西部地区多年的研究经历体验，对几类典型的大型岩质斜坡变形及失稳机理进行了较为深切进入的分析，阐述了这些大型滑坡构成的地质条件、斜坡变形经过及发生机理的概念模型。近年来，针对岩质边坡和高速远程碎屑滑坡运动的离散单元法的运动模拟以及滑坡的治理研究也获得了很大的发展.以上学者在对滑坡运动的速度计算、滑距预测等方面所做的工作为滑坡发展运动经过的研究做出了宏大的奉献。 本文尝试采用滑坡运动模型方程和 PIC Particle In Cell 数值离散方式方法,通过编写计算程序，对卡拉韦拉斯大坝滑坡毁坏后的运动经过进行计算模拟，进而得到其滑动经过
4、、致灾范围和堆积形态等结果，再现滑坡的运动经过，并对经过结果进行分析，旨在为今后具有类似特征滑坡的防治提供参考和根据。 1 模型理论和 PIC 数值方式方法 描绘叙述滑坡运动的模型方程能够表示为：【1】 方程 1 中，h 为滑坡深度，u 代表滑坡速度，z0为原始地形高程，g 表示重力加速度，C 为黏聚力， m为滑坡体容重， 表示摩擦角，sgn u 为表示速度方向的标记函数。 PIC 数值方式方法为计算流动问题的欧拉 - 拉格朗日混合方式方法，基本重点是把流动所通过的区域用欧拉法分成有限个网格，每个网格中流体再用一组特定的离散化拉格朗日质点表示。每个质点具有一定的质量，每个网格单元内的质点数目和
5、质点分布都以流体流动的初始状态为根据，而且这些质点具有一定的速度和能量。计算开场后，质点在欧拉网格之间迁移，表示流体在运动。滑坡运动的空间由滑坡体流团连续地、无空隙地充满着，流团的尺寸大小基本符合微观足够大、宏观足够小的条件。每个流团遭到体积力及附近流团或边界对其的力作用，根据牛顿力学基本运动定律，流团的加速度、速度与空间坐标能够确定。在计算时间域上对这些参量不断更新，并在计算空间域上运用统计平均原理将这些运动参量表示出在网格节点上，即可得到滑坡堆积经过的总体运动规律. 通过对上述模型方程进行有效的简化，并应用 PIC 数值离散方式方法对其离散，采用的本构模型关系为摩尔库伦准则，得到如下计算方
6、程:【2】 华而不实，up,t +1与 up,t分别为 t +1 及 t 时刻流团 p 的速度， t 为时间步长，Sp,t为 t 时刻流团 p 处于网格单元上任一位置对应的滑坡外表重力坡降，而用于计算网格节点外表高程的流深则由节点单位面积控制流团数量计算得出.令方程 2 右端项为流团合加速度 ap,t,则在计算时间步长内的速度关系可表示出为：【3】 流团在计算时间步长内的位置关系为：【4】 方程 4 中，Xp,t +1与 Xp,t分别为流团 p 在两个不同时刻的空间坐标。 2 工程实例与数值模拟 以美国卡拉韦拉斯大坝滑坡为例进行数值模拟。卡拉韦拉斯大坝始建于 1914 年，是当时世界上最大的土
7、坝，其坝高最大到达 73 m.1918 年 3 月 24 日早上，坝体上游面的东侧坝体有 60 000 m3的材料毁坏并滑进水库。毁坏时，坝的最大高度约有 61 m,水库最深深度约有 23 m.原有 385 m 宽的大坝中有 215 m 的坝体部分发生了毁坏。 坝底附近材料饱和重度大约是18. 9 kN/m3,坝顶附近材料的饱和重度大约是 17. 3 kN/m3.组成大坝壳体的填砂中细粒含量在10% 50%.构成粘土心墙材料粒径在0. 002 0. 2 m,重度为15. 7 kN/m3. 相关研究表示清楚，卡拉韦拉斯大坝发生毁坏主要是由液化引起的，液化使土的抗剪强度大大地降低，并进一步导致孔隙
8、水压力增加，最终发生毁坏. 据 Simpson 等的现场调查和稳定性分析，得到了卡拉韦拉斯大坝滑坡毁坏前的剖面形态和毁坏后的滑动面及最终的堆积形态，如此图 1 所示。【图1】 由于现有的参数资料并不充分，只能参考已有的相关文献来实现滑坡整个运动经过的计算模拟。结合滑坡的实际情况并参考相关文献,得到计算参数如表 1 所示。模拟经过中，取水平距离方向上 0 600 m 为计算区域，每 10 m 为一个网格，共划分成 60 份网格。 流团尺寸为 25 cm 25 cm,时间间隔 t 为0. 1 s,共运行11 000 步，即运行时间共为1 100 s,并采用表1计算参数得到计算结果如此图 2 所示。
9、从图 2 所示的计算模拟结果与实际毁坏后地形线作比照能够发现模拟结果与实际最终堆积曲线轮廓吻合良好，讲明了模拟是正确和有效的。图 3 为滑坡运动经过中主要时刻的堆积形态。【图2】 如此图 3 所示，滑坡运动到第100 s 时，滑坡最前缘水平距离为288 m,100 s 内运动了28 m,平均速度为0. 28 m/s.而滑坡后部水平位移基本不变，即滑动现象不明显，而开场发生滑动时在100 300 s.滑坡最前缘运动的水平距离及平均速度如表 2 和表 3.最终运行到第 1 100 s 时，最前缘水平距离 470 m与实际水平距离 471 m 基本吻合，最后缘水平距离 29 m 也与实际水平距离 2
10、6. 5 m 基本吻合。【图3】 卡拉维拉斯坝的毁坏是由静态液化造成的，在计算初期滑坡以近似整体的形态向前运动，随后滑坡前部由于所受阻力较小而快速运动，而滑坡后部由于遭到前部的阻滞约束作用运动相对较缓，在最终的堆积形态中滑坡沿运动方向产生变形。 从计算结果中能够看出，模拟结果和实际情况还存在一些差异。这一方面是由于模型的简化假设造成了与实际复杂条件不符的情况，另一方面在近似平面应变条件下采用典型剖面分析立体的滑坡运动与实际情况也必然存在差异，主要表现为由于侧向运动造成的滑坡体积的差异。同时，模拟经过中数值离散方式方法也仍有待进一步的完善。 3 结 语 当前，国内外对滑坡的研究大多为毁坏机理和稳
11、定性分析等方面,而对滑坡毁坏后的运动经过研究相对较少，而现有对滑坡运动的计算研究大多采用非变形计算方式方法或针对岩质边坡的离散元方式方法,对于在液化毁坏情况下产生连续大变形运动的研究则相对较少。本文应用滑坡模型理论和PIC 数值离散方式方法，对在液化毁坏情况下的典型连续大变形滑坡美国卡拉韦拉斯大坝滑坡毁坏后的运动经过进行计算模拟，并将模拟结果与实际情况进行比照分析，结果表示清楚，计算结果与实际情况基本吻合，进而验证了本文所用方式方法的有效性和稳定性。 模拟经过中，滑坡最前缘前 100 s 运行了 28 m,平均速度为 0. 28 m/s.最后缘的运动发生在 100 300 s.运动经过中运动速
12、度比拟低，整体运动比拟缓慢，滑坡整体变形主要以慢速蠕动为主，显示了较低的流动性。通过滑坡运动经过模拟能够得到滑坡的运动发展经过、滑坡的致灾范围和堆积形态等，进而为滑坡防治提供科学的参考和根据。【表2.3】 然而，计算结果与实际情况不可避免地存在一定的差异，这些差异一方面是由于模型简化和数值离散方式方法选用造成的，另一方面平面应变计算假定和关键计算参数的选取也将对滑坡运动堆积的计算模拟结果产生影响。因而，需要进一步研究滑坡运动经过中的复杂机理，发展愈加能够表现复杂滑坡发展行为的滑坡模型和准确计算运动堆积的数值方式方法，同时细化参数研究。 以下为参考文献： 1 SASSA K. Analysis
13、on slope stability: I. Mainly on the basis of the indoor experiments using the standard sand produced inToyoura,JapanJ. Journal of the Japan Society of Erosion Control Engineering,1972,25 2 : 5-17. 2 SASSA K. Analysis on slope stability: II. Mainly on the basis of the indoor experiments using the st
14、andard sand produced inToyoura,JapanJ. Journal of the Japan Society of Erosion Control Engineering,1974,26 3 : 8-19. 3 HUNGR O. A model for the runout analysis of rapid flow slides,debris flows,and avalanchesJ. Canadian GeotechenicalJournal,1995,32: 610-625. 4 HUNGR O,MCDOUGALL S. Two numerical models for landslide dynamic analysisJ. Computers Geosciences,2018,35 5 : 978-992.