泥石流与公路路基相互作用的耦合数值仿真
过路涵洞设计中的泥石流模拟计算
过路涵洞设计中的泥石流模拟计算吴保生（清华大学）摘要：本文针对过路涵洞设计对泥石流进行了模拟计算。
首先在美国联邦高速公路局现有河流模拟与桥渡冲刷流管模型（BRI-STARS）的基础上，增加了泥石流的模拟计算功能，并根据实测泥石流资料对模型进行了验证。
然后采用修改后的模型，对位于美国科罗拉多州斯奴马西峡谷段的第SH-82号高速公路扩建工程中的泥石流涵洞，进行了不同设计方案的泥石流模拟计算，给出了可靠的涵洞与渠道水力设计参数。
模拟计算结果的分析表明，对于输送泥石流的过路涵洞，若采用传统的水力学计算方法，将会导致设计涵洞尺寸的严重不足。
修改后的BRI-STARS模型可以作为过路涵洞设计中泥石流模拟的有效工具，可用于同类条件下过路涵洞设计的水力计算。
关键词：泥石流模拟; 过路涵洞; BRI-STARS; 流管模型作者简介：吴保生(1959-)，男，清华大学博士。
收稿日期：2000-11-281 引言泥石流是公路交通中经常遇到的重大自然灾害之一。
在泥石流多发地区，泥石流携带的大量泥沙颗粒常常会在路面突然堆积，造成道路交通的中断和堵塞；特别是一些较大的泥石流，还可以凭借其巨大的能量将道路和桥梁冲毁，造成严重的交通事故和巨大的经济损失。
位于美国科罗拉多州斯奴马西峡谷段（Snowmass Canyon）的第SH-82号高速公路，便经常受到来自位于其靠山坡一侧流域的大小不等的泥石流的威胁，图1是现有SH-82号高速公路穿过典型泥石流堆积扇时的情形。
由于公路交通发展的需要，科罗拉多州高速公路局计划在现有SH-82号高速公路的内侧再增加一条道路，使之成为双向封闭的单行高速公路。
为了避免路面的正常运行受到泥石流的频繁威胁，拟对来自靠山坡一侧大小不等流域的泥石流采取必要的工程措施加以控制。
初步设计采用了在路面下设置过路涵洞的方法，将来自流域的泥石流通过涵洞输送到公路下侧的谷地[1]。
在传统的过路涵洞设计中，对于泥石流的水力计算并没有现成的方法可寻。
泥石流流场三维数值模拟研究
本次演示旨在探讨采空区自然发火的多场耦合机理及三维数值模拟研究。首先， 我们将概述研究背景，其次对多场耦合机理进行深入分析，最后利用三维数值 模拟方法进行研究并得出结论。
近年来，随着矿山开采强度的不断加大，采空区自然发火问题愈发突出。采空 区自然发火是由多种因素相互作用所致，如氧气、可燃物、温度和蓄热等。为 了有效防止采空区自然发火，亟需深入探讨多场耦合机理及三维数值模拟方法。
研究方法
本次演示采用三维数值模拟方法对气泡动力学特性进行深入研究。首先，我们 建立三维气泡运动的数学模型，包括流体动力学的相关方程和气泡与流体之间 的相互作用力。然后，利用计算流体动力学（CFD）软件实现对数学模型的数 值求解，并采用适当的网格划分和算法优化以提高计算精度和效率。此外，我 们还对计算过程中的边界条件和初始条件进行了详细设定，以确保模拟结果的 准确性和可靠性。
2、通过高精度测量设备获取泥石流数据，包括流量、速度、密度等； 3、对获取的数据进行预处理，将其转化为可用于数值计算的格式；
4、采用合适的数值计算方法对泥石流流场进行模拟，得到流场的各项参数；
5、对模拟结果进行后处理，例 如可视化、数据分析等。
结果分析
通过实验数据和模拟结果的比对，我们发现模拟结果与实验数据吻合较好，验 证了本次演示所采用的数值模拟方法的可行性和有效性。此外，本次演示还对 不同工况下的泥石流流场进行了模拟，发现流场的分布和变化规律与实际情况 相符，说明本次演示所采用的方法可以较为准确地模拟泥石流流场。
未来可以通过以下几个方面进行深入研究：首先，针对不同地区的地质条件， 开展更为精细和深入的数值模拟研究，以揭示支护结构的内在机制和演化规律。 其次，结合先进的机器学习和技术，开发智能化的数值模拟分析工具，提高分 析的效率和精度。最后，加强与实际工程的合作与交流，推动MIDASGTS基坑 支护技术的创新和应用发展。
泥石流启动试验的数值模拟研究
重 力 引起 的 下 滑 力 克 服 这 种 颗 粒 间 的 黏 结 力 时 ， 土 体 由 非 饱 和 状 态逐 渐 转 变 为 饱 和 状 态 ， 泥
石 流 才会启 动． 与原有 未考虑 非饱和 特性 的数 值模 拟 方法 对 比 ， 结果表 明 ，使 用 Ｐ Ｆ Ｃ 并考
虑 土体 非饱 和特 性 ， 可 以 更接 近 地 模 拟 流 滑 型 泥 石 流 的破 坏 形 态 和 启 动 过 程 ． 关键 词 ： 泥石 流 ； 启动过 程 ； 数值模 拟 ； 非 饱 和 特 性 中图分 类号 ： Ｐ ６ ４ 文 献标 识码 ： Ａ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈｉ ｓ ｐ ａ ｐｅ ｒ ｕ ｓ ｅ ｄ Ｐａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ Ｆｌ ｏ ｗ Ｃｏｄ ｅ（ ＰＦＣ ）ｔ ｏ ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍｏｄ ｅ ｌ ｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ｏｆ ｔ ｈｅ ｐ ｒ ｏｃ ｅ ｓ ｓ
南＿ 兰
试 验进 行数 值模 拟研 究． 考虑 泥石 流启动 过程 中砂 土的非饱 和特 性 ， 在前期 研 究 的基 础 上对
泥石流数值模拟方法研究进展
泥石流数值模拟方法研究进展乔成;欧国强;潘华利;王钧;宇岩【摘要】泥石流作为一种多相混合介质，所包含的物理过程和动力学特征非常复杂。
针对泥石流问题的数值模拟方法随着数值计算方法和物理计算模型的发展而发展，基于物理过程的数值模拟方法为探究泥石流复杂物理现象背后的机理提供了一种有效手段。
回顾了求解泥石流动力问题的数值模拟方法，从连续介质计算方法、离散介质计算方法和混合介质计算方法3个方面分析了不同数值模拟方法的特点和适用情况，介绍了在泥石流分析中常用的数值模拟软件及其特点，展望了求解泥石流动力学问题的数值模拟方法的发展趋势。
结果表明：传统的基于网格的计算方法已有长足发展和较长的应用历史，相对比较成熟，但是在处理大变形、快速运移的自由表面流问题时，存在网格容易畸变等问题；基于粒子的计算方法在处理上述问题时无需网格的划分和维护，易于确定自由表面位置和多相间的界面，但存在边界条件处理困难等问题；混合介质计算方法在较小尺度范围内对固体颗粒物质与液相相互作用机理进行探讨时具有重要作用。
%As a kind of multiphase mixture medium,the debris flow has the complicated physical processes and kinetic characteristics. The development of numerical modeling methods for simulating debris flow is accompanied by numerical computing methods and physical computing models.Numerical modeling methods based on the physical processes provide an effective measure to explore the mechanism of complex physical phenomena for debris flow.Numerical modeling methods for the debris flow dynamic problems were reviewed;the characteristics and applicable scopes of different numerical modeling methods including continuous medium,discrete medium andmixture medium computing methods were analyzed;the popular used numerical modeling software for the analysis of debris flow and their characteristics are introduced;the development trends of numerical modeling methods for the debris flow dynamic problemswere discussed.The results show that traditional computing methods based on mesh have considerable development and application history,but have problems such as mesh disordering when dealing with large deformation and fast transportation of free surface flow;when dealing with the above problems,the computing methods based on particle do not need mesh partition and maintenance, and easily locate the position of free surface and interface of phases,but have difficulties such as applying boundary conditions;mixture medium computing methods have important role when discussing the interaction mechanism of solid particles with fluid phase in small scale.【期刊名称】《地球科学与环境学报》【年(卷),期】2016(038)001【总页数】9页(P134-142)【关键词】泥石流;数值模拟;动力学模型;多相;连续介质;离散介质;混合介质;深度积分【作者】乔成;欧国强;潘华利;王钧;宇岩【作者单位】中国科学院∕水利部成都山地灾害与环境研究所中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都 610041; 中国科学院大学，北京 100049; 安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001;中国科学院∕水利部成都山地灾害与环境研究所中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都 610041;中国科学院∕水利部成都山地灾害与环境研究所中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都 610041;中国科学院∕水利部成都山地灾害与环境研究所中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都 610041; 中国科学院大学，北京100049;中国科学院∕水利部成都山地灾害与环境研究所中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都 610041; 中国科学院大学，北京 100049【正文语种】中文【中图分类】P642.23泥石流是一种由土、砂、石等固体颗粒物与水组成的，在重力驱动下沿山坡或沟谷运移的混合流体，具有宽级配、高浓度、直进性、大冲大淤、冲击力大、破坏力强等特点，往往由暴雨、融雪、溃坝、滑坡等引发。
泥石流的数值模拟及危险性评价
陕西省重点研发计划（2021SF-484） 作者简介：康永德（1989—），男，甘肃张掖人，博士研究生，主要从事计算水力学数值模拟研究。
第4期 2021 年 8 月
水 利 水 运 工 程 学 报
HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING
No. 4 Aug. 2021
DOI:10.12170/20201029001
康永德，侯精明，石宝山，等. 泥石流的数值模拟及危险性评价 [J]. 水利水运工程学报，2021（4）：75-84. （KANG Yongde, HOU Jingming, SHI Baoshan, et al. Simulation of debris flow and hazard assessment[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021（4）: 75-84. （in Chinese））
E-mail：kyd0115@ 通信作者： 侯精明（E-mail：jingming.hou@）
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水 利 水 运 工 程 学 报
2021 年 8 月
关 键 词：泥石流；GPU 加速计算；数值模拟
中图分类号：P642.23
文献标志码：A
文章编号：1009-640X(2021)04-0075-10
泥石流是一种破坏性极强的地表动力过程，对人类生命安全、财产及生产活动造成严重影响。此过程 较为复杂，前人已在数值算法及模型构建方面取得了丰硕成果[1-5]，如离散元法、格子玻尔兹曼法、光滑粒子 流体动力学法等数值模拟方法。上述方法各有优劣，离散元法和光滑粒子流体动力学法所建立的模型虽然 能较好地模拟复杂环境中的泥石流运动，但是计算成本较高大。Savage 等[6-7] 提出的方法可以很好地处理 不连续问题且效果较佳、结果可靠。王纯祥等[8] 采用基于 GIS 的深度积分二维数值模型模拟了泥石流的运 动规律。Hungr 等[9] 借助 DAN3D 模型模拟了泥石流的运动过程。Peng 等[10-13] 使用 FLO-2D 软件和 PFC2D 软件对泥石流进行模拟，并进行了危险性评价。Ouyang 等[14-15] 提出的基于深度积分的 Massflow 数值分析 法对泥石流运动规律进行了模拟，取得了理想结果。Han 等[16] 对浅水方程与侵蚀模型进行耦合，模拟了泥 石流的运动规律和流变参数。由于网格大小和边界条件复杂等问题，泥石流模拟中尚存在诸多挑战[17]。如 果不简化某些项，计算效率将受限制，特别是数值计算过程中的不收敛和发散现象[18]。
泥石流启动试验的数值模拟研究
泥石流启动试验的数值模拟研究作者：周健 杜强 于仕才来源：《湖南大学学报·自然科学版》2015年第09期摘要：采用离散元颗粒流程序PFC3D（Particle Flow Code）对泥石流启动过程的模型试验进行数值模拟研究.考虑泥石流启动过程中砂土的非饱和特性，在前期研究的基础上对模型进行改进，利用微小颗粒模拟水团，并通过设置黏结模型模拟土颗粒间的基质吸力.将数值模拟结果与室内模型试验进行对比分析，分析得出泥石流的启动表现为后部土体推挤前部土体快速下滑.非饱和状态下，颗粒间的基质吸力提供了一定的土体强度，当渗透力和重力引起的下滑力克服这种颗粒间的黏结力时，土体由非饱和状态逐渐转变为饱和状态，泥石流才会启动.与原有未考虑非饱和特性的数值模拟方法对比，结果表明，使用PFC3D并考虑土体非饱和特性，可以更接近地模拟流滑型泥石流的破坏形态和启动过程.关键词：泥石流；启动过程；数值模拟；非饱和特性中图分类号：P64 文献标识码：A近几十年，国内外学者从室内试验、野外试验以及数值模拟等方面对泥石流做了大量的研究，并在泥石流的启动方面取得了许多研究成果.泥石流受降雨强度、坡度和坡面土体特性等因素影响较大，其启动机理和力学过程比较复杂，单从宏观或连续角度研究其机理可能会遇到瓶颈.而结合离散元数值模拟，可以从细观和非连续的角度出发进行泥石流启动过程的研究，为揭示泥石流的启动机理提供新的研究方法和研究思路.Asmar和Langston[1]采用离散元法（DEM）模拟三维颗粒流动，颗粒间接触力考虑弹黏性和阻尼作用，流体按欧拉法模拟，流固耦合考虑相间力，得到泥石流流动过程中的应力分布和能量变化，提出了DEM模拟泥石流的潜在优势.Valentino和Barla 等[2]通过室内小模型试验和DEM相结合的方法，对斜面上干砂颗粒的流动进行了分析.Tang和Hu等[3]利用二维离散元程序（PFC2D）模拟了由地震引起的土体滑坡，分析过程中考虑了颗粒间的黏结作用.胡明鉴和汪稔等[4]采用PFC2D分析降雨作用下松散碎屑物质形成泥石流的过程及其与土体含水率的关系.Toyoshi和Wada等[5]基于Koshizuka等提出的固液流仿真多尺度DEMMPS方法，修改了拉普拉斯模型和有效截断半径算法，修改后的模型可以直接处理小颗粒和大颗粒.Blasio[6]通过在DEM颗粒间增加吸引力来模拟黏性力，基于分子动力学计算方法提出了一种黏性泥石流动力特性的数值模拟方法，能够简单方便地模拟计算黏性泥石流.周凯敏[7]利用室内模型试验和PFC3D研究了降雨诱发泥石流的宏细观机理.周健等[8-9]利用室内模型试验研究了针对滑坡型泥石流的锚杆护坡防治，以及颗粒组分对泥石流形成形态的影响.以上研究多采用离散元方法对泥石流进行数值模拟，在一定程度上避免了连续体方法在求解泥石流的大变形问题以及考虑颗粒流体相互作用时难以得到精确解答的弊端，但少有考虑泥石流的非饱和特性.本文在前期研究的基础之上，结合室内模型试验，尝试采用微小颗粒模拟水，从非连续和非饱和两方面对降雨诱发泥石流启动过程进行研究.1模拟方法的选择及模型的改进1.1模拟方法的选择泥石流的启动过程，属于大变形破坏问题.砂土作为一种散粒体介质，使用基于小变形连续体假设的有限元方法不能精确模拟它的运动与破坏.对于砂土在渗透力的作用下发生流滑破坏的模拟，有限元方法由于只能处理连续体、小变形问题，在此便显得力不从心.本文选择颗粒流离散单元法作为数值模拟分析的手段，是基于这种方法允许土颗粒发生平移、滑移和旋转，并且允许颗粒之间发生接触分离和形成新接触，适用于模拟离散颗粒组合体在准静态或动态条件下的变形及破坏过程，因而可以有效模拟泥石流这种大变形问题，还可以实时观察泥石流启动过程中颗粒的运动状况及其细观组构的变化和发展.1.2模型的改进三维颗粒流程序（PFC3D）把真实的颗粒抽象为颗粒单元，通过对颗粒单元几何性状、接触模型、边界条件和若干应力平衡状态的分析计算，进行时步迭代，使数值模拟试样的宏观力学特性逼近真实材料的力学特性，以实现数值求解的准确.PFC3D的接触模型有以下几种：1）线弹性或HertzMindlin 模型；2）滑动模型；3）点接触与平行接触2种黏结模型.PFC3D中并没有自带模块可以直接进行非饱和土的水土相互作用的模拟.考虑到流体与固体的相互作用，从微观尺度来观察也满足牛顿力学定律，理论上将水进行离散模拟存在可行性.所以本文将尝试一种全新的模拟方法：利用微小颗粒来模拟水团.在土颗粒间的孔隙中生成水颗粒，同时在土颗粒间采用接触黏结模型和滑动模型近似模拟砂土非饱和状态下的基质吸力，以此考虑砂土泥石流启动过程中土体的非饱和状态，在此基础之上研究砂土泥石流的启动机理.作为一种液态物质，水在与土相互作用时表现出了表面张力的影响，为了模拟水的表面张力，本文在建模时采取了给颗粒设定黏聚力的方法；考虑到水的不可压缩性，为水颗粒设置一定的法向刚度进行模拟；为了模拟水不能受剪应力的性质，将水颗粒之间的切向刚度设为0.通过不断调整与尝试，发现当水颗粒大小比土颗粒小至少一个数量级时，模拟的效果较好.经过多次尝试和改进，发现当水颗粒的粒径范围在1～10 mm时，黏聚力取值5～8 N比较合适，此时数值模拟中水颗粒可较好地模拟水在土体中的渗透迁移现象.并通过对教研室已进行的矿粉流态化振动台试验进行数值模拟来验证[10].2室内模型试验为了更好地再现云南东川蒋家沟泥石流的现场情况，周健等[11]对现场土体堆积区进行原状土取样，并进行了颗粒分析.通过颗粒分析发现，颗粒中砂砾质量分数为43%，黏粒质量分数为4.5%.通过5组室内模型试验发现，泥石流启动时，粒径>2 mm的颗粒对泥石流的启动机制影响不大，因此，试验砂样的级配采用等量代替法[12]，保证2 mm的粒径按照质量分数掺入2 mm的砂颗粒，试验验证启动时与原状土样启动机制吻合较好，砂土级配曲线如图1所示.粒径/mm通过室内模型试验发现，在降雨前，试验土体处于非饱和状态，由于基质吸力的作用，土体的抗剪强度比较高，坡体处于稳定状态.随着降雨的入渗，一方面，土体的初始水位不断增大，导致剪切强度逐渐增大；另一方面，雨水入渗导致土体不断饱和，基质吸力降低；若土体完全饱和，则基质吸力降为0.降雨入渗过程中含水量上升，使得土体的孔隙水压力不断升高，导致土体的抗剪强度降低.砂土的基质吸力提供的强度，在含水量较低时比较大，最大值接近85 kPa，当含水量增大时，基质吸力减小.基质吸力通过PFMeter探头进行量测，结果如图2所示.试验中水的快速流动增大了渗透力下滑分量.从非饱和过渡到饱和阶段，不同部位由于存在水头压力差，导致水体在土体内部产生流动，这种水体的流动会对砂土颗粒产生渗透力.随着水体流速的增大，当土体剪切强度大于抗剪强度时，堆积土体将会向下分离和滑动，最后在重力、渗透力和雨水冲刷携带等多重作用下，形成流动下滑状态，并最终形成砂土泥石流[13] .3数值模拟模型的建立及分析由于观测手段和试验方法的限制，室内模型试验能得到的数据非常有限.相对于室内模型试验，数值模拟除了可以观察宏观破坏现象还能记录每一点在任意时刻的速度、位移和作用力，并且数据记录操作不会对滑动过程造成任何影响.采用数值模拟，可以从细观的角度研究土颗粒之间以及土颗粒与水颗粒之间的相互作用，是研究砂土泥石流启动过程的一种有效辅助手段.3.1模型的建立依据前文所述砂土泥石流室内模型试验建模并进行数值分析.由模型试验结果可知：泥石流启动过程分为降雨入渗和土体滑动2阶段，第一阶段主要涉及水体渗透和小变形问题，第二阶段主要涉及大变形和破坏问题.本文针对第二阶段，即土体滑动阶段进行离散元数值模拟.在建模过程中即考虑雨水的渗入引起土中水的分布，以及土的非饱和状态.通过简化颗粒流数值模型，分析在渗流作用下土体破坏形态、颗粒运动规律、土体细观组构等变化规律，从细观角度揭示降雨条件下泥石流启动的内在机理.数值模拟模型槽由四面刚性墙组成，斜槽倾角为25°（即底面墙和水平面的夹角为25°），如图3所示.模型槽长度为1.0 m，底面摩擦因数与砂颗粒相同，取值为0.5；其他3面墙体（前、后、左）代表模型试验中的玻璃侧壁和后壁，墙体高度为0.3 m，摩擦因数取值为0，忽略墙体对颗粒运动的影响，墙体的细观参数见表1.模型槽的右下侧为自由下落区域，为了提高数值模拟整体效率，进入此区域的颗粒将会被程序删除.深色为水颗粒，浅色为土颗粒数值模拟坡体试样的纵剖面尺寸为：上表面0.5 m，下表面0.85 m，坡体高度0.25 m，宽度方向0.25 m，如图3所示.数值试验中土颗粒的粒径取值范围为8.0～18.0 mm，利用PFC3D 内置函数按均匀分布粒径生成试样，试样的平均粒径D50=13 mm，以孔隙率参数（孔隙率为0.5）来控制颗粒生成数量.在进行数值建模时，PFC3D还不能达到让颗粒的所有特性与实际土体一致.合理的方法是在不影响数值模拟结果的前提下，减少数值模型中颗粒的数量，具体的方式有2种：一种是保持数值模拟试样的外观尺寸与室内模型试样相近，适当放大数值模拟试样颗粒的平均粒径，以减少生成的颗粒数量；第二种方式是让数值模拟试样颗粒的平均粒径与室内试样保持一致，适当缩小数值模拟试样的外观尺寸，以减少生成的颗粒数量，本文采用第一种方法.已有研究表明，当模型尺寸与颗粒的平均粒径之比不小于30时，可忽略模型中颗粒粒径的尺寸效应[14].本文建模采用的模型尺寸与颗粒的平均粒径比为57，因此可以忽略尺寸效应.在颗粒流数值模拟中体现泥石流的非饱和特性，是数值模拟中的一个技术难题.本文在室内模型试验和前期数值模拟成果的基础上[7，11，13]，进一步考虑泥石流的非饱和特性，采用微小颗粒模拟水颗粒的方法，通过调整参数，使得水颗粒可以近似模拟水的不可压缩性、不可受剪性和水的表面张力，在土颗粒形成的孔隙中生成水颗粒，并通过设置土颗粒间的接触黏结模型和滑移模型来模拟基质吸力，以此来模拟泥石流的非饱和特性.模型所需设置的颗粒细观参数见表1.考虑到部分渗流，水颗粒仅在土体高度0.02～0.20 m的范围内生成（图3）.水颗粒的生成总数为3 000个，法向与切向正向定义见图4.3.2数值模拟步骤为了再现泥石流启动过程土体中的位移场、速度场、应力场等一系列宏细观量的变化规律，将数值模拟程序划分为制样和土体滑动模拟2个步骤，PFC3D数值模拟步骤如下.1）制样：先生成模型槽，然后在模型槽指定范围内生成土颗粒，让土颗粒在自重作用下沉积达到初始平衡状态.图5（a）所示为试样的平均不平衡力曲线，当系统的最大不平衡力与平均不平衡力之比小于1‰时，认为系统达到初始平衡.图5（b）所示为制样过程中试样中部土体沿高度位置的自重应力分布曲线，底部土体所受的竖向应力大于上部土体，符合实际规律.土颗粒达到平衡后，在孔隙中生成水颗粒，并为水颗粒设定黏聚力等参数.2）土体滑动模拟：对水颗粒设定初始运动参数，来模拟水的渗流.土颗粒在自身重力和水颗粒的渗透力等作用下，发生流动下滑的现象，当颗粒滑出边界后通过FISH函数自动搜索并删除.设置输出和量测函数提取和分析土体在滑动过程中的破坏形态，以及土水颗粒相互作用规律，研究泥石流的启动过程.时间/min（a）不平衡力时间/min（b）不同位置自重应力3.3数值模拟结果与分析对于土体在渗透力作用下滑动阶段的数值模拟，按照试验现象，也可进一步划分为滑动前和滑动破坏过程.数值模拟的初始状态如图6（a）所示，为了与室内模型试验的雨水分布（图中颜色较深部分）状况一致，在数值模拟中，水颗粒的生成范围被设定为远离坡脚，均匀分布在土体上方的矩形区域内，而在坡脚的三角形区域中没有水颗粒生成.1）滑动前：数值模拟试验滑动前过程的主要特征有：水颗粒在重力作用下向坡脚运动，在数值模拟的全过程中，水颗粒都没有从坡脚渗出；位于斜坡上部的矩形区域内的土体受到渗透力的作用，颗粒间黏结力减小，土骨架被破坏，颗粒位置重新分布，并产生了显著的沉降和位移；水的渗流作用为土颗粒的下滑积聚了能量；从图6（b）中可以看出，上部矩形区域土体产生较大的向下沉降，而沿平行于土体底面方向的位移量由坡顶至坡脚逐渐减小，越靠近坡脚三角形区域的位移量越小.2）滑动破坏过程：随着水颗粒渗透的继续进行，土颗粒受到持续的渗透力作用，坡体较上部分的土体向下位移继续增大，导致后部土体向前挤压产生显著变形，在宏观上的表现为土体的后部下陷，厚度减小，而前半部分土体隆起，厚度增加，如图6（c）所示.水颗粒向坡体下部的渗透持续进行，土体逐渐形成典型的波浪状断面.在模拟的某个时刻，土体内部的下滑能量逐渐积累到一定程度，在没有明显征兆的情况下，坡体后部矩形区域中的土颗粒会明显快速地整体向下滑动，推动并覆盖三角形区域内的土体一起快速向下运动，如图6（d）所示.数值模拟中，土体破坏阶段没有观察到明显的张拉裂缝或滑动面的形成，这种整体流滑破坏形式与室内模型试验的破坏形态（图7）非常相似.图8是以正视图记录的数值模拟泥石流的破坏形态.在模拟的初始阶段，如图8（a）所示，可以看到土体位于模型箱的较上部，坡前、坡脚以及土体表面都没有水颗粒，土体后部平整；经过若干时步之后，土体形态变成如图8（b）所示，可以发现坡前开始有水渗出，坡脚位置基本没有变化，没有出现坡脚渗流破坏，而土体的后部则出现了一定沉降；随着模拟的继续进行，土体形态发展成如图8（c）所示，坡前开始出现大量水颗粒，并且水颗粒相对更接近坡脚，此时土体后部出现了显著沉降和滑动，推动前部土体向下运动；随着泥石流的启动，土体的运动由前期的缓慢变形转换为突然下滑，如图8（d）所示，后部土体推动前部土体，随着水的渗流运动快速破坏下滑，形成砂土泥石流的滑动破坏形态.通过离散元数值模拟发现，数值模拟结果与模型试验的破坏形态基本吻合，从图6和图7的对比可以发现：1）在发生滑动时，后部土体受到水颗粒竖向渗透力的作用，产生表层沉降现象，尤其是在靠近后壁的土体沉降量最大.2）与室内试验相同，数值模拟中土体的变形沿试样高度也基本呈线性变化，即距离表层越近的地方，土体的变形量越大；由于试样底部的颗粒与底部墙体摩擦力的作用，使得底部颗粒的运动受到限制，土体的变形较小.3）试样中的三角形区域土体基本保持完好，没有发生坡脚的渗透破坏，三角形区域底部摩擦力等作用阻止后部土体的快速下滑，这与室内试验相同.4）由于数值模拟中，土体中的水颗粒并没有在表层附近生成，也没有模拟降雨过程，这样在数值中也就不易模拟出表层冲蚀现象.5）土体在快速下滑过程中的破坏形态，表现为后部土体推挤前部土体快速下滑，数值模拟和室内模型试验结果基本一致.以上分析表明，基于离散元法的PFC3D对于模拟砂土在降雨作用下诱发滑动破坏具有可行性，模拟结果能真实地再现破坏滑动的全过程，这也是传统的有限元法不可比拟的.同时也说明本文采用微小颗粒模拟水颗粒的方法，通过调整参数，模拟泥石流的非饱和特性的研究手段具有可行性，可以进行更加深入的研究与改进.需指出的是，由于计算机的计算效率，采用颗粒放大和缩小模型尺寸的方法，对数值模型进行简化，使得数值模拟具有一定的局限性，还需要对数值模型进行进一步优化与调整.图9所示为数值模拟中，泥石流启动过程土颗粒的速度矢量分布情况.从图中可以看到，贴近底板的上部（左下角）土体速度较小.后部土体颗粒的速度方向主要为向底板沉降和向下滑动，前者在宏观上的表现为后部土体的表面沉降，而后者则引起砂土滑动体长度的增大，两者的共同作用使得后部土体向长薄型发展.数值模拟中，前部土体颗粒的运动则主要以平行于底板向下滑动为主，且靠近表层的颗粒运动速度较大，靠近底板的颗粒运动速度较小，这种速度差引起了土体颗粒的错动，形成宏观上的坡前隆起.上述土颗粒运动速度的大小与方向，将使得土体向典型的波浪形轮廓发展，且积聚了巨大的破坏能量.数值模型中采用接触黏结模型近似考虑非饱和土的基质吸力.从图9中可以看到，由于颗粒间存在黏结力，使得颗粒间保持稳定状态；在降雨过程中，没有产生位移和沉降现象.只有当渗透力和重力引起的下滑力克服这种颗粒间的黏结力时，土体由非饱和状态逐渐转变为饱和状态时，土体才可能产生破坏和下滑.由于水体在坡体中渗流运动，导致破坏的砂土颗粒，在水体的渗透携带作用下快速向下滑动，在这个过程中颗粒间相互碰撞和摩擦，颗粒速度矢量不断变化，但颗粒运动的总体趋势是向下的，且速度不断增大.课题组前期曾利用PFC3D研究降雨诱发泥石流的宏细观机理，采用的是PFC3D自带的流固耦合模块，通过流体网格引入水的渗流作用，取得了一定的成果[7]，下面将本文所得结果与其进行对比.对于流滑型泥石流，启动与破坏过程对比见图10.从图10对比中可以看出，在泥石流滑动前，本文采用的方法与已有方法模拟结果接近，都与试验结果比较一致，很好地体现了坡后部的沉降和滑移.而在破坏阶段，本文所采用的新方法则体现出了明显的优势，其清晰地再现了模型试验中后部土体沉降推动前部土体下滑，土体中部沉降最大，并在坡前部形成隆起的破坏形态，而已有数值模拟方法得到的结果无法模拟这一实际情况.以上分析说明，本文采用的利用微小颗粒模拟水，并设置黏结力模拟基质吸力来考虑泥石流非饱和特性的模拟方法，在对流滑型砂土泥石流的数值模拟中，相较于已有方法有很大的改进，能较准确地再现模型试验的真实破坏形态，体现了新方法的优越性.4结论本文利用微小颗粒模拟水颗粒以考虑泥石流的非饱和特性，用这种新型模型对砂土流滑型泥石流进行了数值模拟，取得了和模型试验非常接近的结果，并与已有的数值模拟方法进行了对比，得到以下主要结论：1）采用微小颗粒模拟水的新方法，由于考虑了砂土泥石流的非饱和特性，对土颗粒间的基质吸力和土中水的运动进行模拟，与未考虑非饱和特性的模拟结果相比，其模拟流滑型泥石流的结果与模型试验的结果更接近，说明了该方法具有可行性.2）泥石流的启动表现为后部土体推挤前部土体快速下滑，分为入渗和滑动破坏两阶段.非饱和状态下，颗粒间的基质吸力提供了一定的土体强度，当渗透力和重力引起的下滑力克服这种颗粒间的黏结力时，土体由非饱和状态逐渐转变为饱和状态，土体才可能产生破坏和下滑.3）数值模拟结果能清晰地再现泥石流的启动、发展变化规律，这表明离散元法对于模拟砂土泥石流这种大变形、破坏性问题具有优越性.4）对砂土泥石流进行离散元法数值模拟，可以得到详细的砂土破坏形态、颗粒运动、流速分布规律等宏细观结果，相较受限于观测手段和试验方法的模型试验，是研究砂土泥石流宏细观机理的有力的辅助手段.5）由于计算机的计算效率，采用颗粒放大和缩小模型尺寸的方法，对数值模型进行简化，使得数值模拟具有一定的局限性，还需要对数值模型进行进一步优化与调整.参考文献[1]ASMAR B N， LANGSTON P A. The potential of the discrete element method to simulate debris flow [C]//DebrisFlow Hazards Mitigation： Mechanics， Prediction， and Assessment. Rotterdam： Mill Press， 2003： 435-445.[2]VALENTINO R， BARLA G， MONUASIO L. Experimental analysis and micromechanical modeling of dry granular flow and impacts in laboratory flume tests [J]. Rock Mech Rock Engng， 2008， 41（1）： 153-177.[3]TANG C L， HU J C， LIN M L， et al. The Tsaoling landslide triggered by the ChiChi earthquake， Taiwan： Insights from a discrete element simulation [J]. Engineering Geology，2009， 106（1/2）： 1-19.[4]胡明鉴，汪稔，陈中学，等. 泥石流启动过程PFC数值模拟 [J]. 岩土力学， 2010， 30（S1）： 394-397.HU Mingjian， WANG Ren， CHEN Zhongxue， et al. Initiation process simulation of debris deposit based on particle flow code[J]. Rock and Soil Mechanics， 2010， 30（S1）： 394-397.（In Chinese）[5]TOYOSHI T， WADA Y， KIKUCHI M， et al. Solidliquid flows simulation for debris avalanche analysis [J]. Key Engineering Materials， 2011， 462/463： 855-860.[6]BLASIO F V D. Preliminary discrete particle model in a computer simulation of cohesive debris flows [J]. Geotechnical and Geological Engineering， 2012， 30（1）： 269-276.[7]周凯敏. 降雨诱发砂土泥石流遥宏细观机理研究[D]. 上海：同济大学土木工程学院，2010：114-140.ZHOU Kaimin. Research on the macromeso mechanism of rainfallinduced sandy soilflow[D].Shanghai： College of Civil Engineering， Tongji University， 2010：114-140.（In Chinese）[8]周健，李业勋，张姣，等.泥石流“锚杆护坡”防治模型试验宏细观机理[J]. 湖南大学学报：自然科学版，2013，40（6）：20-26.ZHOU Jian， LI Yexun， ZHANG Jiao， et al. Macromicro mechanism and experimental research of “anchorslope protection” of debris flow[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2013，40（6）：20-26.（In Chinese）[9]周健，王连欣，贾敏才，等. 颗粒组分对泥石流形成形态影响研究[J]. 湖南大学学报：自然科学版， 2014，41（1）：8-14.。
山区小流域泥石流灾害全过程数值模拟理论方法及两种仿真软件对比
山区小流域泥石流灾害全过程数值模拟理论方法及两种仿真软件对比摘要：我国是一个山区面积广袤而形成条件机制复杂的国家，“5.12汶川特大地震”之后西南山区情况更为严峻复杂，泥石流灾害频发。
针对这一现状许多学者对泥石流灾害展开了大量分析和数值模拟研究。
成都理工大学王飞龙硕士基于OpenLISEM模型的小流域泥石流集成数值软件对单一泥石流灾害进行了数值模拟，并输出了合理范围内的泥石流的侵蚀量和堆积深度。
国内学者段学良等人基于Massflow软件对西藏仁布杰仲沟泥石流运动特征进行了分析。
本文讨论了基于OpenLISEM模型的集成数值模拟软件以及基于深度积分的连续介质模型的数值模拟软件-MassFlow对小流域泥石流全过程数值模拟理论过程和优缺点。
两个软件但均能计算出可以接受的结果，根据两种软件运行机制进行一个多方位多尺度的对比，对比结果为研究工作者对山区小流域泥石流进行数值模拟工作提供了模型选择指导和参考。
关键词：泥石流;数值模拟;OpenLISEM;MassFlow1 国内外研究现状泥石流触发的水文条件和气象阈值均不同。
这些阈值一般是根据一次泥石流事件中的建立的降雨强度持续曲线获得的[1]。
随后学者们又对滑坡转化为泥石流的机理和可能性做了部分研究。
研究人员描述了由泥石流启动和冲出引起的沟床运动的边界条件。
然而，鲜有研究涉及到径流侵蚀、启动、冲出的一个综合模型。
1.1 基于动力过程的泥石流数值模型研究泥石流数值模拟方法主要有连续介质力学模型、混合介质模型、离散介质模型。
在求解效率方面，由于混合介质模型需要对液相和固相分开独立求解，并考虑其相互间的作用影响，计算效率会因此大大降低，无法做到泥石流灾害的高效模拟。
在模型方面，混合介质模型的发展要远远滞后于单一介质模型的发展，在很多现象的模拟中还存在不足。
相对而言，基于深度积分理论的连续介质力学模型在求解效率、模型精度方面都有其独特的优势，因此更适用于小流域尺度的泥石流灾害动力学计算[2]。
基于SPH方法的黏性泥石流堆积形态数值模拟_缪吉伦
（ 1． Southwest Ｒesearch Institute of Waterway Transportation ， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400016 ， China； 2． Ｒesource ＆ Environment Engineering College ，Chongqing University， Chongqing 400015 ， China）
1， 2 1， 2 1 张文忠 ， 周家俞 缪吉伦 ， （ 1． 重庆交通大学 西南水运工程研究所， 重庆 400016 ； 2． 重庆大学 资源及环境学院， 重庆 重的灾难 。黏性泥石流的运动符合宾汉流体运动规律， 认为黏性泥石流
遵循可压缩流 Navier － Stokes 方程， 建立了基于无网格粒子算法的 SPH 数值模型。 对 SPH 法的基本 原理、 核函数及控制方程离散格式 、 边界处理及数值解法等进行了介绍 。 在此基础上分析研究了黏 性泥石流堆积运动过程， 并与试验结果及其他理论方法得到的结果进行了比较， 表明该方法能够模 拟黏性泥石流的堆积运动过程 。 关键词： 泥石流； 光滑粒子流体动力学； 无网格法； 数值模拟 中图分类号： P642． 23 文献标志码： A
·
μ eff = μ B +
·
（ 4）
γ Bingham 屈服应力及剪应变率。 μ B 和 τ B 和γ 分别为粘性系数、 μB ， τ B 可根据费祥俊公式求出或实测得 式中， 到。 在二维模型中γ 可简化为
· ·
γ =
y 方向的流速矢量。 式中 u 和 v 分别为 x、 在此模型中， 当剪应力小于屈服应力时， 流体运动同刚体类似； 当剪应力大于屈服应力时， 表现为牛顿流 体运动。
泥石流启动试验的数值模拟
研究展望
未来可以进一步拓展数值模拟方法在泥 石流启动试验中的应用范围，包括不同 类型泥石流、不同地形条件下的启动试 验等。
加强数值模拟方法与实际工程应用的结合， 提高数值模拟结果的实用性和可操作性，为 实际工程提供更加精准的指导。
深入研究泥石流启动试验中的关键 影响因素，如颗粒级配、坡度、降 雨强度等，为优化试验方案和参数 设置提供理论支持。
确定数值模拟参数
根据所选的数值模拟算法，确定 相关的数值模拟参数，如网格大 小、时间步长等。
验证数值模拟参数
通过对比实验数据和数值模拟结 果，验证所选数值模拟参数的准 确性和可靠性。
建立数值模拟模型
1 2
建立数值模拟平台
根据所选的数值模拟算法和相关软件，建立数值 模拟平台。
输入初始条件和边界条件
在数值模拟平台上输入初始条件和边界条件，为 数值模拟计算做准备。
OpenFOAM
开放源代码
OpenFOAM是一款开源的数值模拟 软件，其开放源代码的特性使得用户 可以自由地对其进行修改和扩展。
计算效率高
OpenFOAM采用先进的计算方法和 优化技术，具有较高的计算效率，适 用于大规模的泥石流启动试验模拟。
LAMMPS
大型分子动力学模拟软件
LAMMPS是一款大型分子动力学模拟软件，可用于模拟复杂的固体和流体系统，包括 泥石流启动过程。
强大的并行计算能力
LAMMPS具有强大的并行计算能力，可以高效地处理大规模的模拟计算，适用于大规 模的泥石流启动试验模拟。
其他数值模拟软件
要点一
FEMM（Finite Element Method …
FEMM是一款开源的电磁场模拟软件，虽然主要用于二维 的电磁场模拟，但在一些特殊情况下也可以用于泥石流启 动试验的数值模拟。
数值模拟在泥石流防治工程勘查中的应用与验证
数值模拟在泥石流防治工程勘查中的应用与验证泥石流是一种自然灾害，由于其具有突发性、冲击力大和速度快等特点，给人们的生命和财产安全带来了严重威胁。
因此，在泥石流防治工程的规划和设计中，有效的勘查工作是至关重要的。
近年来，数值模拟技术成为泥石流防治工程勘查中的重要方法之一。
本文将探讨数值模拟在泥石流防治工程勘查中的应用与验证。
首先，我们来看一下数值模拟在泥石流防治工程勘查中的应用。
数值模拟技术通过建立数学模型，模拟和预测泥石流的运动过程和特性，为泥石流防治工程的规划和设计提供有力的支持。
数值模拟可以帮助工程师了解泥石流在不同地形和条件下的流动规律，进而选择合适的工程措施，减少灾害风险。
其次，数值模拟在泥石流防治工程勘查中的验证也非常重要。
通过对数值模拟结果与现场实测数据的对比分析，可以验证数值模拟的准确性和可靠性，进一步提高泥石流防治工程的规划和设计的科学性。
验证的方法可以包括对泥石流的流速、流动距离、冲击力等参数进行测量，并与数值模拟的结果进行比较。
通过验证，可以发现模型中存在的不足之处，并且提出改进建议，以提高模型的精确度和可靠性。
在实际应用中，数值模拟在泥石流防治工程勘查中有一些常见的应用方法。
首先是基于物理模型的数值模拟。
可以通过收集现场的地质和气象数据，建立基于物理模型的数值模拟，来模拟泥石流的运动过程和对工程设施的影响。
其次是基于统计模型的数值模拟。
通过对历史泥石流事件的统计分析，建立基于统计模型的数值模拟，来预测未来的泥石流活动情况。
最后是基于数学模型的数值模拟。
利用数学模型对泥石流的流动过程进行建模，并通过数值计算方法对模型进行求解，得到泥石流的运动规律和特性。
然而，数值模拟在泥石流防治工程勘查中也存在一些挑战和限制。
首先是模型选择的问题。
泥石流的运动过程非常复杂，需要选择合适的数值模型来进行模拟。
不同的数值模型有不同的假设和适用范围，选择合适的模型对于模拟结果的准确性和可靠性至关重要。
泥石流灾害链数值模拟开发
泥石流灾害链数值模拟开发砂石流灾害链的数值模拟开发是面向地质灾害防治的重要研究方向之一。
砂石流包括泥石流、碎屑流和滑坡流，它们通常是在下斜坡上形成由礁块、砂粒或泥土组成的流动体的现象，沿着斜坡向下流动。
由于流体的流动速度很快，其水力和冲击力会给底座土壤、构筑物和人员等造成巨大的破坏。
因此，研究和发展砂石流灾害链的数值模拟对降低人员和财产损失具有重要的意义。
通常，砂石流灾害链的数值模拟可以分为三个阶段：起源物理、有限元分析和现场灾害检测。
首先，起源物理可以用来预测灾害的发生，并针对各因素进行灾害评估，如洪水、降雨、变形压力、埋压等。
其次，有限元分析可以用来预测砂石流的动态特性，以改善建筑物的设计及抗灾性能，如拓扑结构、减小冲击力及改善水力结构。
最后，现场灾害检测可以用来进行灾害发展情况实时监测，如遥感、可视化分析等。
砂石流灾害链的数值模拟开发主要依赖三种信息技术：遥感技术、数值模拟仿真技术和计算机综合测控技术。
遥感技术可以用来进行测绘灾害频率分布，以提供决策所需的地理位置及环境信息；数值模拟仿真技术可用于模拟形成灾害的地质条件、冲击力及流动对结构物的损坏；而计算机综合测控技术则可用于协助现场实时监测，以有效预测灾害发展趋势及及时采取有效措施。
基于以上信息技术，可以开发出一套可行的砂石流灾害链数值模拟系统。
该系统能够模拟形成砂石流的水文地质条件，使用有限元模拟对砂石流物理现象考虑动态影响，并采用遥感技术和计算机综合测控技术对灾害进行实时监测，从而获得灾害的发展始末和防治措施。
该系统不仅可以改善面向防灾领域的工作效率，还可以减少灾害破坏和损失。
FLO-2D软件在泥石流溃坝数值模拟分析中的运用
FLO-2D软件在泥石流溃坝数值模拟分析中的运用摘要：选取安宁市八街街道小营尖山铁矿矿山修复治理项目堆排区为研究对象，在洪水重现期50年的情况下，通过FLO-2D软件对堆排区溃决后泥石流的运动特征进行模拟分析，通过对泥石流的运动过程进行数值模拟，较直观的展示了溃坝后泥石流的运动过程，可为后期地质灾害风险评估和防灾减灾提供依据。
关键词：FLO-2D软件泥石流溃坝数值模拟沟谷型或库盆型堆渣场或弃土场由于上游有较大的汇水面积，而堆渣结构松散，处置措施不当在雨季暴雨工况下易引发溃坝泥石流地质灾害，为了评价溃坝后泥石流对下游居民点、道路等因素的影响，需对溃坝后泥石流的运动过程进行分析、模拟，得出泥石流运动过程中的流速、影响范围、泥深及冲击力等动力学参数，需对泥石流进行数值模拟分析。
目前数值模拟方法主要包括有限单元法、有限差分法及有限体积法等。
二维泥石流动力模型是运用有限元微分的求解方法，在一维水力学模型的基础上，综合宾汉模型和拜格诺模型，得出了泥石流、二维水流的运动模型，从中可以求出泥石流及二维水流运动过程中的淹没范围、流体深度、流体速度、冲击力等特征值。
安宁市八街街道小营尖山铁矿矿山修复治理项目堆排区工程性质类似于弃渣场，其稳定性直接关系到下游人民的生命财产安全。
本文选取安宁市八街街道小营尖山铁矿矿山修复治理项目堆排区为研究对象，在洪水重现期50年的情况下，考虑在最不利的溃坝情况下，通过FLO-2D软件对堆渣场溃决后堆渣泥石流的运动特征进行模拟分析。
1 研究区概况1.1堆排设计概况安宁市八街街道小营尖山铁矿矿山修复治理项目堆排区堆填材料为改性磷石膏，堆排区磷石膏基新型材料总堆置高度为88.53m，总容积为435.23万m³，有效容积435.23万m³，设计堆排区弃渣场等级为Ⅲ级。
根据现状地形，分为东、西两个堆场对改性磷石膏进行堆放。
在东侧堆场沟谷口设置1#堆石拦挡坝进行护脚处置，在西侧场区沟谷口设置2#堆石拦挡坝进行护脚处置，在南侧山体鞍部设置3#拦挡坝。
泥石流和速流结构耦合作用数值模拟
泥石流和速流结构耦合作用数值模拟
吴四飞;唐红梅;李强;陈洪凯
【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2004(023)005
【摘要】泥石流具有强烈的冲击破坏作用,是防治结构和穿越泥石流沟谷其他建筑物毁损的重要影响因素,笔者在文中基于流固耦合的基本理论,运用有限元程序ADINA对西昌平川泥石流中的速流结构在泥石流冲击作用下的动力响应进行数值模拟,通过对水平位移和应力的分析,得到了一些有益的结论.
【总页数】5页(P89-93)
【作者】吴四飞;唐红梅;李强;陈洪凯
【作者单位】重庆交通学院,岩土工程研究所,重庆,400074;重庆交通学院,岩土工程研究所,重庆,400074;重庆交通学院,岩土工程研究所,重庆,400074;重庆交通学院,岩土工程研究所,重庆,400074;重庆大学,西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆,400044
【正文语种】中文
【中图分类】P642
【相关文献】
1.速流结构防治泥石流的理论及应用 [J], 陈洪凯;唐红梅
2.十字型网状结构在泥石流块石冲击下的动力响应数值模拟 [J], 任根立; 王秀丽; 毕贵权; 崔波
3.十字型网状结构在泥石流块石冲击下的动力响应数值模拟 [J], 任根立; 王秀丽; 毕贵权; 崔波
4.泥石流对速流结构的磨损作用研究 [J], 陈洪凯;唐红梅;吴四飞
5.速流结构泥石流抛程理论分析与试验 [J], 唐红梅;陈洪凯
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基于FLO-2D模型的泥石流运动冲淤数值模拟
基于FLO-2D模型的泥石流运动冲淤数值模拟张鹏;马金珠;舒和平;王刚【期刊名称】《兰州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)003【摘要】According to the continuity equation and motion equation, combined with the grid digital elevation model (DEM), FLO-2d, a two-dimensional rheological model, was used to calculate the simulation results. The Qingshui Gully, Zuizi Gully and Duanheba Gully in Wudu were used as the study areas. The DEM was converted to ASCⅡ in ArcGIS, then it was input to the FLO-2DPRO software to establish a river basin model in order to analyze the possible movement velocity and deposition depth in each grid. The simulation results were integrated and input into the ArcGIS to analyze the possible deposition range. Compared with the Longnan"8.12"torrential rain triggered landslides and debris flow disasters in 2010, the correctness of the FLO-2D model was verified insimulating the threat range of a debris flow. The results showed that the disaster threat simulation is broadly in line with the actual range.%采用2维流变模型FLO-2D,经连续方程与运动方程,结合网格化的数字高程模型,选取陇南市武都地区清水沟、嘴子沟及段河坝3条泥石流沟为试验区.通过DEM在ArcGIS中转换为ASCⅡ格式输入至FLO-2DPRO软件中,建立流域模型,分析计算出各网格点的可能运动速度、淤积深度,并将模拟结果整合致GIS中.在GIS软件中分析可能淤积范围,通过对比2010年陇南“8.12”特大暴雨事件引发泥石流灾害灾情,验证了FLO-2D模型模拟试验区泥石流威胁范围的正确性,发现模拟结果与实际发生灾情威胁范围大致相符.【总页数】7页(P363-368,375)【作者】张鹏;马金珠;舒和平;王刚【作者单位】兰州大学西部环境教育部重点实验室，兰州 730000;兰州大学西部环境教育部重点实验室，兰州 730000;兰州大学西部环境教育部重点实验室，兰州 730000;兰州市气象局，兰州 730020【正文语种】中文【中图分类】P642.23【相关文献】1.基于FLO-2D的泥石流工程治理效果分析——以都江堰银洞子沟泥石流为例 [J], 杨海龙;樊晓一;姜元俊2.基于FLO-2D数值模拟的泥石流流动与堆积影响因素研究 [J], 梁鸿熙;尚敏;徐鑫3.基于FLO-2D模型的泥石流治理工程效益评价 [J], 丛凯;李瑞冬;毕远宏4.基于FLO-2D的核桃沟泥石流数值模拟分析 [J], 周小军; 黄永威; 姜元俊5.基于FLO-2D数值模拟震区急陡型泥石流冲出量——以瓦窑沟为例 [J], 方群生; 陈志和; 唐川; 徐惠梁因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于调研对泥石流拦挡坝双向流固耦合分析
基于调研对泥石流拦挡坝双向流固耦合分析朱彦鹏;徐江【摘要】对甘肃省南部地区泥石流防治结构进行了现场调研,分析总结了现有防治结构存在的几点问题.在合理建立模型、确定计算参数的基础上,运用分析软件CFX、ANSYS对中小规模泥石流逐渐淤积至满库工况下的泥石流拦挡坝进行双向流固耦合分析,得到了泥石流流体在坝后的运动规律及坝体的应力、应变、位移等参数,为后续的工程治理提供参考和建议.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2015(027)001【总页数】5页(P100-104)【关键词】泥石流;现有结构研究;双向流固耦合分析【作者】朱彦鹏;徐江【作者单位】兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃兰州 730050;兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】P642.23泥石流是一种山区常见的突发性地质灾害。
它是由泥沙在水动力作用下失稳后,集中输移的自然演变过程之一,在形成、流通和停积等运动环节上,具有严重的灾害性[1] 。
早期对泥石流的研究主要有理论研究及现场观测和试验等方法,随着计算机技术的不断发展,对泥石流的数值模拟也成为了泥石流研究的新方向,很多学者在泥石流数值模型及模拟方面做了大量工作,取得了很多成果[2-9]。
甘肃省是我国滑坡泥石流最发育的省份之一,兰州、武都、宕昌、文县、礼县、康县、舟曲等10余城市,宝成、成昆、宝兰等20余条铁路沿线受滑坡泥石流危害,泥石流经常埋没村庄、冲毁农田、危害城镇、威胁人民生命财产安全。
在这些泥石流灾害中,有一部分泥石流沟已经实施了防治工程,但是这些泥石流防治工程在灾害来临时并没有很好地发挥防治效能,这说明目前的防治理念、防治技术都有待进一步完善。
因此,特对甘肃省南部地区泥石流防治结构进行了现场调研,在此基础上,应用CFX、ANSYS对中小规模泥石流逐渐淤积至满库工况下的泥石流拦挡坝进行双向流固耦合分析,以期为后续的工程治理提供参考和建议。
基于GIS泥石流二维数值模拟_王纯祥
− ⎟ ⎟ ⎠
⎛ M in, j +1/ 2 + M in−1, j +1/ 2 ⎜ 1 ⎜ 2hin−+ 1/ 2, j −1/ 2 ⎝
networks)。其中最常用的是栅格网。在这里采用有
限差分法求解泥石流的连续方程和运动方程，栅格 网作为有限差分法的网格。 在数字高程模型中，每一栅格有 8 个可能的流 用角度表示分别为 0°(东)， 动方向， 如图 1(a)所示，
1 前 言
在泥石流的灾害和风险性评价中，关键是预测 其沿着复杂三维地形的传播运动轨迹、流动距离和 泛滥范围，并预测可能受到灾害的范围、房屋和路 段。数值模拟方法和 GIS 的集成是一重要的分析工 具 。 本文首先给出了一个泥石流的二维数值模拟公 式。该方程是在假定泥石和雨水组成的固液混合物 遵循均匀、连续、不可压缩的非定常的牛顿流体的 运动规律， 基于质量守恒方程和 Naiver-stokes 方程， 采用深度积分方法推导出的[2]。由于 GIS 中的栅格
GIS-based two-dimensional numerical simulation of debris flow
WANG Chun-xiang1, BAI Shi-wei2, ESAKI Tetsuro1, MITANI Yasuhiro1
(1. Institute of Environment Systems, Kyushu University, Fukuoka, 812-8581, Japan; 2. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)
Abstract: To predict the run out distance and extent of the hazard area of rainfall-induced debris flows, we proposed a depth-averaged two-dimensional numerical model, in which the debris and water mixture is assumed to be a uniform continuous, incompressible, unsteady Newtonian turbulence fluid. As raster grid networks of digital elevation model in GIS can be used as the finite difference mesh, the continuity and momentum equations are solved numerically using the finite difference method. All the input data and output are processed in GIS. The model is applied to simulate the rainfall-induced real debris flow of July 20, 2003, in Minamata City of southern Kyushu, Japan. The simulation reproduces the propagation of the real debris flow; and the results are in good agreement with the field investigation. The two-dimensional numerical simulation using GIS can be used to estimate the potentially inundated areas, the potentially dangerous homes and roads for hazard and risk analysis. Key words: debris flow; two-dimensional numerical simulation; geographical information systems (GIS); raster grid networks; finite difference method
基于SPH-FEM耦合方法的泥石流冲击输电塔基础的动力分析
基于SPH-FEM耦合方法的泥石流冲击输电塔基础的动力分析于虹;李昊;许标;张磊;汪大海;张志强;张贵峰【期刊名称】《防灾减灾工程学报》【年(卷),期】2024(44)1【摘要】泥石流是我国西南山区常见的地质灾害。
架空输电杆塔在泥石流的冲击下往往发生基础破坏甚至会造成杆塔倒塌。
首先采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法和有限元方法(finite element method,简称FEM)相耦合的三维数值方法模拟了泥石流对杆塔基础的冲击作用;在与相关模型试验结果验证的基础上,开展了不同泥石流密度、黏度系数及初始速度条件下对输电塔基础的冲击力作用的参数分析;研究结果表明:随着泥石流初始速度的增加,冲击力峰值会随之增大;前排基础的冲击力峰值均大于后排基础;泥石流冲击过程特性受到泥石流密度和黏度系数影响。
与稀性泥石流相比:黏性泥石流冲击基础后,基础下游真空区相对要小;此外,将数值模拟结果与Kwan冲击力公式及铁二院推荐的冲击压力设计公式预测值进行对比分析可以发现:Kwan冲击力公式能较好地预测出基础所受泥石流冲击力的平均趋势,最大预测误差低于30%,铁二院公式预测的稀性和黏性泥石流的冲击压力平均偏低分别约17%和28%。
相关研究结果有望为泥石流频发区域输电塔基础的设计和风险评估提供一定的参考依据。
【总页数】11页(P68-78)【作者】于虹;李昊;许标;张磊;汪大海;张志强;张贵峰【作者单位】云南电网有限责任公司电力科学研究院;武汉理工大学土木工程与建筑学院;南方电网科学研究院有限责任公司【正文语种】中文【中图分类】TV312【相关文献】1.基于SPH-FEM耦合方法的落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模拟2.基于SPH-FEM耦合方法的泥石流冲击柱形结构物动力响应分析3.基于SPH-FEM耦合算法的埋地输气管道近场爆炸冲击动力响应4.基于流固耦合理论的泥石流冲击桥墩的动力响应分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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收稿日期:2008202208基金项目:国家西部交通建设科技项目(200431800003)作者简介:杨三强(19802),男,陕西西安人,工学博士研究生,E 2mail :ysq0999@ 。
第29卷 第1期2009年1月长安大学学报(自然科学版) Journal of Chang πan University (Natural Science Edition )Vol.29 No.1J an.2009文章编号:167128879(2009)0120036205泥石流与公路路基相互作用的耦合数值仿真杨三强1,黄 勇2,陈洪凯3(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西西安710064;2.新疆交通科学研究院,新疆乌鲁木齐830000;3.重庆交通大学河海学院,重庆400074)摘 要:泥石流是天山公路的主要地质灾害之一。
基于泥石流损毁路段的调查,结合泥石流对公路路基的冲蚀以及泥石流体本身的运动特性,建立了新疆天山公路泥石流路基耦合数学方程和物理模型,通过数值仿真软件,对泥石流与防治结构之间的耦合作用进行仿真分析。
结果表明:耦合作用受到泥石流规模的制约;路基最易破坏位置为泥石流直接冲击位置。
关键词:道路工程;天山公路;泥石流路段;路基;耦合数值中图分类号:U416.165 文献标志码:A Numerical coupling simulation for interaction of mud 2rockflow and highw ay subgradeYAN G San 2qiang 1,HUAN G Y ong 2,C H EN Hong 2kai 3(1.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education ,Chang πan University ,Xi πan 710064,Shaanxi ,China ;2.Xinjiang Science Research Institute of Communications ,Urumqi 830000,Xinjiang ,China ;3.School of River and Ocean Engineering ,Chongqing Jiaotong University ,Chongqing 400074,China )Abstract :The mud 2rock flow is t he main geological disasters to t he highway at Tianshan area.Through t he investigation of damaged road segment by mud 2rock flow ,t he characteristics of mud 2rock flow and t he interaction of mud 2rock flow wit h highway subgrade are analyzed ,t he numerical coupling model of t he interaction is developed ,t he coupling interaction of mud 2rock flow and p revention st ruct ure is simulated by numerical simulating software.The result s show t hat t he coupling interaction is rest ricted by t he scale of mud 2rock flow ,and t he most likely location of t he damaged subgrade is t he section t hat is directly faced t he mud 2rock flow.1tab ,12figs ,5ref s.K ey w ords :road engineering ;Tianshan highway ;road segment of debris flow ;roadbed ;connec 2tion match number0 引 言近年来,随着中国西部地区公路改扩建力度不断加大,公路边坡滑塌、泥石流病害频繁发生,危及行车安全和路基稳定性。
因此,开展公路泥石流路基耦合数值仿真研究,对于探讨泥石流对路基的影响有着重要的意义。
中国学者将公路穿越泥石流沟的方式,归纳为直接横向穿越和间接横向穿越两类。
间接横向穿越主要指公路沿着泥石流沟通行一定距离后,在适当位置横向穿越。
在泥石流沟岸建造的公路也称沿溪公路[122],在泥石流爆发期间极易被毁损。
相关资料表明,国内外专家较少探讨间接横向穿对越路基损毁模式的影响。
为此,本文选取新疆天山公路部分典型泥石流进行分析,研究间接横向穿越的路基毁损模式[325]。
1 路基的泥石流冲蚀演绎机理泥石流对路基的冲蚀主要体现在泥石流沟的弯道凹岸部位,可用地貌学方法分析路基冲蚀演绎机理。
固2液二相泥石流体对路基不仅有冲击作用,还伴随着冲刷破坏。
泥石流体中的固相物质对路基除了冲击作用外,还有明显的掏挖磨蚀作用。
对于特定的泥石流沟,一定频率的泥石流所形成的冲蚀能量沿着泥石流沟是基本恒定的,则路基的冲蚀模态主要受控于路基自身抗蚀能力。
路基在泥石流作用下,呈现出冲蚀→坍塌→后退的宏观链式演绎过程。
其中,冲蚀阶段和后退阶段具有渐变性,而坍塌阶段具有突变性。
在路基的每次坍塌形成过程中,多数情况是一次或几次泥石流活动的直接结果,可称之为路基冲蚀的微观演绎过程。
本文对路基泥石流冲蚀演绎机理的探讨,主要针对微观演绎过程,可分为以下4个阶段。
(1)冲蚀槽形成阶段(图1)。
泥石流沟路基体中下部在泥石流停息时期,通常处于河流或溪流流水浸泡及冲刷过程中,岩土体强度通常较低,局部地方已形成向路基内部凹陷的空腔,称为初始冲蚀槽。
(2)泥石流顶托底部拉裂阶段(图2)。
路基内初始冲蚀槽在泥石流活动期间逐渐扩大时,由于高速运动的泥石流体强烈楔入初始冲蚀槽,泥石流体继续冲刷冲蚀槽内壁,并使槽向路基内部逐渐增大;泥石流体的竖向动力P膨胀,对槽上部逐渐突出的路基岩土体(成为悬岸)产生向上的顶托力。
(3)自重顶部拉裂变形阶段(图3)。
当初始冲蚀槽发展到一定程度时,路基悬岸演绎到临界变形阶段。
在自重作用下,悬岸岩土体顶部变形加剧,出现拉裂缝,尤其是公路位于悬岸顶部时,车辆及人畜等荷载加剧了悬岸拉裂变形进程。
(4)坍塌阶段(图4)。
当悬岸顶部及底部拉裂缝逐渐扩展至一定程度时,悬岸体处于失稳阶段而突然发生坍塌。
图1 冲蚀槽形成阶段 图2 泥石流顶托底部拉裂阶段 图3 自重顶部拉裂变形阶段 图4 坍塌阶段 路基演绎的4个阶段中,核心是悬岸的产生及失稳。
对于路基坍塌阶段,需要经过泥石流顶托底部拉裂阶段和自重顶部拉裂变形阶段的多次重复,每次重复均导致悬岸的变形增大、强度衰减。
2 泥石流路段路基模型2.1 泥石流物理模型通过对天山公路K630处泥石流沟流通区的观察,悬岸坍塌失稳均在泥石流爆发期间。
路基发生坍塌时,路基冲蚀槽多数均未被泥石流体完全填满,坍塌主要是在泥石流强烈的动力作用下突然失稳。
泥石流体沿冲蚀槽内快速流动时,产生强烈冲击力和向下吸力,增加荷载效应,减小了悬岸岩土体的刚度,诱发悬岸体坍塌。
路基冲蚀动力效应的物理模型见图5,其中A为临空上表面;B为临空下表面。
图5 K630处泥石流物理模型2.2 泥石流路段路基力学模型经过对泥石流物理模型的分析,将其简化为如图6(见下页)所示的力学模型。
在力学模型中,路基下部受到泥石流浆体的连续冲击,可视为受到一个长期均布荷载Q2;路基受到泥石流浆体的掏挖,使得路基上部形成悬岸,其自重应力为G;泥石流浆体面下降对上部受力路基有卸荷作用力P1;在垂直于截面方向,泥石流体冲刷中对路基存在拖曳力T。
根据泥石流力学模型,建立泥石流2路基耦合数学模型,并采用有限元法进行数值仿真,最终得到73第1期 杨三强,等:泥石流与公路路基相互作用的耦合数值仿真图6 泥石流力学模型泥石流与路基耦合作用的结果。
2.3 泥石流路段路基耦合数学模型2.3.1 简化为高雷诺数紊流在雷诺平均方程中的不封闭量是雷诺应力,因此,必须建立足够的雷诺方程应力方程组,使得平均运动方程可解。
雷诺平均方程为9u h 9t +(u v )9u h 9x v +u v 9(u h )9x v=-1ρ9p9x h +v 92u h 9x v 9x h -99x v[u h u v -(u h )(u v )](1)9θ9t +(u v )9θ9x v =-u v 9(θ)9x v+k 92θ9x v 9x h -9(u v )(θ)9x v(2)式中:u h 、u v 分别为水平与垂直流速场;(u h )、(u v )分别为水平与垂直平均流速场;θ为标量场;(θ)为平均标量场;x h 、x v 分别为水平与垂直运动位移;t 为运动时间;ρ为流体密度;p 为压力梯度;v 为流体速度。
2.3.2 k 2ε模型k 2ε模型是在涡粘基础上发展起来的,它与代数模式的主要区别是,k 2ε模型的涡粘系数包含部分历史效应。
具体来说,其涡粘系数与紊流动能及紊动能耗散联系在一起。
用量纲分析,涡粘系数v t 为v t =C p k 2/ε(3)式中:C p 为量纲一的系数;ε为紊流动能的系数;k 为耗散率。
在k 2ε模型中,紊流动能运输方程为9k 9t +(u k )9k 9x k =-(u ′h u ′k )99x k p ′u ′k ρ+ k ′u ′k -v 9k 9x k -v 9u ′h 9x k 9u ′h9x k(4)式中:u k 为耗散率流速场;u ′k 为耗散率能涡特征速度;u ′h 为水平能涡特征速度;x k 为耗散率下位移;p ′为能涡压力梯度;k ′为能涡耗散率;(u k )为耗散率平均流速场。
式(4)中,右端第一项为生成项,第二项为扩散项,第三项为紊动能耗散率。
三项结合的k 2ε封闭方程为9k 9t +(u k )9k9x k =2v t (S )9(u h )9x v - 99x kv +v tσk9k9x k -ε(5)9ε9t +(u k )9ε9x k =C ε1εk2v t (S )9(u h )9x k - 99x k v +v t σε9ε9x k -C ε2ε2k(6)式中:(S )为紊流动能合成位移平均值;σk 为应力耗散率的耗散项;σε为应力紊流动能耗散项;C ε1为紊流动能生成项耗散系数;C ε2为紊流动能消耗项耗散系数。