屏障后方沉积高度对干颗粒流冲击机制的影响研究

本研究针对山地灾害防治中颗粒流冲击屏障的力学机制问题，采用离散元法(DEM)系统探究了沉积高度(h/H)对颗粒流运动特性、能量耗散及冲击力的影响。发现沉积高度超过0.25时引发上游堆积，冲击力与沉积高度呈二次函数关系，临界沉积高度为0.2，为屏障设计提供了理论依据。

　　

在群山环绕的险峻地带，滑坡和泥石流等颗粒流灾害如同潜伏的猛兽，时刻威胁着人类生命和基础设施安全。为抵御这些自然灾害，工程师们设计了各种防护屏障，但一个长期被忽视的问题逐渐浮出水面——多次灾害后堆积在屏障后方的沉积物，会如何改变后续颗粒流的冲击行为？传统研究多聚焦于"空屏障"场景，而现实中沉积物的存在可能彻底改变冲击动力学。这一认知空白使得现有屏障设计标准存在潜在风险，亟需从微观尺度揭示颗粒-沉积物-屏障的复杂相互作用机制。

深圳大学（Shenzhen University）的研究团队在《Powder Technology》发表的重要研究中，运用离散元法(Discrete Element Method, DEM)这一能够追踪单个颗粒运动的数值模拟技术，构建了包含不同沉积高度(h/H)的颗粒流冲击模型。通过校准已有实验数据确保模型可靠性，系统分析了0.125至0.5标准化沉积高度下颗粒流动特性、能量转化规律和屏障受力特征。

关键技术包括：DEM数值建模与参数校准、多组对照模拟(h/H=0.125-0.5)、颗粒运动轨迹追踪、接触力链网络分析、能量耗散计算等。研究通过200万颗粒规模的模拟，捕捉了从冲击初始到稳定堆积的全过程动力学行为。

【Impact process of granular flow】
研究发现颗粒流冲击过程呈现明显阶段性：当h/H≤0.25时，滑动颗粒与沉积物发生强烈混合，前端颗粒最大速度从3.5m/s骤降至1m/s；而当h/H>0.25时，沉积物体积效应凸显，推动堆积体向上游移动。特别值得注意的是，沉积物使颗粒流动能耗散率降低至0.0613，显著低于无沉积情况。

【Energy dissipation characteristics】
能量分析揭示关键规律：最终耗散能与势能变化率均为0.088，呈现线性协同变化；动能耗散率(0.0613)则相对滞后。沉积物通过改变接触力链分布，使35%的冲击能量通过颗粒摩擦而非屏障受力耗散，这一发现为优化屏障吸能设计提供了新思路。

【Impact force reduction mechanism】
最具工程价值的发现是冲击力与沉积高度的非线性关系：最大冲击力F_max和最终冲击力F_final均随h/H增加呈二次函数下降，临界沉积高度为0.2。当h/H=0.5时，冲击力降低幅度达62%，证明适度保留沉积物可显著提升屏障防护效能。

这项研究首次从颗粒尺度阐明了沉积高度对屏障防护性能的调控机制，突破了传统"清空沉积物"的维护理念。提出的临界沉积高度参数和冲击力预测模型，可直接应用于山地灾害防护工程的设计优化。特别是发现沉积物通过改变力链网络实现能量重分配的现象，为开发新型自调节屏障系统提供了理论基础。该成果不仅推动了地质灾害力学的发展，更启示工程师应重新评估现有防护结构的维护策略，在安全性与经济性之间寻求最佳平衡点。