堰塞壩沖蝕破壞型態之顆粒流數值模擬

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

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)

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(PFC3D3.0)，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。

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。

模擬分析結果

壩頂溢流破壞

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

Step：51420 Time：52s Step：100760 Time：102s

Wall id=19 Y axis force Max =-1.379e5 Step=100760 Time=102s

Wall id=19 X axis force Max =3.713e4 Step=100760 Time=102s

邊坡滑動破壞

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

Step：61240 Time：68s Step：97060 Time：108s

漸進管湧破壞

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

Step：77020 Time：4.3s Step：166160 Time：10s

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。

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。

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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

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