Transcript 堰塞壩沖蝕破壞型態之顆粒流數值模擬

授課老師：林俐玲 老師
指導老師：馮正一 老師
學生：高志文
November 21 , 2011
前言
文獻回顧
PFC之基本假設
模擬分析結果
結論
預期結果
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前言
岩坡深層崩塌易堵塞溪流，形成堰塞壩和堰塞
湖。從歷史案例發現，導致災情慘重的原因，
並非崩塌當時所造成，而是堰塞壩因溢流沖蝕，
壩體被衝破瞬間，大量水體傾洩而下所致。
本研究利用離散元素程式(PFC2D, Itasca, 2008)，
探討不同流場情形，對於壩體破壞方式的不同，
與高橋保等(1988)所提出的天然土石壩破壞形
式進行比較。
文獻回顧
高橋保等(1988)，為了解天然土石壩的潰壩機
制及過程，評估各種不同潰壩所產生之災害，
分析常見堰塞壩的破壞型態有三種：(A)壩頂溢
流破壞、(B)邊坡滑動破壞、(C) 漸進管湧破壞。
(A)
(B)
(C)
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文獻回顧
羅佳明等(2007)，著重於崖錐堆積型態進行分
析，應用室內小型落石台物理模型試驗，結合
顆粒力學模擬軟體(PFC3D 3.0)，針對不同量體
岩塊，地形坡度等條件進行岩坡落石運動至堆
積之力學行為模擬。
←高雄小林村堰塞壩殘跡
台東龍泉溪堰塞湖→
文獻回顧
徐松圻等(2009)，以分離元素法PFC2D探討土石
流體內顆粒之運動機制，包含顆粒間接觸力、
土體位移、土體流動行為模式及顆粒間微觀參
數影響。利用落門試驗求得微觀參數，因子的
影響程度為坡度>摩擦角>體積濃度>坡面摩擦
角。
文獻回顧
羅佳明等(2011)，以小林村獻肚山劇變式山崩為
對象，利用DEM資訊搭配分離元素法為基礎之
模擬軟體(PFC3D)，進行災前地形及災中山崩動
態模擬。根據現場調查結果之證據，再以物理
實驗模型配置為基礎，作為數值模型及設定之
簡化依據。
PFC之基本假設
顆粒假設為剛體(rigid)。
顆粒間的接觸極小(點接觸)可忽略。
接觸點行為以軟接觸方式表示。
允許在接觸點上產生剛性顆粒重疊之情形。
碰撞情形僅於顆粒對顆粒、顆粒對牆。
顆粒可自由移動與轉動。
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PFC之基本假設
顆粒間可存在強度的鍵結，且可受力而破壞。
顆粒重疊大小與接觸力有關，可藉由力與位移
關係式計算得到。
顆粒幾何形狀皆為圓形，可利用指令(Clump)
連結顆粒，創造出任意形狀。
水模組無法模擬超額孔隙水壓的激發，以忽略
進行計算。
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模擬分析結果
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壩
頂
溢
流
破
壞
參考項目
球元素半徑分佈範圍(m)
球元素數量
孔隙率
牆元素數量
球元素摩擦係數
牆元素摩擦係數
平行鍵結正向勁度(kN/m3)
平行鍵結切向勁度(kN/m3)
平行鍵結正向強度(kN/m2)
平行鍵結切向強度(kN/m2)
模擬參數
0.01~0.05
5000
0.1
20
0.3
1.0
1e7
3e6
7e4
7e4
12
Legend
全鍵結完好
部分鍵結破壞
全鍵結破壞
Step：21800
Time：22s
Step：31660
Time：32s
13
Step：51420
Time：52s
Step：100760
Time：102s
14
Wall id=19
Y axis force
Max =-1.379e5
Step=100760
Time=102s
15
Wall id=19
X axis force
Max =3.713e4
Step=100760
Time=102s
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邊
坡
滑
動
破
壞
參考項目
球元素半徑分佈範圍(m)
球元素數量
孔隙率
牆元素數量
球元素摩擦係數
牆元素摩擦係數
平行鍵結正向勁度(kN/m3)
平行鍵結切向勁度(kN/m3)
平行鍵結正向強度(kN/m2)
平行鍵結切向強度(kN/m2)
模擬參數
0.01~0.05
4000
0.15
20
0.3
1.0
1e7
3e6
4e4
4e4
17
Legend
全鍵結完好
部分鍵結破壞
全鍵結破壞
Step：20640
Time：23s
Step：38480
Time：43s
18
Step：61240
Time：68s
Step：97060
Time：108s
19
Wall id=19
Y axis force
Max =-1.277e5
Step=97060
Time=108s
20
Wall id=19
X axis force
Max =3.397e4
Step=97060
Time=108s
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漸
進
管
湧
破
壞
參考項目
球元素半徑分佈範圍(m)
球元素數量
孔隙率
牆元素數量
球元素摩擦係數
牆元素摩擦係數
平行鍵結正向勁度(kN/m3)
平行鍵結切向勁度(kN/m3)
平行鍵結正向強度(kN/m2)
平行鍵結切向強度(kN/m2)
模擬參數
0.01~0.1
3000
0.2
20
0.3
1.0
1e7
3e6
6e4
6e4
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Legend
全鍵結完好
部分鍵結破壞
全鍵結破壞
Step：16910
Time：1.4s
Step：39110
Time：2.7s
23
Step：77020
Time：4.3s
Step：166160
Time：10s
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Wall id=19
Y axis force
Max =-2.309e4
Step=166160
Time=10s
25
Wall id=19
X axis force
Max =5.391e3
Step=166160
Time=10s
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結論
在現地狀況下，材料應為非均值的，而模擬過
程是以均值材料為主，導致破壞過程與高橋保
等(1988)所說的，並非完全符合，在參數設定
上需進一步了解，才可模擬出相似的結果。預
期藉不同類型之歷史案例驗證，再分析堰塞壩
破壞型態的種類、時間等各項差異，以提供後
續堰塞湖災害研究之參考。
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預期結果
後續將針對堰塞壩進行壩體溢流沖蝕破壞整體
過程的模擬，藉以瞭解水位上升至溢頂破壞時，
壩體承受之應力狀態、發生溢流沖蝕破壞之型
態與時間差異。由集水區型態、雨量強度、地
質特性等參數，推測堰塞壩存在之時間及潰壩
時之洪水量，可做為防災避難、撤離之決策參
考。
Thanks for listening
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分離元素法之運算迴圈
分離元素法中之力與力矩運動行為，係由牛頓第二
運動定律之力與位移所計算之，其兩種不同接觸實
體之相對位移有關，其中ball_ball接觸關係中若是
以平行鍵結(parallel_bond)當作膠結行為，則另有接
觸彎矩的產生。
更新顆粒元素和邊界位置之接觸行為
運動定律
(Law of Motion)
力與力矩產生
力與位移法
(Force-Displacement Law)
相對運動與組合律
接觸力