Numerical modeling of debris flows characterization and mitigation using protective structures

Abstract

Nowadays, climate change and forest encroachment from community expansion have led to more frequent and intense natural disasters like landslides, debris flows, and flash floods. These events often cause serious damage to people, property, transportation routes, and infrastructure. Knowledge regarding the prevention and mitigation of impacts remains limited, partly due to the complex nature of debris flow behavior.

This research aims to study how debris flows move and how protective structures can help reduce their impact. A numerical model was developed to simulate the solid phase using the Discrete Element Method (DEM), and the fluid parts using Computational Fluid Dynamics (CFD).

In the study, dry granular materials were modeled using DEM with the LMGC90 program. The tests were carried out in flumes set at slopes of 25°, 30°, and 35°, under three conditions: no protection, rigid protection, and flexible protection. When compared with physical experiments, the simulation results showed good accuracy in terms of particle movement, impact force, and how materials pile up — with less than 10% error on average.

The DEM numerical model also showed that flexible protective structures could absorb energy and reduce the impact force effectively, as the structure deformed according to the flow force. In addition, Particle Tracking Velocimetry (PTV) was used in the physical tests to track how particles moved. It helped measure speed, direction, and movement clearly, which supported the DEM results. The CFD numerical model used for fluid behavior showed that the strongest impact happened right when the flow hit the structure, and then gradually decreased due to backflow. The steeper the slope, the more kinetic energy and stronger the impact. The model could also show flow patterns, collisions, reflections, and turbulence.

These findings help improve our understanding of how debris flows behave and can support better design of protective structures and sediment traps.

ปัจจุบัน การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและการรุกล้าพื้นที่ป่าไม้จากการขยายตัวของชุมชน ส่งผลให้ อัตราการเกิดภัยดินโคลนถล่ม เศษวัสดุธรณีไหล และน้ำป่าไหลหลาก มีความถี่และความรุนแรงเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ภัยพิบัติเหล่านี้ก่อให้เกิดความเสียหายต่อชีวิต ทรัพย์สิน ระบบคมนาคม และสาธารณูปโภคอย่างกว้างขวาง องค์ความรู้ในการป้องกันและบรรเทาผลกระทบยังมีอย่างจำกัด เนื่องจากพฤติกรรมการไหลของเศษวัสดุธรณีไหลมีความซับซ้อน งานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาพฤติกรรมการไหลหลากของเศษวัสดุธรณีไหล (debris flow) และแนวทางบรรเทาผลกระทบด้วยโครงสร้างป้องกัน โดยพัฒนาแบบจำลองเชิงตัวเลขที่จำแนก พฤติกรรมวัสดุเม็ดแห้ง (solid phase) ด้วยวิธี Discrete Element Method (DEM) และพฤติกรรมของของไหล (fluid phase) ด้วยวิธี Computational Fluid Dynamics (CFD) การจำลองวัสดุเม็ดแห้งด้วยแบบจำลองเชิงตัวเลข DEM ผ่านโปรแกรม LMGC90 ดำเนินการในรางทดลองที่มีความชัน 25, 30 และ 35 องศา ภายใต้เงื่อนไข 3 รูปแบบ ได้แก่ ไม่มีโครงสร้างป้องกัน โครงสร้างป้องกันแบบแข็ง และโครงสร้างป้องกันแบบยืดหยุ่น ผลการศึกษาจะมีการเปรียบเทียบกับข้อมูลการทดลองทางกายภาพ ซึ่งพบว่าแบบจำลองสามารถจำลองพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของอนุภาค แรงกระแทก และการสะสมของวัสดุได้ใกล้เคียงกับการทดลอง โดยมีค่าคลาดเคลื่อนเฉลี่ยต่ำกว่าร้อยละ 10 ซึ่งแสดงถึงความแม่นยำของแบบจำลองในระดับที่น่าพอใจ สำหรับโครงสร้างป้องกันแบบยืดหยุ่น แบบจำลองเชิง ตัวเลข DEM แสดงให้เห็นว่าสามารถดูดซับพลังงานและลดแรงกระแทกจากวัสดุเม็ดแห้งได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยโครงสร้างมีการเปลี่ยนรูปสอดคล้องกับแรงกระทำจากการไหล ส่วนการใช้เทคนิค Particle Tracking Velocimetry (PTV) ในการติดตามการเคลื่อนที่ของอนุภาค ในกรณีการทดลองทางกายภาพ ช่วยวัดความเร็ว ทิศทาง และพฤติกรรมของอนุภาคได้อย่างละเอียด สนับสนุนผลจากแบบจำลองเชิงตัวเลข DEM ได้อย่างมีนัยสำคัญ แบบจำลองเชิงตัวเลข CFD สำหรับศึกษาพฤติกรรมของของไหล พบว่าแรงกระแทกสูงสุดเกิดขึ้นทันทีเมื่อ ของไหลปะทะโครงสร้าง ก่อนลดลงตามคลื่นย้อนกลับ ความชันของรางมีผลต่อพลังงานจลน์และความรุนแรงของแรงกระแทก โดยแบบจำลองสามารถจำลองพฤติกรรมการไหล การปะทะ การสะท้อน และความปั่นป่วนได้อย่างชัดเจน จากผลการศึกษานี้สามารถนำไปใช้เป็นกรอบแนวทาง ในการวิเคราะห์พฤติกรรมของเศษวัสดุธรณีไหล (debris flow) ในเชิงกลศาสตร์ และสนับสนุนการออกแบบโครงสร้างป้องกัน กำแพงดักตะกอน ให้มี ประสิทธิภาพยิ่งขึ้น