CN109325250A - 一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法及系统 - Google Patents
一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种高速滑坡‑碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法及模拟系统，模拟方法包括：根据待模拟区域的点云数据构建原始模型；在模拟软件中创建待模拟区域的模拟任务；在模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡‑碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型；将原始模型的模型文件导入至模拟任务中；在模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数；基于模拟参数生成结果文件。本申请利用计算流体动力学方法来研究滑坡‑碎屑流，能够快速、有效、简捷的进行高速滑坡‑碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟，反映出了碎屑流侵蚀效应的主要特征，能够为滑坡‑碎屑流对坡体基底物质的侵蚀效应提供依据。
Description
技术领域
本申请涉及计算机模拟技术领域，尤其涉及一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法及系统。
背景技术
近年来，计算机技术得到迅猛发展，利用计算机模拟滑坡运动的思路也层出不穷，针对滑坡碎屑流侵蚀效应的研究一直处于滑坡灾害的前缘问题，传统的模拟方法有有限元法和离散元法，具有一定的局限性。有限元软件对于滑坡过程大变形模拟效果欠佳，往往难以准确的描述碎屑流运动的侵蚀过程，离散元软件基于独立的颗粒单元来进行模拟，可以较好的反映滑坡的侵蚀效应，但颗粒流软件本身操作过程复杂，对前处理过程要求非常高，计算耗时大，受众较小。
因此，如何快速、有效、简捷的进行高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟是一项亟待解决的问题。。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法及系统，利用计算流体动力学方法来研究滑坡-碎屑流，能够快速、有效、简捷的进行高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟，反映出了碎屑流侵蚀效应的主要特征，为滑坡-碎屑流对坡体基底物质的侵蚀效应提供依据，相比传统的数值模拟方法，此方法的计算时耗和前后处理步骤更加简单，避免研究人员从大量繁琐的数据中挖掘信息。
本申请提供了一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法，所述方法包括：
根据待模拟区域的点云数据构建原始模型：
当需要对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟时，首先需要根据由实际测量得到的待模拟区域的点云数据通过3D绘图软件构建原始的计算模型；
在模拟软件中创建待模拟区域的模拟任务：
在使用模拟软件对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟时，需要在模拟软件中创建一个基于带模拟区域的模拟任务，同时进行相关参数的选择和设定，如模拟时长的选择、计算精度的选择以及单位的设定等；
在所述模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型：
在模拟软件中创建好模拟任务后，进而需要在模拟任务中设置模拟过程所使用的本构模型，设置紊流模型和泥沙冲刷模型为本构模型，紊流模型用于描述滑坡-碎屑流流体的属性，将碎屑流的控制参数拟液态化，利用碎屑流运动方程控制碎屑流的属性；泥沙冲刷模型用于描述碎屑流对基底物质的侵蚀过程、运移过程和堆积过程，分别用基底物质侵蚀控制方程、基底物质运动方程和基底物质堆积控制方程来进行描述和控制；
将所述原始模型的模型文件导入至所述模拟任务中：
接着，还需要将原始模型的模型文件的格式设置为后缀为.stl的文件后导入至模拟任务中，并设置原始模型中每块区域的属性，用不同的颜色对不同的区域加以区分；
在所述模拟任务中设置所述紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数：
然后在模拟任务中对设置紊流模型中碎屑流的参数和泥沙冲刷模型中基底物质的参数，其中，碎屑流的参数至少包括碎屑流运动黏度、碎屑流密度之一，基底物质的参数至少包括基底物质平均粒径、基底物质密度、基底物质拖拽力系数、基底物质侵蚀系数、基底物质滑床荷载系数、基底物质休止角系数之一；对碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数分别进行不同取值进行模拟；
基于所述模拟参数生成结果文件：
最后启动模拟软件对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟，根据输入的模拟参数生成相应的结果文件，结果文件包括二维坐标的曲线图和三维分布图，其中二维坐标的曲线图主要包括碎屑流运动速度-时间曲线、运动距离-时间曲线和碎屑流方量-时间曲线，三维分布图主要包括碎屑流三维速度分布图、碎屑流三维距离分布图和碎屑流三维堆积形态分布图。
优选地，所述在所述模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型包括：
在所述模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型，所述紊流模型用于描述滑坡-碎屑流流体的属性，将碎屑流的控制参数拟液态化，利用碎屑流运动方程控制碎屑流的属性；所述泥沙冲刷模型用于描述碎屑流对基底物质的侵蚀过程、运移过程和堆积过程，分别用基底物质侵蚀控制方程、基底物质运动方程和基底物质堆积控制方程来进行描述和控制。
优选地，所述将所述原始模型的模型文件导入至所述模拟任务中包括：
将所述原始模型的模型文件的格式设置为后缀为.stl的文件后导入至所述模拟任务中，并设置所述原始模型中每块区域的属性，用不同的颜色对不同的所述区域加以区分。
优选地，所述在所述模拟任务中设置所述紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数包括：
在所述模拟任务中对设置所述紊流模型中碎屑流的参数和泥沙冲刷模型中基底物质的参数，其中，所述碎屑流的参数至少包括碎屑流运动黏度、碎屑流密度之一，所述基底物质的参数至少包括基底物质平均粒径、基底物质密度、基底物质拖拽力系数、基底物质侵蚀系数、基底物质滑床荷载系数、基底物质休止角系数之一；对所述碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数分别进行不同取值进行模拟。
优选地，所述方法还包括：
根据所述碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数的不同取值生成的不同的所述结果文件对侵蚀效应影响的相关性和敏感性进行分析，生成分析结果；基于所述相关性和敏感性分析的分析结果调整参数的取值获得相应的模拟结果，得到符合要求的等效参数取值。
本申请提供了还提供了一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟系统，所属系统包括：
模型构建模块，用于根据待模拟区域的点云数据构建原始模型：
当需要对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟时，首先需要通过模型构建模块根据由实际测量得到的待模拟区域的点云数据通过3D绘图软件构建原始的计算模型；
任务创建模块，用于在模拟软件中创建待模拟区域的模拟任务：
在使用模拟软件对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟时，需要通过任务创建模块在模拟软件中创建一个基于带模拟区域的模拟任务，同时进行相关参数的选择和设定，如模拟时长的选择、计算精度的选择以及单位的设定等；
模型设置模块，用于在所述模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型：
在模拟软件中创建好模拟任务后，进而需要在模拟任务中通过模型设置模块设置模拟过程所使用的本构模型，设置紊流模型和泥沙冲刷模型为本构模型，紊流模型用于描述滑坡-碎屑流流体的属性，将碎屑流的控制参数拟液态化，利用碎屑流运动方程控制碎屑流的属性；泥沙冲刷模型用于描述碎屑流对基底物质的侵蚀过程、运移过程和堆积过程，分别用基底物质侵蚀控制方程、基底物质运动方程和基底物质堆积控制方程来进行描述和控制；
模型导入模块，用于将所述原始模型的模型文件导入至所述模拟任务中：
接着，还需要通过模型导入模块将原始模型的模型文件的格式设置为后缀为.stl的文件后导入至模拟任务中，并设置原始模型中每块区域的属性，用不同的颜色对不同的区域加以区分；
参数设置模块，用于在所述模拟任务中设置所述紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数：
然后需要通过参数设置模块在模拟任务中对设置紊流模型中碎屑流的参数和泥沙冲刷模型中基底物质的参数，其中，碎屑流的参数至少包括碎屑流运动黏度、碎屑流密度之一，基底物质的参数至少包括基底物质平均粒径、基底物质密度、基底物质拖拽力系数、基底物质侵蚀系数、基底物质滑床荷载系数、基底物质休止角系数之一；对碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数分别进行不同取值进行模拟；
结果生成模块，用于基于所述模拟参数生成结果文件：
最后启动模拟软件对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟，通过结果生成模块根据输入的模拟参数生成相应的结果文件，结果文件包括二维坐标的曲线图和三维分布图，其中二维坐标的曲线图主要包括碎屑流运动速度-时间曲线、运动距离-时间曲线和碎屑流方量-时间曲线，三维分布图主要包括碎屑流三维速度分布图、碎屑流三维距离分布图和碎屑流三维堆积形态分布图。
优选地，所述模型设置模块具体用于：
在所述模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型，所述紊流模型用于描述滑坡-碎屑流流体的属性，将碎屑流的控制参数拟液态化，利用碎屑流运动方程控制碎屑流的属性；所述泥沙冲刷模型用于描述碎屑流对基底物质的侵蚀过程、运移过程和堆积过程，分别用基底物质侵蚀控制方程、基底物质运动方程和基底物质堆积控制方程来进行描述和控制。
优选地，所述模型导入模块具体用于：
将所述原始模型的模型文件的格式设置为后缀为.stl的文件后导入至所述模拟任务中，并设置所述原始模型中每块区域的属性，用不同的颜色对不同的所述区域加以区分。
优选地，所述参数设置模块具体用于：
在所述模拟任务中对设置所述紊流模型中碎屑流的参数和泥沙冲刷模型中基底物质的参数，其中，所述碎屑流的参数至少包括碎屑流运动黏度、碎屑流密度之一，所述基底物质的参数至少包括基底物质平均粒径、基底物质密度、基底物质拖拽力系数、基底物质侵蚀系数、基底物质滑床荷载系数、基底物质休止角系数之一；对所述碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数分别进行不同取值进行模拟。
优选地，所述系统还包括：
数据分析模块，用于根据所述碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数的不同取值生成的不同的所述结果文件对侵蚀效应影响的相关性和敏感性进行分析，生成分析结果；基于所述相关性和敏感性分析的分析结果调整参数的取值获得相应的模拟结果，得到符合要求的等效参数取值。
综上所述，本申请公开了一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法，当需要对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟时，首先根据待模拟区域的点云数据构建原始模型；然后在模拟软件中创建待模拟区域的模拟任务；在所述模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型；接着将所述原始模型的模型文件导入至所述模拟任务中；最后在所述模拟任务中设置所述紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数；基于设置的所述模拟参数生成结果文件。本申请利用计算流体动力学方法来研究滑坡-碎屑流，能够快速、有效、简捷的进行高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟，反映出了碎屑流侵蚀效应的主要特征，为滑坡-碎屑流对坡体基底物质的侵蚀效应提供依据，相比传统的数值模拟方法，此方法的计算时耗和前后处理步骤更加简单，避免研究人员从大量繁琐的数据中挖掘信息。
本发明利用计算流体力学方法对滑坡-碎屑流进行等效模拟的基本原理如下：
滑坡启动后，通常在中部解体形成碎屑流，并铲刮中部坡体，随后沿滑坡堆积区散落堆积。整个过程呈现高位和高速远程滑坡—碎屑流特征。
滑坡失稳后呈现出液态化的运动形式，可见碎屑流本身具有流体的特征，鉴于这一独特性，提出利用流体模拟软件来研究碎屑流的侵蚀效应的思路，借助紊流模型和泥沙冲刷模型来模拟滑坡解体后，沿途侵蚀、裹挟基底物质的整个过程，模拟结果可了解基底物质的侵蚀、堆积深度的变化情况，碎屑流及其裹挟物的共同运动速度变化。
此套模拟方法主要借鉴水利泥沙冲刷的模拟过程，将泥沙冲刷本构模型应用于滑坡-碎屑流的运动过程中，由于泥沙属性与碎屑流的属性不完全等同，模拟参数的等效取值是该套方法的关键，包括碎屑流的参数，主要通过运动黏度和密度来控制。此外，基底物质的参数更具有多样性，包括平均粒径、密度、拖曳力系数、侵蚀系数、滑床荷载系数、休止角等。
计算流体力学法模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应主要利用了两种本构模型，第一种为紊流模型，另一种为泥沙冲刷模型。高速滑坡-碎屑流在运动的过程中会表现出液体的特征，即它的流动性比通常的滑坡大，但是其本质属性依旧是破碎化的岩体以及松散物质的混合物，在这里紊流模型用来描述滑坡-碎屑流，主要赋予滑坡-碎屑流流体的属性。第二种泥沙冲刷模型是用来控制滑床基底物质的性质，包括基底物质的粒径，以及铲刮效应发生的判据。此方法总体思路是将水利泥沙冲刷这一计算模型用于滑坡碎屑流侵蚀基底物质的过程。模拟过程中两种模型并行，不分先后顺序。
该方法针对休止角系数、侵蚀系数、运动黏度三个关键参数进行分析，其中休止角和运动黏度主要影响碎屑流的运动距离以及运动速度，而侵蚀系数影响碎屑流的方量，因此通过相应的数值方法，改变运动黏度、休止角系数，得到相应的速度时程曲线、运动距离曲线以及堆积形态分布情况，随后根据不同参数取值得到的模拟结果进行参数敏感性分析，以判断参数对侵蚀效应影响的相关性和敏感性。根据各参数的影响因子进行取值，对比实际监测数据，调整参数获得相应的模拟结果，从而得到符合要求的等效参数取值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请公开的一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法实施例1的流程图；
图2为本申请公开的数值模拟运行流程示意图；
图3为本申请公开的分区域的三维原始模型示意图；
图4为本申请公开的具体实例中休止角对碎屑流运动距离的影响曲线示意图；
图5为本申请公开的具体实例中休止角对碎屑流运动速度的影响曲线示意图；
图6为本申请公开的具体实例中运动黏度对碎屑流运动速度的影响曲线示意图；
图7为本申请公开的具体实例中运动黏度对碎屑流运动距离的影响曲线示意图；
图8为本申请公开的具体实例中侵蚀系数对碎屑流方量的影响曲线示意图；
图9中的(a)、(b)、(c)分别为本申请公开的具体实例中T＝10s，20s， 60s时碎屑流运动速度分布情况三维速度分布图；
图10为本申请公开的具体实例中T＝60s时基底物质侵蚀深度变化分布情况三维图；
图11为本申请公开的具体实例中碎屑流相关参数变化曲线图，其中， (a)为碎屑流运动速度变化曲线图，(b)为碎屑流运动距离变化曲线图， (c)为碎屑流方量变化曲线图；
图12为本申请公开的一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟系统实施例1的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，为本申请公开的一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法，所述方法包括以下步骤：
S101、根据待模拟区域的点云数据构建原始模型；
当需要对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟时，首先需要根据由实际测量得到的待模拟区域的点云数据通过3D绘图软件构建原始的计算模型。
S102、在模拟软件中创建待模拟区域的模拟任务；
在使用模拟软件对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟时，需要在模拟软件中创建一个基于带模拟区域的模拟任务，同时进行相关参数的选择和设定，如模拟时长的选择、计算精度的选择以及单位的设定等。
S103、在模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型；
在模拟软件中创建好模拟任务后，进而需要在模拟任务中设置模拟过程所使用的本构模型，设置紊流模型和泥沙冲刷模型为本构模型，紊流模型用于描述滑坡-碎屑流流体的属性，将碎屑流的控制参数拟液态化，利用碎屑流运动方程控制碎屑流的属性；泥沙冲刷模型用于描述碎屑流对基底物质的侵蚀过程、运移过程和堆积过程，分别用基底物质侵蚀控制方程、基底物质运动方程和基底物质堆积控制方程来进行描述和控制。
S104、将原始模型的模型文件导入至模拟任务中；
接着，还需要将原始模型的模型文件的格式设置为后缀为.stl的文件后导入至模拟任务中，并设置原始模型中每块区域的属性，用不同的颜色对不同的区域加以区分。
S105、在模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数；
然后在模拟任务中对设置紊流模型中碎屑流的参数和泥沙冲刷模型中基底物质的参数，其中，碎屑流的参数至少包括碎屑流运动黏度、碎屑流密度之一，基底物质的参数至少包括基底物质平均粒径、基底物质密度、基底物质拖拽力系数、基底物质侵蚀系数、基底物质滑床荷载系数、基底物质休止角系数之一；对碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数分别进行不同取值进行模拟。
S106、基于设置的模拟参数生成结果文件。
最后启动模拟软件对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟，根据输入的模拟参数生成相应的结果文件，结果文件包括二维坐标的曲线图和三维分布图，其中二维坐标的曲线图主要包括碎屑流运动速度-时间曲线、运动距离-时间曲线和碎屑流方量-时间曲线，三维分布图主要包括碎屑流三维速度分布图、碎屑流三维距离分布图和碎屑流三维堆积形态分布图。
综上所述，在上述实施例中，当需要对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟时，首先根据待模拟区域的点云数据构建原始模型；然后在模拟软件中创建待模拟区域的模拟任务；在模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型；接着将原始模型的模型文件导入至模拟任务中；最后在模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数；基于模拟参数生成结果文件。本申请利用计算流体动力学方法来研究滑坡-碎屑流，能够快速、有效、简捷的进行高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟，反映出了碎屑流侵蚀效应的主要特征，为滑坡-碎屑流对坡体基底物质的侵蚀效应提供依据，相比传统的数值模拟方法，此方法的计算时耗和前后处理步骤更加简单，避免研究人员从大量繁琐的数据中挖掘信息。
具体的，在上述实施例中，选用的计算流体动力学方法的模拟软件为FLOW-3D，模型中的方程均为笛卡尔坐标系下，各个参数的单位均为SI 国际制标准单位。
具体地，步骤S103中的紊流模型和泥沙冲刷模型如下：
紊流模型具体选用RNGk-e紊流模型，该模型的主要用途在于将碎屑流的运动黏度、密度、碎屑流平均粒径等相关控制参数拟液态化，利用紊流的方程控制碎屑流的运动速度、运动距离、侵蚀深度和堆积形态等属性；
其碎屑流运动方程如下：
其中：
kT代表受碎屑流流速波动产生的单位质量动能；由式计算得出，其中：u，v，w分别为碎屑流在x，y，z三个方向的速度；
VF,Ax,Ay,Az为FLOW-3D中的FAVORTM函数；
PT代表单位质量碎屑流的动能消散率，由以下公式计算：
其中：CSPRO为紊流系数，默认值为1；R和ξ在笛卡尔坐标系中取值为0；
GT代表单位质量由浮力产生的动能消散率，由该公式计算：
其中：μ为动力黏度；ρ为碎屑流的密度；P为压力项；CRHO为紊流系数，默认取值为0；
εT代表紊流能量的消散率，由该公式计算：
其中：CNU为无量纲系数，取0.09；TLEN为碎屑流的长度比尺；
CDIS1、CDIS2、CDIS3为无量纲参数，CDIS1和CDIS3默认值为1.42和0.2， CDIS2的值由kT与PT计算得出；
Diffε和为能量消散项，由下列公式计算得出：
其中：vε为紊流能量消散速率，vk为单位质量动能消散速率。
泥沙冲刷模型作为控制碎屑流侵蚀的模型，碎屑流的侵蚀包括三个过程：侵蚀过程、运移过程以及堆积过程，在模拟中分别用三部分方程来描述和控制：a基底物质侵蚀控制方程；b基底物质运动方程；c基底物质堆积控制方程。主要控制参数有基底物质平均粒径、密度、休止角、侵蚀系数。
a、基底物质侵蚀控制方程：
其中：
αi为侵蚀系数，默认值为0.018，可自由设定，无量纲数；
ns为指向基底物质表面外部的法向量；
d*为被侵蚀材料的计算粒径，无量纲数；
θi是计算保护系数，无量纲数；
θcr,i是临界保护系数，无量纲数；
计算保护系数由该公式计算得出：
其中：τ为剪切强度；ds,i为基底物质的粒径，根据实际地质设定；||g||为重力加速度矢量；ρs,i为基底物质密度，根据实际测量值设定；ρf为碎屑流密度，根据实际测量值设定；
计算粒径由该公式计算得出：
其中：μ为动力粘度；d50为中粒粒径；
b、基底物质运动方程：
其中：
fb,i为各组基底物质所占比例，根据实际测量值设定；
qb,i为基底物质体积变化速度，由该公式计算:
δi为基底物质厚度，由该公式计算：
c、基底物质堆积控制方程：
其中：vf为碎屑流的运动黏度；
具体地，在上述实施例中，启动模拟软件进行模拟之前，还需要对模拟任务进行网格和边界的设定，在模拟软件中进行相应的计算方法选取设置，对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行数值模拟的运行流程如图2所示，其中，建立的原始模型如图3所示，将滑坡-碎屑流侵蚀的原始模型设为多个区域。
为了更加清楚的说明本申请公开的高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法，下面依托茂县滑坡案例以具体的实例进行说明。
如下为使用本申请提供的高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法模拟茂县滑坡的侵蚀效应过程、关键的影响参数敏感性分析结果以及高速滑坡-碎屑流的相关指标。
通过工程地质资料和无人机航拍图，或者通过土体参数测定实验来初步确定碎屑流物质的平均密度，此案例中为2300kg/m3、基底物质的平均密度2100kg/m3以及平均粒径0.01m。由滑坡区剖面图可知，滑坡体所在富贵山地形上陡下缓，上部角度约为40°，下部角度22°，初步确定休止角28°。碎屑流运动黏度、基底物质拖曳力系数、侵蚀系数等关键参数并不是存在于实际碎屑流中的特性参数，无法直接从已有的工程资料得出，是软件中用于计算所量化出来的参数，可采用软件默认的取值来作为控制参数，通过控制变量的方法将不同参数对模拟结果的影响效果来进行敏感性分析来确定这些关键参数对模拟结果的影响，同时借助少量经验来确定。本案例中初拟碎屑流运动黏度0.04为经验选取值、基底物质拖曳力系数0.5为系统默认值、侵蚀系数0.018为系统默认值，经过多种工况的计算即可得出不同参数监测曲线。
部分特征参数，例如休止角系数、运动黏度系数以及侵蚀系数，参数监测曲线如图4-图8所示。
经过对上述相应参数的敏感性分析，可以得出不同参数对模拟结果的影响，从图4-图8的曲线分布可以得出：(1)图4、图5中，基底物质休止角增大，碎屑流的运动速度和距离相应减小，说明基底物质的休止角会增大内部摩擦力，从而影响碎屑流的运动距离，且呈负相关。(2)图6中，运动黏度增大，碎屑流的运动速度减小，故碎屑流的运动速度与其运动黏度呈负相关，说明运动黏度这一参数控制着碎屑流的流动性；图7中，运动黏度增大，碎屑流的运动距离减小，故碎屑流的运动速度与其运动黏度呈负相关。(3)图8中，表现的是侵蚀系数对碎屑流堆积方量的影响，当基底物质侵蚀系数增大，最终堆积方量减小。通过对敏感性曲线的分析，可以确定不同类型的参数对侵蚀效应的影响程度。
如下表所示，为敏感性分析结果：
基于上表呈现的敏感性分析结果中的变化规律，后续进行了控制参数的调整，主要通过模拟的速度曲线，运动距离曲线以及堆积方量曲线实际监测结果进行对比。(1)初始运动黏度设置为0.04，模拟的速度曲线比实际情况偏大，根据敏感性分析，将运动黏度相应调大，再次进行模拟，进一步减小参数的取值直到符合实际情况，最终确定运动黏度为0.2。(2)初始侵蚀系数为默认值0.018，侵蚀系数对堆积方量呈负相关关系，但是效果收益不大，故仍保持默认参数0.018。(3)休止角的初始值为28°，其速度曲线与实际情况吻合良好，故最终选取为28°。其他参数如碎屑流密度，基底物质密度，基底物质平均粒径可通过实际工程案例提供的地质资料得出，而基底物质拖曳力系数对模拟效果影响甚微，故取为默认值0.5。
如下表所示，为本案例最终模拟参数，表中单位为SI国际制标准单位，其他参数未被列出的参数均取软件默认值。
使用上述模拟参数进行高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟，其模拟结果如图9-图11所示，整个模拟结果提供碎屑流的运动速度、运动距离、碎屑流方量、侵蚀深度等关键参数的变化数据，基本反映出了碎屑流侵蚀效应的主要特征，相比传统的数值模拟方法，此方法的计算时耗和前后处理步骤更加简单，避免研究人员从大量繁琐的数据中挖掘信息。
如图12所示，为本申请公开的一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟系统实施例1的结构示意图，所述系统包括：
模型构建模块1201，用于根据待模拟区域的点云数据构建原始模型；
当需要对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟时，首先需要根据由实际测量得到的待模拟区域的点云数据通过3D绘图软件构建原始的计算模型。
任务创建模块1202，用于在模拟软件中创建待模拟区域的模拟任务；
在使用模拟软件对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟时，需要在模拟软件中创建一个基于带模拟区域的模拟任务，同时进行相关参数的选择和设定，如模拟时长的选择、计算精度的选择以及单位的设定等。
模型设置模块1203，用于在模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型；
在模拟软件中创建好模拟任务后，进而需要在模拟任务中设置模拟过程所使用的本构模型，设置紊流模型和泥沙冲刷模型为本构模型，紊流模型用于描述滑坡-碎屑流流体的属性，将碎屑流的控制参数拟液态化，利用碎屑流运动方程控制碎屑流的属性；泥沙冲刷模型用于描述碎屑流对基底物质的侵蚀过程、运移过程和堆积过程，分别用基底物质侵蚀控制方程、基底物质运动方程和基底物质堆积控制方程来进行描述和控制。
模型导入模块1204，用于将原始模型的模型文件导入至模拟任务中；
接着，还需要将原始模型的模型文件的格式设置为后缀为.stl的文件后导入至模拟任务中，并设置原始模型中每块区域的属性，用不同的颜色对不同的区域加以区分。
参数设置模块1205，用于在模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数；
然后在模拟任务中对设置紊流模型中碎屑流的参数和泥沙冲刷模型中基底物质的参数，其中，碎屑流的参数至少包括碎屑流运动黏度、碎屑流密度之一，基底物质的参数至少包括基底物质平均粒径、基底物质密度、基底物质拖拽力系数、基底物质侵蚀系数、基底物质滑床荷载系数、基底物质休止角系数之一；对碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数分别进行不同取值进行模拟。
结果生成模块1206，用于基于设置的模拟参数生成结果文件。
最后启动模拟软件对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟，根据输入的模拟参数生成相应的结果文件，结果文件包括二维坐标的曲线图和三维分布图，其中二维坐标的曲线图主要包括碎屑流运动速度-时间曲线、运动距离-时间曲线和碎屑流方量-时间曲线，三维分布图主要包括碎屑流三维速度分布图、碎屑流三维距离分布图和碎屑流三维堆积形态分布图。
综上所述，在上述实施例中，当需要对高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应进行模拟时，首先根据待模拟区域的点云数据构建原始模型；然后在模拟软件中创建待模拟区域的模拟任务；在模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型；接着将原始模型的模型文件导入至模拟任务中；最后在模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数；基于设置的模拟参数生成结果文件。本申请利用计算流体动力学方法来研究滑坡-碎屑流，能够快速、有效、简捷的进行高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟，反映出了碎屑流侵蚀效应的主要特征，为滑坡-碎屑流对坡体基底物质的侵蚀效应提供依据，相比传统的数值模拟方法，此方法的计算时耗和前后处理步骤更加简单，避免研究人员从大量繁琐的数据中挖掘信息。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
根据待模拟区域的点云数据构建原始模型；
在模拟软件中创建待模拟区域的模拟任务；
在所述模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型；
将所述原始模型的模型文件导入至所述模拟任务中；
在所述模拟任务中设置所述紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数；
基于设置的所述模拟参数生成结果文件。
2.根据权利要求1所述的高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法，其特征在于，所述在所述模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型包括：
在所述模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型，所述紊流模型用于描述滑坡-碎屑流流体的属性，将碎屑流的控制参数拟液态化，利用碎屑流运动方程控制碎屑流的属性；所述泥沙冲刷模型用于描述碎屑流对基底物质的侵蚀过程、运移过程和堆积过程，分别用基底物质侵蚀控制方程、基底物质运动方程和基底物质堆积控制方程来进行描述和控制。
3.根据权利要求1所述的高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法，其特征在于，所述将所述原始模型的模型文件导入至所述模拟任务中包括：
将所述原始模型的模型文件的格式设置为后缀为.stl的文件后导入至所述模拟任务中，并设置所述原始模型中每块区域的属性，用不同的颜色对不同的所述区域加以区分。
4.根据权利要求1所述的高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法，其特征在于，所述在所述模拟任务中设置所述紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数包括：
在所述模拟任务中对设置所述紊流模型中碎屑流的参数和泥沙冲刷模型中基底物质的参数，其中，所述碎屑流的参数至少包括碎屑流运动黏度、碎屑流密度之一，所述基底物质的参数至少包括基底物质平均粒径、基底物质密度、基底物质拖拽力系数、基底物质侵蚀系数、基底物质滑床荷载系数、基底物质休止角系数之一；对所述碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数分别进行不同取值进行模拟。
5.根据权利要求4所述的高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数的不同取值生成的不同的所述结果文件对侵蚀效应影响的相关性和敏感性进行分析，生成分析结果；基于所述相关性和敏感性分析的分析结果调整参数的取值获得相应的模拟结果，得到符合要求的等效参数取值。
6.一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于根据待模拟区域的点云数据构建原始模型；
任务创建模块，用于在模拟软件中创建待模拟区域的模拟任务；
模型设置模块，用于在所述模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型为模拟高速滑坡-碎屑流运动过程的侵蚀效应的本构模型；
模型导入模块，用于将所述原始模型的模型文件导入至所述模拟任务中；参数设置模块，用于在所述模拟任务中设置所述紊流模型和泥沙冲刷模型的模拟参数；
结果生成模块，用于基于设置的所述模拟参数生成结果文件。
7.根据权利要求6所述的高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟系统，其特征在于，所述模型设置模块具体用于：
在所述模拟任务中设置紊流模型和泥沙冲刷模型，所述紊流模型用于描述滑坡-碎屑流流体的属性，将碎屑流的控制参数拟液态化，利用碎屑流运动方程控制碎屑流的属性；所述泥沙冲刷模型用于描述碎屑流对基底物质的侵蚀过程、运移过程和堆积过程，分别用基底物质侵蚀控制方程、基底物质运动方程和基底物质堆积控制方程来进行描述和控制。
8.根据权利要求6所述的高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟系统，其特征在于，所述模型导入模块具体用于：
将所述原始模型的模型文件的格式设置为后缀为.stl的文件后导入至所述模拟任务中，并设置所述原始模型中每块区域的属性，用不同的颜色对不同的所述区域加以区分。
9.根据权利要求6所述的高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟系统，其特征在于，所述参数设置模块具体用于：
在所述模拟任务中对设置所述紊流模型中碎屑流的参数和泥沙冲刷模型中基底物质的参数，其中，所述碎屑流的参数至少包括碎屑流运动黏度、碎屑流密度之一，所述基底物质的参数至少包括基底物质平均粒径、基底物质密度、基底物质拖拽力系数、基底物质侵蚀系数、基底物质滑床荷载系数、基底物质休止角系数之一；对所述碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数分别进行不同取值进行模拟。
10.根据权利要求9所述的高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟系统，其特征在于，所述系统还包括：
数据分析模块，用于根据所述碎屑流运动黏度、基底物质侵蚀系数和基底物质休止角系数的不同取值生成的不同的所述结果文件对侵蚀效应影响的相关性和敏感性进行分析，生成分析结果；基于所述相关性和敏感性分析的分析结果调整参数的取值获得相应的模拟结果，得到符合要求的等效参数取值。。
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| CN201810837683.4A CN109325250A (zh) | 2018-07-26 | 2018-07-26 | 一种高速滑坡-碎屑流运动侵蚀效应的数值模拟方法及系统 |
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