本文由同济大学土木工程学院岩土工程系的戴自良、黄雨、程华林及成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的许强共同完成，发表于期刊 Landslides 2017年第14卷第917-928页，标题为《SPH Model for Fluid–Structure Interaction and Its Application to Debris Flow Impact Estimation》。
泥石流是山区常见的地质灾害，由水、黏土和颗粒物质混合形成的高速非稳态流动，具有突发性强、破坏力大的特点。2010年8月13日，中国汶川地震灾区因强降雨引发大规模泥石流，导致大量房屋、桥梁和交通设施损毁。传统工程设计多依赖经验模型估算泥石流冲击力，但缺乏对流体-结构相互作用的详细研究，导致防护结构在灾害中频繁失效。因此，开发能够准确模拟泥石流动力学行为及其对结构物冲击力的数值模型，对灾害防治和工程设计具有重要意义。
本文旨在建立一种基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）的流固耦合数值模型，用于模拟泥石流运动过程并估算其对拦挡坝的冲击力。SPH是一种无网格的拉格朗日方法，擅长处理大变形问题，适用于泥石流这类复杂流动的模拟。
研究采用SPH方法分别模拟泥石流流体相和拦挡坝固体相：
- 流体相：将泥石流材料简化为 Bingham 黏塑性流体，其本构关系结合了 Mohr-Coulomb 屈服准则，通过等效黏度（equivalent viscosity）描述材料的剪切稀化特性。控制方程包括连续性方程和动量方程，通过SPH粒子近似求解。
- 固体相：拦挡坝建模为弹性固体，采用 Jaumann 形式的胡克定律更新应力张量。密度通过初始密度和变形梯度直接计算，避免了流体相中的连续性方程求解。
创新点：
- 流体相使用欧拉核（Eulerian kernel），固体相使用拉格朗日核（Lagrangian kernel），以消除固体拉伸不稳定性。
- 引入核梯度修正矩阵（correction matrix）提升粒子近似精度，确保线性速度场的梯度计算准确。
流体与结构的相互作用通过牛顿第三定律实现：当流体粒子进入固体粒子的支持域时，两者间产生排斥力。该力通过应力张量的SPH近似计算，并反向作用于流体粒子。
通过模拟 Moriguchi 等（2009）的砂流模型试验验证模型准确性：
- 试验设置：砂箱（50 kg砂）沿不同倾角（45°–65°）的槽道流动，冲击底部荷载传感器。
- 模拟参数：砂密度1379 kg/m³，黏度系数1.0 Pa·s；荷载传感器为弹性固体（密度7850 kg/m³，杨氏模量200 GPa）。
- 结果对比：模拟的峰值冲击力与试验数据高度吻合（图7），验证了模型在冲击力估算上的可靠性。
模型应用于汶川地震灾区的两条泥石流沟谷——文家沟和红椿沟：
- 文家沟：2010年“8·13”泥石流峰值流量1530 m³/s，总方量310万立方米。模拟中设置3道拦挡坝（高10 m），泥石流参数为密度2100 kg/m³、黏度系数136 Pa·s。结果显示，第一道坝承受的最大冲击力达2327 kPa（图10），流速峰值9.6 m/s。
- 红椿沟：模拟中泥石流流速峰值9.8 m/s，第一道坝冲击力2102 kPa（图13）。拦挡坝显著降低了泥石流流速（图14），证实其防护效果。
研究指出当前模型的局限性，如未考虑泥石流运动过程中的床面侵蚀（bed entrainment）和孔隙水压力效应，未来需发展多相流体耦合模型以进一步提升精度。