一种土石混合体滑坡灾害链全过程模拟方法及系统
2025-02-25 14:37
No.1343955009225891840
技术概要
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本技术提出了一种土石混合体滑坡灾害链全过程模拟方法及系统,包括:步骤1.构建实体模型并离散为等距离粒子模型;分别对各粒子赋予基本参数值和设定粒子类型;步骤2.构建同时表征土石混合体滑坡土体及岩石的通用本构模型;步骤3.分别以土石混合体滑坡土粒子、下游建筑物粒子、地形静力边界粒子为中心粒子,进行粒子接触判断,基于构建的同时表征土石混合体滑坡土体及岩石的通用本构模型模拟中心粒子的变形行为;步骤4.设定沿途土体及建筑物侵蚀启动判别标准;步骤5.将计算求得各中心粒子特性信息进行可视化输出。本发明能更合理评估土石混合体滑坡冲击致灾效应。
背景技术
土石混合体滑坡一旦发生,常常伴随着巨大的破坏力,可能导致房屋、道路、桥梁等建筑设施被毁坏,严重威胁周围居民和行人的生命安全。其次,滑坡还可能导致水土流失、土壤侵蚀等问题,影响土地的可持续利用和生态平衡。此外,土石混合体滑坡由于自身块石体的存在,其运动过程中对沿途及下游建筑物的冲击损害往往比纯土质滑坡严重。因此,土石混合体滑坡具有严重危害性,对人类生活、生态环境和社会经济都造成潜在威胁,如何预测土石混合体滑坡触发模式、计算土石混合体滑坡冲击过程以及有效地防治土石混合体滑坡,均是目前学术界和工程界关注的重点问题。 在土石混合体滑坡滑动面预测和稳定性分析方面,目前存在多种现有技术和方法。以下是一些常用的技术:①地质勘查与监测:通过地质勘查和现场监测,获取土石混合体的地质、水文地质等信息,并实时监测滑坡体的变形情况,以评估滑坡稳定性。但此类方法通常成本较为高昂,主要针对已知滑坡体,对潜在滑坡体预测较为困难,且数据传输存在滞后性。②统计分析:通过对历史滑坡案例数据统计分析,建立统计模型预测滑坡滑动面位置和稳定性。此类方法需要依赖大量滑坡数据,对于滑动面位置的预测依靠经验,存在一定主观性,且较难考虑土石混合体滑坡中碎石对滑动面位置的影响。③遥感技术:利用航空遥感、卫星遥感等技术,获取滑坡区域的地形、植被、水文等信息,进行滑坡地质环境的分析和监测,进而评估滑坡稳定性。此方法主要针对大尺度区域,且分辨率存在限制,数据传输受天气影响且存在一定的滞后性。④数值模拟方法:利用数值模拟程序或软件(如FLAC、UDEC、PLAXIS等)建立土石混合体力学模型,考虑土石材料的物理力学特性,进行滑坡滑动面预测和稳定性分析。常用的数值方法包括有限元法、边界元法、离散元法等,数值模拟方法因其快捷且成本低,是目前发展的趋势。 但目前在数值模拟方面,尤其针对滑坡触发判据、滑坡传播冲击大变形过程以及危险性评价等方面,目前较少研究能量化考虑碎石的影响。一些随机生成块石的方法是基于概化的模型,得到的块石形态均存在一些限制,与实际块石尺寸、形态仍有差距。且针对滑坡灾害链模拟来说,由于滑坡从静止固态到传播运动态,再到最终堆积态,传统单一的数值模拟方法往往难以模拟土石混合体滑坡灾害链的全过程,目前各类数值模拟方法仍在发展。 在土石混合体滑坡材料本构模型研究方面,土石混合体的材料本构行为通常是非线性、非弹性的,且具有较大的非线性变形和应变软化特性。目前对于土石混合体材料的本构模型研究仍然存在一定的局限性:(1)尚缺乏通用且准确描述土石混合体力学特性的本构模型,土石混合体由土壤颗粒和岩石碎屑等多种颗粒组成,具有多孔介质结构,其内部包含气体、水分和固体颗粒等多相介质,多相介质模型的建立和研究相对复杂;(2)土石混合体滑坡材料本构动力学效应的考虑不足,在地震、爆炸或工程振动等外部载荷作用下,土石混合体会出现动力学效应,如波动传播、动态失稳等现象。然而,现有的土石混合体本构模型对动力学效应的考虑相对不足,无法准确描述土石混合体在动态载荷下的力学行为。(3)微观-宏观耦合效应的研究不足:土石混合体的宏观力学特性受到微观颗粒间相互作用和结构特征的影响,存在着微观-宏观耦合效应。形状不规则是颗粒体的一个重要性质,受限于技术方法和计算条件,早期颗粒材料的数值模拟常采用圆球、椭球等简单颗粒形状;随着数值模拟技术的发展,颗粒材料的数值模拟逐渐精细化。近年来三维激光扫描技术快速发展,采用三维激光扫描设备能快速地获取颗粒表面的扫描点云数据,将几何数据信息进行一定的处理,可用于建立精细的块石骨料库。但目前对于土石混合体微观结构与宏观力学性能之间的关联研究不足,尚未形成完整的理论框架和有效的本构模型。(4)降雨等极端工况下土石混合体滑坡启滑-冲击全过程演化机制,现有研究多关注滑坡启滑过程,如采用有限元法计算滑坡稳定系数,但此类方法难以合理处理大变形问题,对滑坡启滑后的运动冲击过程表征仍存在不足。
实现思路
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该技术已申请专利,如用于商业用途,请联系技术所有人!
技术研发人员:
王顺  苏正洋  李典庆  高浩东  方泓杰  王睿珺
技术所属: 武汉大学
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