香港科技大学（Hong Kong University of Science and Technology）土木与环境工程系的Ruofeng Feng、Jidong Zhao和Jianyu Chen于2026年在《Engineering Geology》期刊发表了题为《A 3D Multiphase SPH Framework for Modelling Soil-Water Interaction in Rainfall-Landslide-Tsunami Cascades》的研究论文。该研究提出了一种新型三维多相平滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）模型，用于模拟降雨-滑坡-海啸级联灾害中的土壤-水相互作用。
学术背景
多灾害级联（Multi-hazard cascades）是指多种自然灾害通过一个或多个自然过程相互作用的现象，其中滑坡-海啸事件因其破坏潜力而备受关注。传统数值模型（如LS-Rapid和LS-Tsunami）采用分步耦合方法，难以捕捉灾害链中的动态相互作用，且依赖经验参数。本研究旨在开发统一的数值框架，从灾害触发到最终影响全程模拟，为基于物理的风险管理提供工具。研究基于Biot理论的u-w-p（位移-水相速度-孔隙水压力）公式，结合SPH方法的无网格特性，解决大变形、多物理场耦合等挑战。
研究流程与方法
数学模型构建
- 质量与动量平衡方程：采用拉格朗日形式的连续介质力学方程描述多相系统（土壤相s和水相w），引入数值密度概念缓解相界面密度不连续问题。
- 孔隙水流方程：基于Biot理论，通过u-w-p公式描述饱和/非饱和土壤中的孔隙水流动，显式求解相对水速度（w）以捕捉瞬态现象（如液化）。
- 本构模型：
- 水相：采用弱可压缩假设，压力与密度线性相关（式6）。
- 土壤相：基于Bishop有效应力概念，结合Drucker-Prager屈服准则（式10a）和应变软化模型（式12a-b），考虑吸力依赖性强度（式13a-b）。
- 土壤-水特征曲线（SWCC）：采用van Genuchten模型（式14）和渗透率模型（式15）描述非饱和土壤的水力行为。
SPH离散化与数值实现
- 多相SPH框架：通过粒子体积演化方程（式21-22）处理密度不连续性，扩展δ-SPH方案（式23a-b）稳定压力场。
- 边界条件：
- 固体边界：采用镜像虚粒子法（式31-35）实现无滑移和渗透条件。
- 水力边界：基于位置散度识别自由表面（式38），自适应处理渗透与积水（式39）。
- 时间积分：采用Verlet格式（式40），时间步长受CFL条件约束。
- GPU加速：基于CUDA框架实现大规模三维模拟，粒子数达百万级。
验证与应用
- 基准测试：
- 一维渗透/蒸发试验：与Gardner（1958）有限元解对比，验证瞬态非饱和流动（图4-5）。
- Liakopoulos排水试验：模拟耦合流-变形，结果与实验数据（图8-10）及MPM研究（Bandara et al., 2016）一致。
- 香港飞翠路滑坡：重现1995年降雨诱发滑坡的渐进破坏（图13-14），预测堆积形态与现场观测吻合。
- 滑坡-海啸实验：模拟Viroulet et al.（2013）的颗粒冲击水体实验，波高演化与实测数据匹配（图16-18）。
- 级联灾害模拟：三维模拟降雨-滑坡-海啸全过程（图19-24），捕捉从降雨渗透、滑坡启动、海啸生成到溢流淹没的完整链条。
主要结果
- 水力耦合：模型准确预测非饱和土壤中的湿润锋传播（图13）和孔隙水压力分布（图9），揭示降雨诱发滑坡的触发机制。
- 滑坡动力学：模拟显示滑坡呈递进式破坏（图22），形成地垒-地堑结构，与现场观测的块体运动一致。
- 海啸生成：滑坡冲击水体产生涡旋和多次波（图24），波高衰减规律与实验数据（图17）及SPH/ISPH研究（Kamani et al., 2025）相符。
结论与价值
本研究提出首个统一的三维多相SPH框架，实现了从灾害触发到最终影响的全程物理模拟，具有以下创新：
1. 方法学贡献：
- 引入数值密度概念和扩展δ-SPH方案，提升多相界面稳定性。
- 首次将u-w-p公式融入多相SPH，完整描述孔隙水动态响应。
2. 应用价值：为滑坡-海啸级联灾害的预测和风险评估提供定量工具，支持数字孪生（Torzoni et al., 2024）和基于过程的风险管理（Vega and Hidalgo, 2016）。
研究亮点
- 统一框架：首次实现降雨渗透-滑坡运动-海啸传播的全链条耦合模拟。
- 高性能计算：GPU加速支持百万级粒子的大规模三维仿真。
- 边界创新：自适应水力边界处理复杂渗透-积水转换（图21）。
其他价值
模型可扩展至地震、水库水位变化等触发机制（Hoang et al., 2024），未来需开发隐式时间积分以模拟更长时序（如数周降雨）。代码开源（GeodualSPH）促进社区应用。