CN111881607A - 基于sph的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，包括以下步骤：（1）堆积区微观力学参数的确定;（2）制作泥石流堆积体模型；（3）采用颗粒流程序SPH对步骤（2）泥石流堆积体的速度和位移进行计算：将步骤（1）中的堆积区微观力学参数写入颗粒流程序SPH模拟代码中，对其发生、发展的全过程进行模拟。利用该方法对泥石流物源启动进行模拟，能更清楚地看到不同的雨强影响下物源土体中颗粒运动情况及应力分布状况，分析该类型泥石流的启动机制，并可以进一步的和室内物理模型试验相结合来提高研究的精确性。
Description
技术领域
本发明属于泥石流研究领域，具体地说涉及一种基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法。
背景技术
形成泥石流的松散碎屑物质多为砾石、砂砾、粉细砂和黏性土等混合而成的砾石土，具有散粒体的基本性质。这种散粒体由于其中的颗粒是相互独立的，具有离散型，因此特性较复杂，难以建立完美的本构模型。在建立过程中，需要大量的试验来进行验证和数据的提供。但是由于散粒体内部的复杂性，给试验建立或验证本构关系需要大量的物理试验。然而，由于松散介质内部的应力很难直接测量，试验难度很大，只能采用实际和经验公式来对边界条件进行粗略估算。因此在对其进行模拟研究时，只能建立相对简化的模型，来对其内部变化进行测定，比较常见的方式即把这些散粒体的组成看做圆盘或者小球，以此来建立模型用于模拟。
在岩土工程领域，以往在对泥石流进行数值模拟时，主要采用有限元软件如PFC、FLO-2D等进行模拟，将散粒体的运动形式采用以颗粒的微观参数为基础，然后利用材料力学的原理，将该问题的解决当做数值求解的过程。
采用有限元软件进行模拟，其主流的数值模拟方法为FEM方法，欧拉Euler方法，任意拉格朗日-欧拉方法（Arbitrary Lagrangian-Eulerian, 简称ALE）等。
Lagrange有限元方法(Finite element method，简称FEM)但在计算大变形、多介质问题时，因为网格的节点伴随着网格点上的物质运动，所以相邻节点一旦出现大的相会运动就可能遇到网格大畸变或滑移面处理等问题，最终导致计算精度降低甚至计算终断；Euler法的边界定义不够精确，很难准确描述物质运动界面；ALE法对于网格划分质量要求很高，对于不规则的模型只能划分为四面体网格，大大降低了计算精度，并且该方法的计算效率与Lagrange方法相比很低，且经常会出现节点速度溢出等问题。
发明内容
由于泥石流流体具有离散性质的特点，本发明采用离散元软件如SPH来进行模拟，即光滑粒子法，可以更好地从散粒介质的细观力学特征出发，通过一种非连续的数值方法来解决泥石流体含有复杂变形模式的实际问题。
本发明的目的在于提供一种基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，包括以下步骤：
（1）堆积区微观力学参数的确定：利用SPH软件对泥石流启动进行颗粒流数值模拟，在强降雨引发松散碎屑物质含水率改变以致力学行为发生变化的室内试验基础上得到室内试验结果，再进行物源土体的三轴压缩实验得到三种不同围压下的应力应变曲线，根据前两者试验结果经过反复测试调整，得到模拟中采用的堆积区微观力学参数；
（2）制作泥石流堆积体模型：选取实际泥石流沟道堆积体作为模拟对象，根据实际沟床坡度设置模型沟床坡度形成堆积体坡面，选用没有重叠的不规则排列的土体颗粒组，在重力加速度作用下下落到模型沟床的堆积坡面上，在堆积体初始密度和强度下经循环后完成松散堆积体的堆积过程，让土体颗粒在自重作用下计算达到平衡状态，该平衡状态为步骤（1）反复测试得到的堆积区的微观力学参数，从而得到模拟泥石流堆积体的初始应力场，泥石流堆积体形成的过程中在泥石流堆积体的上、中、下三个位置分别设置监测小球，分别对泥石流堆积体上、中、下三个位置进行速度和位移的监测；
（3）采用颗粒流程序SPH对步骤（2）泥石流堆积体的速度和位移进行计算：将步骤（1）中的堆积区微观力学参数写入颗粒流程序SPH模拟代码中，对其发生、发展的全过程进行模拟。
上述基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，所述步骤（1），反复测试得到的堆积区微观力学参数见下表
表 1 模型平行粘结参数设定
上述基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，所述步骤（2）实际泥石流沟道堆积体如下：该段堆积体长约150m最厚的地方有5米左右，平均厚约 2.5 米，其地质剖面图如图1所示。泥石流沟道堆积物为粗粒土，下伏基岩岩性为燕山期黑云母花岗岩，于强烈的当期降雨因素为该泥石流发生的主要诱发因素，因此根据其沟道堆积体作为物源形成泥石流的过程进行数值模拟。
上述基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，所述这步骤（2）中没有重叠的不规则排列的土体颗粒组的选择如下：综合考虑计算效率、物理模型的颗粒级配和相似程度以及粒径分布，选用 109226个没有重叠的不规则排列颗粒组，用以模拟堆积体内部无序的颗粒结构，为了便于观察，用不同的颜色的颗粒把模型栅格化。将这些颗粒在重力加速度作用下下落到崩滑堆积坡面上，在堆积体初始密度和强度下经循环后完成松散堆积体的堆积过程，采用步骤（1）反复测试得到的堆积区微观力学参数作为模拟中采用的力学参数建立数值计算模型图. 让颗粒在自重作用下计算达到平衡状态，从而模拟得到松散堆积体的初始应力场，不同压应力颜色从蓝色到红色表示，红色代表颗粒间压应力越大，最大应力位于堆积体底部，经试算和实际情况基本一致。
上述基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，步骤（2）模拟泥石流堆积体的初始应力场的形成过程如下：经过迭代运算后，体系平均不平衡力与接触应力的比值随着迭代计算的运行，逐渐逼近于 0，且监测球的速度逐渐趋于 0，表明泥石流堆积体最终达到了力平衡状态，泥石流堆积体的初始应力场已形成，堆积体逐渐达到稳定状态，具有了稳定的坡面形态。
上述基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，根据实际沟床坡度为 12°设置堆积体模型沟床坡度为 12°，并设置泥石流堆积体模型中物源土体初始饱和度为 100%，分别进中雨60mm/h跟暴雨90mm/h两种工况下的模拟。
上述基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，在中雨工况时，通过对比 2000步和 5000 步后的接触应力及速度、位移矢量图可得，当运行到 2000 步时，泥石流堆积体模型表层的局部颗粒具有一个向上的速度，此时松散堆积体表层颗粒受到的浮力已经大于自身的重力，表层颗粒会悬浮在地表径流中，堆积体应力场的应力集中在里层，整体还未失稳，故堆积体处于一种相对稳定的状态；当达到 5000 步时，整个堆积体都有一种向下运动的趋势，这种情况符合重力及流水推力共同作用的结果，但表层的颗粒较里层的颗粒有一种向上运动的倾向，泥石流堆积体在中雨强度持续的情况下，表层堆积物率先运动，这也比较与实际情况相符合，此时接触应力也发生了变化，由于泥石流堆积物在静水压力下，接触应力的情况集中于堆积体的中层，主要是由于表层堆积物和里层堆积物对中层有一个挤压作用所造成的。堆积体表面形态除局部产生变化外，整体形态变化不太大，地表径流的冲刷力仅对堆积体表层有影响，泥石流部分启动。
上述基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，在暴雨工况时，堆积体表面形态开始发生显著变化，堆积体表层土体随着水流向下运动，当暴雨持续时间较长时，该泥石流沟上游形成径流对堆积体表面进行冲刷侵蚀，迫使土石颗粒开始脱离堆积体表面，雨量越大，堆积体位移及变形速度越大，最终导致堆积体发生连锁式破坏，大范围呈流态下泄，最终形成泥石流。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明利用SPH法，而SPH法采用拉格朗日无网格计算的方式，利用具有一定能量的颗粒来构成离散元，其中颗粒的材料可以不同，通过粒子与粒子的作用来进行模拟，利用粒子的运动来表征模拟对象的变形，因此在对散粒体进行模拟时更符合实际情况。但是该方法没有有限元法的计算速度快，因此在模拟时采用SPH法与有限元法结合的方式，即在大变形区域采用SPH方法，小变形区域采用有限元方法，该种方法综合了两者的优势，技能提高计算速度又能解决变形时网格扭曲的问题。
利用该方法对泥石流物源启动进行模拟，能更清楚地看到不同的雨强影响下物源土体中颗粒运动情况及应力分布状况，分析该类型泥石流的启动机制，并可以进一步的和室内物理模型试验相结合来提高研究的精确性。
附图说明
图1是选取实际泥石流沟道堆积体剖面示意图。
图2是沟道堆积体数值计算模型图。
图3是堆积体局部初始应力场。
图4是堆积体上、中、下监测球的速度大小图。
图5是中雨工况下2000步时堆积体颗粒压力和张力图。
图6是中雨工况下5000步时堆积体颗粒压力和张力图。
图7是中雨工况下2000步时堆积体颗粒局部速度矢量图。
图8是中雨工况下5000步时堆积体颗粒速度矢量图。
图9是中雨工况下5000步时堆积体应力场分布及变形图。
图10是暴雨工况下5000步时堆积体后缘接触应力分布和速度矢量图。
图11是暴雨工况下10000步时堆积体后缘接触应力分布和速度矢量图。
图12是暴雨工况下5000步时堆积体后缘接触应力分布图。
图13是暴雨工况下10000步时堆积体后缘接触速度矢量图。
图14是暴雨工况下监测粒子速度大小比较图。
图15是暴雨工况下5000步时堆积体应力场分布及变形图。
图16是暴雨工况下10000步时堆积体应力场分布及变形图。
具体实施方式
一种基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，包括以下步骤：
（1）堆积区微观力学参数的确定：利用SPH软件对泥石流启动进行颗粒流数值模拟，在强降雨引发松散碎屑物质含水率改变以致力学行为发生变化的室内试验基础上得到室内试验结果，再进行物源土体的三轴压缩实验得到三种不同围压下的应力应变曲线，根据前两者试验结果经过反复测试调整，得到模拟中采用的堆积区微观力学参数；
（2）制作泥石流堆积体模型：选取实际泥石流沟道堆积体作为模拟对象，根据实际沟床坡度设置模型沟床坡度形成堆积体坡面，选用没有重叠的不规则排列的土体颗粒组，在重力加速度作用下下落到模型沟床的堆积坡面上，在堆积体初始密度和强度下经循环后完成松散堆积体的堆积过程，让土体颗粒在自重作用下计算达到平衡状态，该平衡状态为步骤（1）反复测试得到的堆积区的微观力学参数，从而得到模拟泥石流堆积体的初始应力场，泥石流堆积体形成的过程中在泥石流堆积体的上、中、下三个位置分别设置监测小球，监测小球具有传感器的作用，分别对泥石流堆积体上、中、下三个位置进行速度和位移的监测；
（3）采用颗粒流程序SPH对步骤（2）泥石流堆积体的变形、速度和位移进行计算：将步骤（1）中的堆积区微观力学参数写入颗粒流程序SPH模拟代码中，对其发生、发展的全过程进行模拟。
所述步骤（1），反复测试得到的堆积区微观力学参数见下表
表 1 模型平行粘结参数设定
所述步骤（2）实际泥石流沟道堆积体如下：该段堆积体长约150m最厚的地方有5米左右，平均厚约 2.5 米，其地质剖面图如图1所示。泥石流沟道堆积物为粗粒土，下伏基岩岩性为燕山期黑云母花岗岩，于强烈的当期降雨因素为该泥石流发生的主要诱发因素，因此根据其沟道堆积体作为物源形成泥石流的过程进行数值模拟。
本发明中，这步骤（2）中没有重叠的不规则排列的土体颗粒组的选择如下：综合考虑计算效率、物理模型的颗粒级配和相似程度以及粒径分布，选用 109226个没有重叠的不规则排列颗粒组，用以模拟堆积体内部无序的颗粒结构，为了便于观察，用不同的颜色的颗粒把模型栅格化，将这些颗粒在重力加速度作用下下落到崩滑堆积坡面上，在堆积体初始密度和强度下经循环后完成松散堆积体的堆积过程，采用步骤（1）反复测试得到的堆积区微观力学参数作为模拟中采用的力学参数建立数值计算模型图见图2. 让颗粒在自重作用下计算达到平衡状态，从而模拟得到松散堆积体的初始应力场（见图3），不同压应力颜色从蓝色到红色表示，红色代表颗粒间压应力越大，最大应力位于堆积体底部，经试算和实际情况基本一致。
步骤（2）模拟泥石流堆积体的初始应力场的形成过程如下：经过迭代运算后，体系平均不平衡力与接触应力的比值随着迭代计算的运行，逐渐逼近于 0，且监测球的速度逐渐趋于 0，表明泥石流堆积体最终达到了力平衡状态，泥石流堆积体的初始应力场已形成，堆积体逐渐达到稳定状态，具有了稳定的坡面形态。
根据实际沟床坡度为 12°设置模型沟床坡度为 12°，并设置模型中物源土体初始饱和度为 100%，分别进行中雨（60mm/h）跟暴雨（90mm/h）两种工况下的模拟。其中雨强的设定是根据上游径流来水对堆积体后缘造成的压强设置来完成的，中雨雨强设置为 60mm/h，暴雨雨强设置为90mm/h，以此分析 100%饱和度下沟道堆积体在力和力矩平衡作用下完成形态再造的过程；分别对堆积体上、中、下三个位置进行速度和位移的监测，以追踪泥石流体发展、发生的全过程，揭示降雨作用下泥石流松散堆积体启动形成泥石流的过程和机制。
1)中雨工况
采用不同颜色表示堆积体压力和张力，正值代表压力，负值代表张力。从图5可以看出此时有张力的粒子分布较分散且占的比较小。随着时间推移，有张力的粒子数量有所增加，分布范围也在扩大，如图6所示。
在中雨状态时，通过对比 2000 步和 5000 步后的接触应力及速度、位移矢量图可得，当运行到 2000 步时，柿树沟松散堆积体表层的局部颗粒具有一个向上的速度（图 7和图8），这表明此时松散堆积体表层颗粒受到的浮力已经大于自身的重力，表层颗粒会悬浮在地表径流中，此时堆积体应力场的应力集中在里层，正好说明了这种情况，但由于此时整体还未失稳，故堆积体还处于一种相对稳定的状态；当达到 5000 步时，整个堆积体都有一种向下运动的趋势，这种情况符合重力及流水推力共同作用的结果，但表层的颗粒较里层的颗粒有一种向上运动的倾向（图 7和图8），说明泥石流堆积体在中雨强度持续一定时间的情况下，表层堆积物率先运动，这也比较与实际情况相符合。此时接触应力也发生了变化（图 7和图8），由于泥石流堆积物在静水压力下，接触应力的情况集中于堆积体的中层，主要是由于表层堆积物和里层堆积物对中层有一个挤压作用所造成的。
图9为5000步后堆积体变形图，可以看出，堆积体表面形态除局部产生变化外，整体形态变化不太大，地表径流的冲刷力仅对堆积体表层有影响，泥石流部分启动。
2）暴雨工况
在暴雨状态时，图10和图11及图12和图13分别为运行 5000 步和 10000 步时的堆积体后缘接触应力分布图和速度矢量图，通过对比可知，堆积体在 10000 步时比在 5000 步时的最大接触应力，最大速度及最大位移要大，且都在堆积体后部这些矢量值达到最大。结果说明当上游的强水流冲下来时，堆积体后部的表层土体率先开始运动，里层的土体向前产生一个推挤力，推动着前方土体运动，且暴雨时间越长，土体的运动速度和位移越大。
根据泥石流堆积体不同位置的三个监测小球的运动速度图可以看出，如图14所示，表部颗粒的运动速度大于底部颗粒的运动速度，且运动方向常发生紊乱，这符合水力类泥石流运动特征，此时堆积体整体已经启动且速度持续增加，运动加剧，即松散堆积体已经启动形成泥石流。
图15和图16为堆积体变形图，可以看出，在暴雨工况（90mm/h）下，堆积体表面形态开始发生显著变化，堆积体表层土体随着水流向下运动，当暴雨持续时间较长时，该泥石流沟上游形成径流对堆积体表面进行冲刷侵蚀，迫使土石颗粒开始脱离堆积体表面，雨量越大，堆积体位移及变形速度越大，最终导致堆积体发生连锁式破坏，大范围呈流态下泄，最终形成泥石流。
本发明堆积体的变形和应力分布情况模拟采用SPH方法和有限元方法结合，即在大变形区域采用SPH方法，小变形区域采用有限元方法，该种方法综合了两者的优势，技能提高计算速度又能解决变形时网格扭曲的问题。
本发明中，每步的步幅大约75cm，即60-90cm。本发明在实验时，所述的2000步、5000步和10000步，是从堆积体坡度高的地方开始向坡度低的地方计算步数。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (8)
1.一种基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，包括以下步骤：
（1）堆积区微观力学参数的确定：利用SPH软件对泥石流启动进行颗粒流数值模拟，在强降雨引发松散碎屑物质含水率改变以致力学行为发生变化的室内试验基础上得到室内试验结果，再进行物源土体的三轴压缩实验得到三种不同围压下的应力应变曲线，根据前两者试验结果经过反复测试调整，得到模拟中采用的堆积区微观力学参数；
（2）制作泥石流堆积体模型：选取实际泥石流沟道堆积体作为模拟对象，根据实际沟床坡度设置模型沟床坡度形成堆积体坡面，选用没有重叠的不规则排列的土体颗粒组，在重力加速度作用下下落到模型沟床的堆积坡面上，在堆积体初始密度和强度下经循环后完成松散堆积体的堆积过程，让土体颗粒在自重作用下计算达到平衡状态，该平衡状态为步骤（1）反复测试得到的堆积区的微观力学参数，从而得到模拟泥石流堆积体的初始应力场，泥石流堆积体形成的过程中在泥石流堆积体的上、中、下三个位置分别设置监测小球，分别对泥石流堆积体上、中、下三个位置进行速度和位移的监测；
（3）采用颗粒流程序SPH对步骤（2）泥石流堆积体的应力、速度和位移进行计算：将步骤（1）中的堆积区微观力学参数写入颗粒流程序SPH模拟代码中，对泥石流发生、发展的全过程进行模拟。
2.根据权利要求1所述的基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，其特征在于：所述步骤（1），反复测试得到的堆积区微观力学参数见下表
表 1 模型平行粘结参数设定
。
3.根据权利要求1所述的基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，其特征在于：所述步骤（2）实际泥石流沟道堆积体如下：该段堆积体长约150m最厚的地方有5米左右，平均厚约 2.5 米，泥石流沟道堆积物为粗粒土，下伏基岩岩性为燕山期黑云母花岗岩，于强烈的当期降雨因素为该泥石流发生的主要诱发因素，因此根据其沟道堆积体作为物源形成泥石流的过程进行数值模拟。
4.根据权利要求1所述的基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，其特征在于：所述这步骤（2）中没有重叠的不规则排列的土体颗粒组的选择如下：综合考虑计算效率、物理模型的颗粒级配和相似程度以及粒径分布，选用 109226个没有重叠的不规则排列颗粒组，用以模拟堆积体内部无序的颗粒结构，为了便于观察，用不同的颜色的颗粒把模型栅格化；将这些颗粒在重力加速度作用下下落到崩滑堆积坡面上，在堆积体初始密度和强度下经循环后完成松散堆积体的堆积过程，采用步骤（1）反复测试得到的堆积区微观力学参数作为模拟中采用的力学参数建立数值计算模型， 让颗粒在自重作用下计算达到平衡状态，从而模拟得到松散堆积体的初始应力场，不同压应力颜色从蓝色到红色表示，红色代表颗粒间压应力越大，最大应力位于堆积体底部，经试算和实际情况基本一致。
5.根据权利要求1所述的基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，其特征在于：步骤（2）模拟泥石流堆积体的初始应力场的形成过程如下：经过迭代运算后，体系平均不平衡力与接触应力的比值随着迭代计算的运行，逐渐逼近于 0，且监测球的速度逐渐趋于 0，表明泥石流堆积体最终达到了力平衡状态，泥石流堆积体的初始应力场已形成，堆积体逐渐达到稳定状态，具有了稳定的坡面形态。
6.根据权利要求1所述的基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，其特征在于：根据实际沟床坡度为 12°设置堆积体模型沟床坡度为 12°，并设置泥石流堆积体模型中物源土体初始饱和度为 100%，分别进中雨60mm/h跟暴雨90mm/h两种工况下的模拟。
7.根据权利要求6所述的基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，其特征在于：在中雨工况时，通过对比 2000 步和 5000 步后的接触应力及速度、位移矢量图可得，当运行到 2000 步时，泥石流堆积体模型表层的局部颗粒具有一个向上的速度，此时松散堆积体表层颗粒受到的浮力已经大于自身的重力，表层颗粒会悬浮在地表径流中，堆积体应力场的应力集中在里层，整体还未失稳，故堆积体处于一种相对稳定的状态；当达到 5000 步时，整个堆积体都有一种向下运动的趋势，这种情况符合重力及流水推力共同作用的结果，但表层的颗粒较里层的颗粒有一种向上运动的倾向，泥石流堆积体在中雨强度持续的情况下，表层堆积物率先运动，这也比较与实际情况相符合，此时接触应力也发生了变化，由于泥石流堆积物在静水压力下，接触应力的情况集中于堆积体的中层，主要是由于表层堆积物和里层堆积物对中层有一个挤压作用所造成的；堆积体表面形态除局部产生变化外，整体形态变化不太大，地表径流的冲刷力仅对堆积体表层有影响，泥石流部分启动。
8.根据权利要求6所述的基于SPH的沟床侵蚀性泥石流启动模拟方法，其特征在于：在暴雨工况时，堆积体表面形态开始发生显著变化，堆积体表层土体随着水流向下运动，当暴雨持续时间较长时，该泥石流沟上游形成径流对堆积体表面进行冲刷侵蚀，迫使土石颗粒开始脱离堆积体表面，雨量越大，堆积体位移及变形速度越大，最终导致堆积体发生连锁式破坏，大范围呈流态下泄，最终形成泥石流。
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| CN113255197A (zh) * | 2021-07-13 | 2021-08-13 | 西南交通大学 | 基于离散元方法的物理泥流冲淤距离模拟方法 |
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