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作者及发表信息

本研究由Sun Xinpo（四川轻化工大学土木工程学院）、Chen Min（四川轻化工大学）、Bi Yuzhang（福建农林大学资源与环境学院）、Zheng Lu（福州大学土木工程学院）、Che Chi（东南大学岩土工程研究所）、Xu Ao（四川轻化工大学）、Tian Zijian（北京城建科技促进会）及Jiang Zheyuan（东南大学，通讯作者）共同完成，发表于Journal of Mountain Science（《山地科学学报》）2024年第21卷第7期，DOI: 10.1007/s11629-024-8658-0。

学术背景

研究领域：本研究属于地质灾害防护工程领域，聚焦于泥石流（debris flow）的动力学特性及其与挡板结构（baffle）的相互作用机制。
研究动机：泥石流具有高动能和强破坏性，常对基础设施和人类聚居区造成严重损害。挡板结构因布置灵活、施工便捷等特点被广泛用于泥石流防护，但其最优布局参数（如位置、高度、行间距等）尚未系统量化。
研究目标：通过三维离散元法（Discrete Element Method, DEM）模拟，探究挡板位置、高度、行间距及流通区角度（angle of transit area）对泥石流拦截效果的影响，提出最优挡板配置方案。

研究流程与方法

1. 单因素实验设计

• 研究对象：模拟泥石流颗粒（直径10 mm，密度2100 kg/m³）与方形挡板（边长5 cm）的相互作用。
  
• 实验设置：
  
  • 在流通区（transit area）设置4组挡板（P1-P4），堆积区（deposition area）设置2组挡板（P5-P6），另设无挡板对照组（P0）。
    
  • 固定挡板高度（18 cm）、行间距（9 cm）及流通区角度（30°），通过EDEM软件模拟泥石流运动过程。
    
• 数据采集：记录泥石流速度、动能、首排挡板冲击力（impact force）及堆积质量。
  

2. 正交实验设计

• 多因素分析：基于单因素结果，选取挡板位置（P3、P4、P5）、高度（9 cm、18 cm、27 cm）、行间距（8 cm、16 cm、24 cm）及流通区角度（35°、40°、45°），采用L9(3⁴)正交表设计9组实验。
  
• 评价指标：以首排挡板冲击力和堆积质量为标准，通过极差分析（range analysis）确定各因素重要性排序。
  

3. 数值模拟与验证

• 软件工具：使用EDEM软件（基于DEM）构建三维模型，采用Hertz-Mindlin接触模型模拟颗粒非线性碰撞。
  
• 模型验证：参考已有水槽实验（flume model）数据，确保模拟结果与物理实验一致性。
  

主要结果

1. 挡板位置的影响

• 速度与动能：挡板越靠近源区（source area），泥石流峰值速度降低越显著（P1降低61%，P5仅降低6%）。流通区挡板（P1-P4）的动能耗散率（81.25%）显著高于堆积区挡板（29.17%）。
  
• 冲击力：流通区挡板承受的冲击力普遍高于堆积区（P1冲击力为P6的3.6倍），首排挡板冲击力随位置下移呈递减趋势。
  
• 堆积形态：流通区挡板使80%泥石流颗粒滞留于挡板前，堆积区挡板则形成扇形扩散沉积。
  

2. 多因素优化结果

• 极差分析：
  
  • 以冲击力为指标时，因素重要性为：流通区角度（α）> 挡板位置（P）> 行间距（Sr）> 高度（H）。
    
  • 以堆积质量为指标时，排序变为：P > α > Sr > H。
    
• 最优配置：P5位置（堆积区）、行间距16 cm、高度9 cm、流通区角度35°，可同时最小化冲击力与堆积质量。
  

结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 揭示了挡板位置对泥石流动能耗散的关键作用，证实流通区挡板更适用于能量拦截，而堆积区挡板更适合减少冲击力。
     
   • 提出了基于正交实验的多参数优化方法，为挡板工程设计提供量化依据。
     
2. 应用价值：
   
   • 优化配置（P5-Sr16-H9-α35°）可显著降低泥石流破坏风险，适用于山区交通线、村镇等高风险区域的防护工程。
     

研究亮点

1. 方法创新：
   
   • 首次结合单因素与正交实验，系统分析挡板布局的多参数耦合效应。
     
   • 采用DEM模拟颗粒尺度相互作用，弥补了连续介质模型（如SPH）无法描述颗粒细观机制的不足。
     
2. 发现创新：
   
   • 明确了流通区角度（α）为影响冲击力的最敏感参数，纠正了以往仅关注挡板高度的局限性。
     

其他有价值内容

• 对比研究：与Zhang et al. (2020)的结论差异（堆积区挡板冲击力更高）被归因于本研究的六位置全面分析，凸显了挡板布局的复杂性。
  
• 局限性：未与水槽实验直接对比，未来需通过实尺模型验证模拟结果的工程适用性。
  

（注：术语翻译示例：泥石流-debris flow；挡板-baffle；离散元法-Discrete Element Method, DEM；流通区-transit area；堆积区-deposition area）