基于离散元法的颗粒污染道路动力学安全评估框架：沉积高度对颗粒流冲击机制的影响研究

针对颗粒流冲击防护结构时沉积层高度影响机制不明的问题，研究人员采用离散元法(DEM)开展系统性研究。发现归一化沉积高度(h/H)在0.125-0.25时滑动颗粒与沉积层混合，高于0.25时沉积体积显著增加并引发上游堆积。研究建立了堆积长度与沉积高度的线性关系、冲击力与沉积高度的二次函数关系，揭示临界沉积高度(h/H≈0.2)可有效降低挡墙冲击力，为地质灾害防护工程设计提供理论依据。

　　

在山区地质灾害频发的背景下，颗粒流（如滑坡、泥石流）对防护结构的冲击机制研究一直是工程防灾领域的难点。现有研究多聚焦于无沉积条件下的理想化冲击场景，而现实中防护屏障后方形成的沉积层会显著改变后续颗粒流的动力学行为。这种"沉积层-颗粒流-屏障"三者间的复杂相互作用，直接关系到防护结构的设计安全性与使用寿命，却长期缺乏系统性研究。

深圳大学的研究团队在《Powder Technology》发表论文，采用离散元法(DEM)首次系统探究了沉积高度对颗粒流冲击机制的影响规律。通过精确校准数值模型，研究人员发现当归一化沉积高度(h/H)为0.125或0.25时，滑动颗粒会扰动并与沉积材料混合；当h/H超过0.25时，沉积体积显著增加并推动堆积向上游发展。更突破性的发现是：堆积长度与沉积高度呈线性关系，而堆积高度遵循二次函数；最终耗散能与势能具有相同变化率(0.088)，动能略低(0.0613)；沉积层可使挡墙冲击力降低，临界归一化沉积高度约为0.2。

研究主要运用离散元数值模拟技术，通过牛顿第二定律控制单个颗粒的平动和转动行为，建立包含50,000个球形颗粒的数值模型。采用Hertz-Mindlin接触力学模型精确计算颗粒间作用力，设置滑动颗粒与沉积层不同高度比(h/H=0-0.5)的对照场景，追踪颗粒运动轨迹和能量转化全过程。

【DEM理论】

基于Cundall和Strack提出的理论框架，通过求解每个颗粒的受力平衡方程，实现颗粒系统运动的精确模拟。控制方程显示，颗粒i的运动受重力、法向接触力F_ijⁿ和切向接触力F_ij^t共同支配。

【颗粒流冲击过程】

滑动颗粒启动过程呈现明显的前后波次特征：前沿颗粒率先运动，通过颗粒间摩擦逐渐带动后方颗粒。当h/H≤0.25时，滑动颗粒穿透沉积层；h/H>0.25时，沉积层形成有效缓冲，使颗粒流最大速度区从前沿转移至后方。

【结论】

研究首次量化揭示了沉积高度对颗粒流冲击的三重影响机制：能量耗散方面，沉积层使动能转化效率降低13.7%；力学响应方面，最大冲击力与h/H呈二次函数关系；运动学特征方面，临界沉积高度0.2H是流态转变的阈值点。这些发现为防护结构的优化设计提供了关键参数：将屏障后方沉积高度控制在0.2倍流深以上，可显著降低20%-35%的冲击荷载。

该研究通过微观尺度揭示了沉积层对颗粒流冲击机制的调控作用，建立的h/H-冲击力定量关系模型可直接应用于地质灾害防护工程。特别是发现的临界沉积高度现象，为"以沉积治沉积"的新型防护理念提供了理论基础，对提升山区基础设施的抗灾能力具有重要实践价值。研究团队Rui-Xiao Zhang等人提出的动力学安全评估框架，标志着颗粒流灾害防治从经验设计向理论预测的重要转变。