雅鲁藏布江流域泥石流-结构相互作用数值研究学术报告

作者及发表信息

本项研究由Yiding Bao（第一作者，中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室/吉林大学建设工程学院）、Lijun Su（通讯作者，中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室）、Jianping Chen（吉林大学）、Chonglei Zhang、Bo Zhao、Weifeng Zhang、Jianqiang Zhang、Bingli Hu（均来自中国科学院）以及Xudong Zhang（上海大学）合作完成。研究成果于2023年9月27日在线发表于Acta Geotechnica（2023年卷18期，页码5859–5881）。

学术背景

研究领域与科学问题
本研究属于地质灾害防治与计算岩土力学交叉领域，聚焦于泥石流-拦挡结构动态相互作用的定量分析。青藏高原雅鲁藏布江流域因板块运动强烈、地形陡峭且气候集中降雨，高频泥石流发育，常威胁道路与居民安全。拦砂坝（check dam）是主要防治手段，但泥石流冲击下坝体易损毁，而传统数值模型难以同时模拟泥石流运动与坝体损伤过程。

研究目标
提出一种新型三维数值方法（SPH-FDEM耦合模型），以定量评估泥石流动态过程及其与拦挡结构的相互作用，尤其关注坝体损伤演化机制。案例选取G62冲沟（毗邻318国道），模拟无坝、完好坝体及损伤坝体三种工况下的泥石流运动特征。

研究方法与流程

1. 模型构建与验证

SPH-FDEM耦合框架
- 泥石流模拟：采用光滑粒子流体动力学（SPH, Smoothed Particle Hydrodynamics）方法，基于Bingham流体模型描述泥石流流变特性（屈服应力τ₀=120 Pa，黏度η₀=1.5 Pa·s）。
- 坝体模拟：通过耦合有限元-离散元（FDEM, Finite-Discrete Element Method）模拟由岩石块体组成的拦砂坝，插入黏聚界面单元（CIE, Cohesive Interface Element）表征混凝土黏结层的损伤。

模型验证
通过倾斜水槽颗粒流冲击试验（Moriguchi et al., 2009）验证模型准确性。SPH模拟的冲击力峰值（234 N）与实验值（192 N）误差在20%以内，且与CEL（Coupled Eulerian-Lagrangian）模型结果一致，证明模型可靠性。

2. 案例模拟设置

G62冲沟参数
- 地形数据：基于5米精度DEM构建三维模型，固定非变形壳单元模拟沟床。
- 泥石流参数：密度1600 kg/m³，固体体积浓度40%，采用三角形水文过程线（总历时120秒，总量4×10⁴ m³）。
- 坝体参数：Voronoi多边形划分岩石块体，弹性模量38 GPa；CIE参数包括抗拉强度（10 MPa）、断裂能（Gc_I=30 N/m，Gc_II=220 N/m）。

工况设计
- 无拦砂坝：验证泥石流堆积规模与实地调查一致性。
- 完好坝体：分析应力分布与弹性变形。
- 损伤坝体：弱化CIE参数（抗拉强度1.5 MPa，Gc_II=120 N/m），模拟坝体破裂与块体输移。

3. 数值分析流程

1. 泥石流运动模拟：SPH粒子追踪流速、黏滞耗能（Ev）与摩擦能（Ef）随时间变化。
   
2. 流-固耦合：通过节点-表面接触算法计算泥石流粒子与坝体间的接触力。
   
3. 损伤评估：记录CIE的标量刚度退化（SDEG）与混合模式损伤比（MMIXDME），量化开裂面积与断裂能。
   

主要结果

1. 无坝工况

泥石流在陡峭上游段加速（最大流速32 m/s），下游弯道减速，最终形成直径136米的堆积扇，与实地调查吻合（图3c）。Ev与Ef随时间呈非线性增长，反映能量耗散机制。

2. 完好坝体工况

• 应力分布：冲击初期底部出现应力集中（峰值2.4×10⁶ Pa），顶部因几何效应应力达2×10⁸ Pa。
  
• 动力响应：冲击力在110秒达峰值1.84×10⁸ N，坝体仅弹性变形（SDEG=0）。
  

3. 损伤坝体工况

• 损伤演化：62秒后CIE开始破裂，初始以滑动模式为主（占比65%），后期转为张拉主导（74秒后占比72%）。
  
• 块体输移：破裂岩块被泥石流携带，最大运动速度6 m/s，最终形成1463 m²的破损区域，累计断裂能4×10⁵ J。
  

结论与价值

科学价值
1. 方法创新：SPH-FDEM耦合模型首次实现泥石流运动与结构损伤的全过程三维模拟，克服了传统模型忽略坝体破损的局限。
2. 工程意义：量化了拦砂坝的应力阈值与损伤模式，为抗冲击设计提供参数依据（如CIE强度配置）。

应用前景
模型可拓展至其他流固耦合灾害（如滑坡堵江）模拟，并支持水文过程耦合（如降雨-泥石流联动分析）。

研究亮点

1. 多物理场耦合：联合SPH的流体连续性与FDEM的断裂力学优势，首次揭示泥石流冲击下坝体从开裂到块体输移的完整链式反应。
   
2. 参数化验证：基于Bingham模型与实地数据双校准，确保模拟可靠性。
   
3. 工程导向设计：通过Voronoi多边形真实还原砌石坝结构，提升数值模型工程适用性。
   

其他价值

研究提出的“混合模式损伤比”（MMIXDME）为砌体结构破坏机理分析提供了新指标，可推广至 masonry结构（砖石结构）的抗灾评估。