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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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。

前言

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。

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(A) (B) (C)

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。

文獻回顧

←高雄小林村堰塞壩殘跡

台東龍泉溪堰塞湖→

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。

文獻回顧

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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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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PFC之基本假設

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模擬分析結果模擬分析結果

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壩頂溢流破

壩頂溢流破

壞壞參考項目 模擬參數

球元素半徑分佈範圍 (m) 0.01~0.05

球元素數量 5000

孔隙率 0.1

牆元素數量 20

球元素摩擦係數 0.3

牆元素摩擦係數 1.0

平行鍵結正向勁度 (kN/m3) 1e7

平行鍵結切向勁度 (kN/m3) 3e6

平行鍵結正向強度 (kN/m2) 7e4

平行鍵結切向強度 (kN/m2) 7e4

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Step ： 31660

Time ： 32s

Step ： 21800Time ： 22s

Legend 全鍵結完好

部分鍵結破壞

全鍵結破壞

Step ： 51420

Time ： 52s

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Step ：100760

Time ： 102s

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Wall id=19Y axis forceMax =-1.379e5Step=100760Time=102s

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Wall id=19X axis forceMax =3.713e4Step=100760Time=102s

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邊坡滑動破

邊坡滑動破

壞壞參考項目 模擬參數

球元素半徑分佈範圍 (m) 0.01~0.05

球元素數量 4000

孔隙率 0.15

牆元素數量 20

球元素摩擦係數 0.3

牆元素摩擦係數 1.0

平行鍵結正向勁度 (kN/m3) 1e7

平行鍵結切向勁度 (kN/m3) 3e6

平行鍵結正向強度 (kN/m2) 4e4

平行鍵結切向強度 (kN/m2) 4e4

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Step ： 20640

Time ： 23s

Step ： 38480

Time ： 43s

Legend 全鍵結完好

部分鍵結破壞

全鍵結破壞

Step ： 61240

Time ： 68s

Step ： 97060

Time ： 108s

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20

Wall id=19Y axis forceMax =-1.277e5Step=97060Time=108s

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Wall id=19X axis forceMax =3.397e4Step=97060Time=108s

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漸進管湧破

漸進管湧破

壞壞

參考項目 模擬參數球元素半徑分佈範圍 (m) 0.01~0.1

球元素數量 3000

孔隙率 0.2

牆元素數量 20

球元素摩擦係數 0.3

牆元素摩擦係數 1.0

平行鍵結正向勁度 (kN/m3) 1e7

平行鍵結切向勁度 (kN/m3) 3e6

平行鍵結正向強度 (kN/m2) 6e4

平行鍵結切向強度 (kN/m2) 6e4

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Step ： 39110

Time ： 2.7s

Step ： 16910

Time ： 1.4s

Legend 全鍵結完好

部分鍵結破壞

全鍵結破壞

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Step ：166160

Time ： 10s

Step ： 77020

Time ： 4.3s

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Wall id=19Y axis forceMax =-2.309e4Step=166160Time=10s

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Wall id=19X axis forceMax =5.391e3Step=166160Time=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。

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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。

預期結果

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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

更新顆粒元素和邊界位置之接觸行為

接觸力

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。