研究报告：王家岩滑坡后期滑动过程的物料点法（MPM）模拟

一、研究概况

本文的研究团队由李新坡（Xinpo Li）、吴勇（Yong Wu）、何思铭（Siming He）和苏立军（Lijun Su）组成，分别来自中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室、山地灾害与环境研究所和中国科学院藏区地球科学中心。研究成果发表于《Engineering Geology》期刊，文章标题为“Application of the material point method to simulate the post-failure runout processes of the Wangjiayan landslide”，于2016年7月30日被接收，并于2016年10月正式发表。

二、学术背景

滑坡灾害作为一种常见的自然灾害，不仅对生态环境造成破坏，还对生命财产安全构成严重威胁。2008年汶川地震引发了大量的大规模滑坡，王家岩滑坡就是其中的典型之一，造成了1600人死亡，并摧毁了数百座房屋。为了深入了解滑坡灾害的发生与发展过程，研究人员采用物质点法（Material Point Method，简称MPM）进行数值模拟，以研究滑坡发生后的滑动过程，尤其是在建筑物存在情况下滑坡的运动规律。

本研究的主要目标是利用物料点法模拟王家岩滑坡的后期滑动过程，并探讨建筑物对滑坡运动和沉积的影响。通过这种模拟，研究团队希望验证物质点法在大规模滑坡后期运动模拟中的准确性与可行性，同时为滑坡风险评估和灾害防治提供科学依据。

三、研究流程

本研究的工作流程分为几个主要步骤：

1. 物质点法（MPM）介绍与方法选择： 研究首先介绍了物质点法的基本原理，包括质量守恒方程和动量守恒方程，并通过一个土壤塌陷的基准问题来验证该方法的有效性。物料点法是一种结合了欧拉（Eulerian）和拉格朗日（Lagrangian）描述方法的数值模拟方法，能够有效处理大变形问题，尤其适用于滑坡、泥石流等大规模灾害的模拟。

2. 滑坡模拟与结果验证： 研究通过物质点法对王家岩滑坡的后期运动进行了模拟，模拟过程中考虑了滑坡的位移、速度、有效塑性应变场和地形变化等因素。通过与地震后实地调查结果以及实验室试验数据的对比，验证了模拟结果的准确性。

为了进一步验证物质点法的准确性，研究团队还进行了一个土壤塌陷的实验与模拟对比。该实验使用了小铝棒组成的土壤模型，经过数值模拟后，结果与实验观察到的形态变化十分一致，证明了物料点法在处理大变形和后期滑动问题时的高精度。

1. 建筑物对滑坡影响的模拟： 在模拟中，研究团队不仅考虑了滑坡本身的运动，还考虑了滑坡路径上建筑物的影响。建筑物在滑坡路径中的存在会显著改变滑坡的流动模式、滑动距离、速度以及沉积地形。通过在滑坡路径上加入简化的建筑物模型，研究团队模拟了不同条件下滑坡的行为。

结果表明，建筑物对滑坡的影响是显著的，尤其是在滑坡的流动距离、流动速度以及沉积形态方面。加入建筑物的模拟结果与实际地震后的地形变化高度吻合，验证了建筑物对滑坡路径的阻碍作用。

1. 滑坡过程中的动力学分析： 研究还对滑坡的动力学进行了详细分析，尤其是滑坡过程中动能的演变。通过计算滑坡过程中的动能变化，研究发现，建筑物的存在显著降低了滑坡的动能，表明建筑物对滑坡的流动有减缓作用。此外，滑坡的速度场和有效塑性应变场的计算结果也表明，建筑物对滑坡的内部变形和混合过程有重要影响。

四、研究结果

1. 滑坡的运动特征： 研究通过物质点法模拟了王家岩滑坡的运动过程，得到了滑坡的位移、速度和沉积地形等数据。模拟结果显示，滑坡发生后的滑动持续时间约为30秒，最迅速的滑动阶段发生在滑坡开始后的6至12秒之间。在这段时间内，滑坡质量的最大模拟速度达到了43.5 m/s，表明滑坡的运动非常迅速。

2. 建筑物对滑坡的影响： 模拟结果表明，建筑物的存在显著影响了滑坡的流动距离、速度以及沉积地形。具体来说，建筑物通过阻碍滑坡的运动，缩短了滑坡的整体滑动距离，减缓了底层物质的运动速度，并增加了沉积层之间的内部变形和混合。与没有建筑物的情况相比，建筑物的加入使得滑坡的沉积区域更为陡峭，并且在沉积过程中，滑坡层次的顺序被打乱，尤其是中层物质被建筑物阻挡，导致上层物质滑动得更远。

3. 模拟与实际地形的对比： 通过与实地测量的沉积地形进行对比，研究发现，物质点法模拟得到的沉积区形状与实际情况有一些差异，主要体现在沉积区域的起伏较小且坡度较陡。然而，这些差异可以通过考虑土壤的各向异性和小规模地形起伏来进一步优化。

4. 滑坡动力学分析： 在滑坡过程中，研究团队还计算了滑坡的速度场和有效塑性应变场，揭示了滑坡中不同部分的运动特征。通过对比有无建筑物的情况，研究发现，滑坡的速度场在建筑物的阻碍下发生了明显变化，尤其是滑坡的上层物质由于建筑物的影响，滑动距离较远，而底层物质的滑动速度较慢。

五、结论与应用意义

本研究通过物质点法成功模拟了王家岩滑坡的后期运动过程，并探讨了建筑物对滑坡运动的影响。研究表明，物质点法在模拟大规模滑坡运动时具有较高的精度，尤其是在考虑建筑物影响的情况下，能够有效反映建筑物对滑坡的阻碍作用。通过本研究，学者们能够更好地理解滑坡的动力学特征，为滑坡灾害的防治和风险评估提供了重要的理论依据。

从应用角度来看，研究结果对滑坡灾害的预测、建筑物的抗滑坡设计以及滑坡后期地形恢复等方面具有重要价值。未来，研究人员可以在进一步的研究中将三维模型应用于滑坡模拟，以提高模拟结果的精度。

六、研究亮点

1. 物质点法（MPM）的创新应用： 本研究首次将物质点法应用于王家岩滑坡的后期滑动过程模拟，并成功验证了该方法在大规模滑坡灾害中的适用性。该方法能够处理滑坡过程中的大变形问题，为滑坡动力学和沉积特征的模拟提供了新的思路。

2. 建筑物对滑坡的影响： 研究通过在滑坡路径中加入建筑物模型，探讨了建筑物对滑坡流动模式、速度、距离和沉积形态的影响。模拟结果显示，建筑物的存在显著改变了滑坡的运动轨迹和沉积形态，具有重要的防灾减灾意义。

3. 滑坡动力学的深入分析： 本研究通过对滑坡过程中的动能演变、速度场和有效塑性应变场的计算，深入分析了滑坡的动力学特征，揭示了建筑物对滑坡运动的减缓作用。

通过本研究的深入探讨，我们可以更好地理解滑坡灾害的发生机制，并为今后的滑坡灾害预测、评估与防治工作提供宝贵的参考。