CN111814321B - 一种再现堰塞坝堆积特性的数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种再现堰塞坝堆积特性的数值模拟方法，包括如下步骤：对堰塞坝坝体材料进行3D扫描，获取块石点云数据库；根据块石点云数据库获取材料级配曲线特征；根据级配曲线特征设置球形颗粒级配滑体或者块石颗粒级配滑体；根据现场滑坡堰塞坝特点，在颗粒流软件中设置计算参数信息；通过对坝体材料参数标定，选取数值模拟合适的计算参数；堰塞坝堆积完成后，测量相关堰塞坝坝体堆积信息；对堰塞坝坝体堆积信息进行回归分析，给出预测模型。本发明将数值模拟技术应用到堰塞坝堆积演化过程当中，通过数值模拟的方法再现堰塞坝堆积特性，构建坝体形态预测模型，有效避免了物理模型试验耗时耗力的缺点，可以方便、准确的认知堰塞坝堆积特性。
Description
技术领域
本发明属于边坡工程与滑坡治理领域，具体涉及一种再现堰塞坝堆积特性的数值模 拟方法。
背景技术
地震或降雨引起的滑坡，特别是在高山峡谷地区，危害性极大，容易形成堵塞河流的堰塞坝，威胁上下游群众的生命财产安全。
目前，对堰塞坝堆积形态的研究主要集中在物理模型试验研究，但是试验研究耗时 耗力，且不易总结出较好的规律。
所以，需要一个新的技术方案来解决这个问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的无法准确快速描述堰塞坝堆积演化过程的不 足，提供一种再现堰塞坝堆积特性的数值模拟方法，能够准确快速地描述堰塞坝堆积特性。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种再现堰塞坝堆积特性的数值模拟方法， 包括如下步骤：
S1：对堰塞坝坝体材料进行3D扫描，获取块石点云数据库；
S2：根据块石点云数据库获取材料级配曲线特征；
S3：根据级配曲线特征设置球形颗粒级配滑体或者块石颗粒级配滑体；
S4：根据现场滑坡堰塞坝特点，在颗粒流软件中设置计算参数信息；
S5：通过对坝体材料参数标定，选取数值模拟合适的计算参数；
S6：堰塞坝堆积完成后，测量相关堰塞坝坝体堆积信息；
S7：对堰塞坝坝体堆积信息进行回归分析，给出预测模型。
进一步的，所述步骤S4中计算参数信息包括滑体、滑面和河床。
进一步的，所述颗粒流软件中滑体为球形颗粒或者块石颗粒，滑面和河床为刚性墙。
进一步的，所述步骤S5中通过自由堆积试验来确定数值模拟合适的计算参数。
进一步的，所述步骤S6中堰塞坝坝体堆积信息包括坝高、坝长、坝宽、上下游绝 对倾角、坝体前倾角。
进一步的，所述步骤S1中块石点云数据库的格式为stl。
进一步的，坝体堆积形态预测模型主要通过多元回归来实现，参数分为输入组与输 出组。
数值模拟技术的发展为研究滑坡运动和堰塞坝堆积特性提供了新的途径，可以实现 启动到堆积的全过程模拟与监测，凭借其能模拟大变形、大位移的优势，以及实现滑体颗粒的平动、转动、分离和流动等特点，可以在滑坡堆积运动种发挥其巨大作用。因此， 采用数值模拟的方法再现堰塞坝堆积演化过程是一种较好的手段，能够反映出堆积的实 际情况。
有益效果：本发明与现有技术相比，将数值模拟技术应用到堰塞坝堆积演化过程当 中，通过数值模拟的方法再现堰塞坝堆积特性，构建坝体形态预测模型，有效避免了物理模型试验耗时耗力的缺点，可以方便、准确的认知堰塞坝堆积特性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为3D扫描块石的点云数据；
图3为堰塞坝坝体材料级配曲线设置；
图4为PFC3D中搭建的数值模型；
图5为堰塞坝坝体材料自然堆积角标定过程；
图6为堰塞坝堆积形态图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本 发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明提供一种再现堰塞坝堆积特性的数值模拟方法，包括如下步骤：
(1)对现场堰塞坝坝体材料进行3D扫描，获取stl格式的块石点云数据库；堰塞 坝坝体堆积材料不宜过小或过大，尺寸需满足3D扫描的要求。
(2)获取材料级配曲线特征，根据级配曲线特征设置球形颗粒级配滑体或者块石颗粒级配滑体；滑体设置可以根据计算机计算效率、块石所占比例、细颗粒土所占比例 等因素将滑体设置为球形颗粒或者是块石颗粒，但都需满足堰塞坝坝体材料级配曲线。
(3)根据现场滑坡堰塞坝特点，在颗粒流软件PFC3D中设置滑体、滑面、河床等 计算参数信息；PFC3D中的滑体为球形颗粒或者块石颗粒，滑面和河床为刚性墙，主要 的考虑因素包括滑体体积含量、滑面长度、滑面角度、滑面出口宽度、河床形状和河谷 角度。
(4)通过对坝体材料参数标定，选取数值模拟合适的计算参数；主要是通过选择合适的模型，通过自由堆积试验来确定。
(5)堰塞坝堆积完成后，测量相关坝体信息，包括坝高、坝长、坝宽、上下游绝 对倾角、坝体前倾角。
(6)对堰塞坝坝体信息进行回归分析，给出预测模型；堆积形态预测模型主要通过多元回归来实现，参数分为输入组与输出组。
本实施例中将上述方法实际应用于现场堰塞坝坝体材料，其具体步骤如下：
1、对现场堰塞坝坝体材料进行3D扫描，构建了可以导入PFC3D的stl格式的块石点云数据库，块石点云数据库具体如图2所示。
2、根据现场级配曲线调查，分别绘制了堰塞坝三条级配曲线，分别为平均线、上包线和下包线，考虑到计算效率，本次实施例中选用球形颗粒，具体颗粒级配曲线如图 3中所示。
3、设置滑体、滑面、河床等信息，本实施例中滑体体积设置为0.4m*0.4m*0.4m， 滑面宽度1m，滑出口宽度1m，河谷形状设置为三角形，河床角度0°，坡面角度30°， 具体如图4所示。
4、本实施例中堰塞坝坝体材料主要为砾石，其自然堆积角一般为25°-40°，对自然堆积角的坝体材料进行标定，采用PFC3D中的线性阻抗模型，标定过程如图5所示， 具体参数参照表1。
表1数值模型计算参数
| 最小颗粒半径 | 1.0cm | 摩擦系数 | 0.4 |
| 颗粒粒径比 | 1.66 | 阻抗摩擦系数 | 0.6 |
| 颗粒密度 | 2650kg/m3 | 法向阻尼 | 0.2 |
| 孔隙率 | 0.5 | 切向阻尼 | 0.2 |
| 接触法向刚度 | 5.0e7N/m | 接触切向刚度 | 5.0e7N/m |
5、堰塞坝堆积完成后，堰塞坝堆积形态如图6所示，包括纵河向剖面图、横河向 剖面图和俯视形态图。
6、分别统计不同工况下的坝高、坝长、上下游倾角和坝体前倾角，以滑动距离l、出口宽度a、坡面角度正切值tanη和河谷角度正切值作为tanθ作为输入数据，以坝体高 度h、长度L、上游倾角正切值tanβu、下游倾角正切值tanβd和前倾角正切值
为输 出数据，对其变化规律进行多项式回归分析，回归公式如下所示；
h＝-0.0509+0.06961a+0.0124tanη+0.0497tanθ+0.0164l2-0.2766a2-0.1066la
L＝1.0214+0.07728a+1.0129tanθ+0.1506tanη2
tanβu＝0.04629l+0.7277a-0.7569tanη+0.2793tanη2+2.5468tanθ2-0.479la
tanβd＝0.8366-0.6602tanη-0.7561tanθ+0.0241l2+0.2534tanη2-0.1516la
本实施例中所获得的预测模型就是上面的回归公式，可根据实际试验条件对坝体形 态进行预测。预测模型包含输入值和输出值，预测模型是通过将输入值代入回归公式，得到输出值，则输出值就是根据模型得到的预测值。
Claims (4)
1.一种再现堰塞坝堆积特性的数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：对堰塞坝坝体材料进行3D扫描，获取块石点云数据库；
S2：根据块石点云数据库获取材料级配曲线特征；
S3：根据级配曲线特征设置球形颗粒级配滑体或者块石颗粒级配滑体；
S4：根据现场滑坡堰塞坝特点，在颗粒流软件中设置计算参数信息；
S5：通过对坝体材料参数标定，选取数值模拟合适的计算参数；
S6：堰塞坝堆积完成后，测量相关堰塞坝坝体堆积信息；
S7：对堰塞坝坝体堆积信息进行回归分析，给出预测模型；
所述步骤S6中堰塞坝坝体堆积信息包括坝高、坝长、坝宽、上下游绝对倾角、坝体前倾角；
所述步骤S7中回归分析具体为：分别统计不同工况下的坝高、坝长、上下游倾角和坝体前倾角，以滑动距离l、出口宽度a、坡面角度正切值tanη和河谷角度正切值作为tanθ作为输入数据，以坝体高度h、长度L、上游倾角正切值tanβu、下游倾角正切值tanβd和前倾角正切值
为输出数据，对其变化规律进行多项式回归分析，回归公式如下所示；
h＝-0.0509+0.06961a+0.0124tanη+0.0497tanθ+0.0164l2-0.2766a2-0.1066la
L＝1.0214+0.07728a+1.0129tanθ+0.1506tanη2
tanβu＝0.04629l+0.7277a-0.7569tanη+0.2793tanη2+2.5468tanθ2-0.479la
tanβd＝0.8366-0.6602tanη-0.7561tanθ+0.0241l2+0.2534tanη2-0.1516la
2.根据权利要求1所述的一种再现堰塞坝堆积特性的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤S4中计算参数信息包括滑体、滑面和河床。
3.根据权利要求2所述的一种再现堰塞坝堆积特性的数值模拟方法，其特征在于：所述颗粒流软件中滑体为球形颗粒或者块石颗粒，滑面和河床为刚性墙。
4.根据权利要求1所述的一种再现堰塞坝堆积特性的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤S5中通过自由堆积试验来确定数值模拟合适的计算参数。
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| 3D DEM investigation on the morphology and structure of landslide dams formed by dry granular flows;Yuanyuan Zhou 等;《Engineering Geology》;20190521;第24-49页 * |
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