Jian Zhou, Ye-xun Li, Min-cai Jia and Cui-na Li

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1 Jian Zhou, Ye-xun Li, Min-cai Jia and Cui-na Li
Hindawi Publishing Corporation The ScientificWorld Journal Volume 2013, Article ID , 10 pages Numerical Simulation of Failure Behavior of Granular Debris Flows Based on Flume Model Tests Jian Zhou, Ye-xun Li, Min-cai Jia and Cui-na Li 授課教師 ： 謝平城 教授 指導教授 ： 馮正一 教授 簡報學生 ： 宋偉銓

2 簡報目錄 前言 PFC3D程式簡介 試驗方法 (1) 水槽試驗 (2) 試驗結果分析 (3) 數值模擬 4. 結論

3 1. 前言 土石流通常在具風化表層之山區，且長時間強降 雨下觸發。
多位學者研究顆粒尺寸與土石流危害程度關係， 並考量其運動型態、統體應變量及孔隙水壓在滑 動中之變化。得出粒徑大小對於流域中，其土壤 入滲特性及風化程度有顯著影響，故粒徑分布為 研究重點之一。 此研究利用離散元素法(discrete element method , DEM)模擬三維下，土石流顆粒運動之應力分布及 能量變化，使用三維顆粒流(particle flow code , PFC3D)程式及水槽試驗進行比對印證。

4 2. PFC3D程式簡介 PFC3D為不連續碼，用於分析、測試及研究任何領域 中，需探討其分離個體在大應變、斷裂狀況下的作 用行為。應用範圍可延伸至任何顆粒系統在動態下 的分析。 1. 可建立任意大小之顆粒集合模型，研究動態行為。 2. 顆粒特性與個體顆粒有關，允許任意顆粒特性、半徑進行連續漸變動作。 3. 大量邏輯式對於顆粒變形為可行、可表示成一般顆粒形狀。 4. 任何數量的任意方向線段、平面凸多邊形可被指定為牆元素，具有各自之接觸性質。 特點

5 3. 試驗方法─水槽試驗 3.1 前置作業─土石流模型 系統包含水槽模型、人工降雨設施、測量及資料接收儀器、攝影機等，砂坡尺寸為150cm長、40cm寬、25cm高。

6 3. 試驗方法─水槽試驗 3.1 前置作業─砂坡堆置 砂樣選擇粒徑分布曲線D50=0.35mm之中顆粒砂混合D50=0.15mm細砂，水平放置且混合水達含水量10%，底層細砂與槽體底部黏合增加摩擦力，砂體鋪設每層2.5cm共4層，頂部放置20kg物體一小時，使砂體表面均勻且自然沉降。 水槽坡度設定25。，降雨強度設定1 mm/min，持續時間約6.1~7.1min。

7 3. 試驗方法─試驗結果分析 3.2 結果分析─水槽試驗 破壞過程如下圖。結果表示破壞時，剪力變形發生於坡趾，進而形成向源滑動破壞。
3.2 結果分析─水槽試驗 破壞過程如下圖。結果表示破壞時，剪力變形發生於坡趾，進而形成向源滑動破壞。 圖(b)當砂體飽和時剪力變形發生於坡趾，坡趾後方繼續生成新剪力變形。 圖(a)含水量上升砂體表層無變化。 圖(c)因孔隙水流動，坡面發生張力裂縫進而形成剪力滑動面，坡後繼續生成新裂縫、滑動面。 圖(d)在重力、滲流力作用下，砂坡崩塌與水形成砂流。

8 3. 試驗方法─試驗結果分析 3.2 結果分析─水槽試驗 沙坡破壞過程俯視圖

9 3. 試驗方法─試驗結果分析 3.2 結果分析─位移範圍
3.2 結果分析─位移範圍 此研究採變形測量數位攝影(digital photogrammetry for deformation measurement , DPDM)進行位移觀測。觀測區塊如圖6。

10 3. 試驗方法─試驗結果分析 3.2 結果分析─位移範圍 下圖7為觀測變化。
3.2 結果分析─位移範圍 下圖7為觀測變化。 圖(a)顯示兩個潛在滑動面出現在5~7cm深處，滑動塊體無變化但位移續增加。 圖(b)最大位移發生在9cm深處，但表面位移持續為0cm。 圖(c)當滲透力使坡趾不穩時，滑動塊體被分解成許多小塊體，使位移更大。 圖(d)滑動塊體後方生成新潛在滑動面，重複破壞迴圈。

11 3. 試驗方法─試驗結果分析 3.2 結果分析─破壞模式
3.2 結果分析─破壞模式 為探討粒徑分布與破壞模式間關係，此研究使用7種不同比例中粒砂混合細砂做研究。分別為0% (medium sand)、10%(C-10)、 20% (C-20)、 30% (C-30)、 40% (C-40)、50%(C-50)、100% (fine sand)

12 3. 試驗方法─試驗結果分析 3.2 結果分析─破壞模式 當細砂含量>40%時，大塊體砂土滑動如黏滯流
3.2 結果分析─破壞模式 當細砂含量>40%時，大塊體砂土滑動如黏滯流 此水槽試驗表示細砂含量影響砂坡破壞行為，當細砂從0%增加至100%時，由向源滑動破壞漸變為液化狀滑動。 細砂含量<10%，裂隙發生在坡頂，進而形成向源滑動，滑動面為圓弧形，滑動塊體小且位移距離短。 當細砂含量介於20~30%時，坡頂產生裂隙並往坡趾滑動。

13 3. 試驗方法─數值模擬 3.3 數值模型 此研究採用液、固體耦合，解決在笛卡爾座標系統中，模擬不可壓縮流之連續性、Navier-Stokes方程式問題。可於顆粒及孔隙間影響下，對每個網格、元件施加壓力及流速。 數模尺寸如圖9(a)為1m長、0.1m寬、0.1m高，顆粒尺寸為2~5mm，D50=3.5mm約為水槽試驗10倍大(D50=0.35mm)。圖9(b)中粗網格流體固定為模擬降雨，而水對於顆粒的影響則以改變摩擦係數及阻尼係數。其中加入接觸鍵結模擬非飽和土壤的凝聚力，產生基質吸力。

14 3. 試驗方法─數值模擬 3.3 比較鑑別 為方便觀察，將坡體以紅顆粒劃分區塊，並以紅、灰、藍、黃顆粒表示分層，下圖顯示不同階段之破壞行為。顆粒從坡趾開始滑動，接著往坡後方一層層開始滑動，與水槽試驗相比，相似處同為坡趾破壞而產生向源滑動。表示數值模擬可靠性。

15 3. 試驗方法─數值模擬 3.3 位移分析 以不同顏色顆粒表示位移狀態。當坡趾顆粒達到滲流破壞時，顆粒滑動並失去穩定，且坡底及較上層顆粒位移較底部大，其破壞模式如同前述。

16 3. 試驗方法─數值模擬 3.3 破壞模式比較 下圖表示向源滑動與液狀化滑動之差異。結果顯示數值模擬與水槽試驗結果相近。
3.3 破壞模式比較 下圖表示向源滑動與液狀化滑動之差異。結果顯示數值模擬與水槽試驗結果相近。 向源滑動為分層滑動，坡趾顆粒流失失去支撐後觸發。 液狀化滑動為整體塊體短時間位移，如同黏滯流。

17 4. 結論 1. 試驗結果表示顆粒尺寸分布對於破壞模式有顯著影 響，中顆粒之破壞型式為坡趾向源滑動，裂縫生於坡 頂。當土壤中細顆粒增加時變為液化狀流動破壞。 2. 細顆粒量<10%，為坡趾向源滑動型破壞；細顆粒 量>40%，為液化狀流動破壞；細顆粒含量介 20%~30%間為混合型。 3. 基於水槽試驗及數值模擬結果，中顆粒之向源滑動 破壞為分層滑動；細顆粒則為整體滑動近似於土石 流。 4. 細顆粒填充於大顆粒孔隙中，提高孔隙水壓力使得 土體流動性變高，因此不同粒徑分布之土體所造成之 孔隙水壓、滲透性、破壞模式變化關係，需要進一步 研究。

18 簡報結束 謝謝聆聽