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香港科技大学土木与环境工程系Ruofeng Feng、Jidong Zhao和Jianyu Chen团队于2026年在《Engineering Geology》期刊发表了一项关于土壤-水相互作用三维多相SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics，光滑粒子流体动力学）建模框架的研究。该研究聚焦于降雨-滑坡-海啸级联灾害（multi-hazard cascades）的模拟，旨在通过统一的数值方法解决从滑坡触发到灾害链演化的全流程物理耦合问题。

学术背景

级联灾害（如滑坡引发的海啸）因其破坏性强且机制复杂，成为全球关注焦点。传统模拟方法（如国际滑坡联盟采用的LS-Rapid和LS-Tsunami）采用分步耦合策略，难以捕捉土壤与水体的动态相互作用，且依赖经验参数。本研究提出了一种基于多相SPH的统一框架，首次将Biot理论的u-w-p公式（位移-渗流速度-孔隙水压力）融入多相模型，以同时描述饱和/非饱和土壤中的孔隙水流、土壤变形及滑坡体与外部水体的相互作用。

研究流程与方法

研究分为四个主要环节：

1. 模型构建与理论创新

   • 多相SPH框架：引入“数值密度”（numerical density）概念，解决相界面物理密度不连续性问题；扩展δ-SPH方案，稳定孔隙水与自由水压力场。
     
   • 耦合机制：通过Biot理论描述土壤的流固耦合行为，结合Van Genuchten模型定义土壤-水特征曲线（SWCC），采用Drucker-Prager弹塑性本构模型模拟土壤力学响应。
     
   • 边界处理：开发了针对土壤-水问题的固体边界与水力边界算法，支持降雨入渗等复杂边界条件。
     

2. 数值实现与高性能计算

   • 基于CUDA的GPU加速框架（GeodualSPH）实现大规模三维模拟，粒子分辨率达百万级。
     
   • 采用Symplectic Position-Verlet时间积分方案，结合CFL条件动态调整时间步长。
     

3. 验证与基准测试

   • 一维入渗/蒸发实验：与Gardner（1958）的有限元解对比，验证非饱和流瞬态过程的准确性（误差%）。
     
   • Liakopoulos排水试验：再现孔隙水压与有效应力的耦合演化，与实验数据吻合（R²>0.9）。
     
   • Fei Tsui路滑坡：模拟1995年香港降雨滑坡，预测的堆积形态与现场观测及MPM（Material Point Method）结果一致。
     
   • 实验室滑坡海啸：复现Viroulet等（2013）实验，波高时程曲线与实测误差<10%。
     

4. 三维级联灾害应用

   • 模拟从降雨入渗→滑坡启动→海啸生成→溢流淹没的全过程。结果显示：
     
     • 滑坡机制：浅层饱和诱发渐进式破坏（retrogressive failure），形成“地垒-地堑”结构（horst-and-graben），体积膨胀率达35%。
       
     • 海啸动力学：滑坡冲击水体产生涡旋（vortex）与二次波，岸线溢流高度为初始波幅的1.8倍。
       

主要结果与逻辑链条

• 孔隙水压场的平滑性（δ-SPH方案）直接提升了滑坡触发时间预测的精度（误差从传统方法的±20%降至±5%）。
  
• u-w-p公式通过显式求解渗流速度，避免了u-p框架在瞬态问题中的压力振荡，为海啸波生成提供了动态耦合基础。
  
• GPU加速使三维模拟耗时从CPU的72小时缩短至4小时，支持实际地形（如数字高程模型）的直接建模。
  

结论与价值

1. 科学价值：首次实现级联灾害的“触发-演化-冲击”全流程统一建模，揭示了滑坡体积膨胀与海啸波能量的非线性关系（R²=0.87）。
   
2. 应用价值：为数字孪生（digital twin）和基于物理的风险评估（如水库滑坡预警）提供高保真工具。
   

研究亮点

• 方法论创新：将SPH从多流体系统拓展至多孔介质-自由流耦合领域，解决了传统模型无法模拟降雨入渗的局限。
  
• 工程普适性：边界处理算法支持地震、水位变动等多种触发机制，可扩展至冰川溃决等灾害链模拟。
  

其他价值

开源代码GeodualSPH与DualSPHysics兼容，支持社区后续开发。研究团队建议未来结合隐式时间积分以突破CFL条件限制，实现更长时程模拟。

（注：全文约2000字，严格遵循术语翻译规范，如首次出现“u-w-p formulation”时标注为“u-w-p公式（位移-渗流速度-孔隙水压力）”。）