基于流-固耦合的水动力诱发土石混合体滑坡涌浪灾害全过程研究

Hazards of tsunamis generated by soil-rock mixture landslides frequently occur under hydraulic conditions in large-scale hydropower projects at home and abroad. Traditional analytic methods of landslide tsunamis usually need to make numerous simplifications. From a new point, the project starts to study soil-rock mixture structure focusing on muti-scale, muti-process and fluid-solid interaction characteristics. Firstly, discrete element method of polyhedral particles cracking would be proposed through developing DEM-LBM-FEM coupling algorithm, and accomplish muti-scale and up-scale analysis based on fluid-solid meso-coupling of soil-rock mixture; secondly, the project would develop a large-scale and high performance calculation and analysis platform and propose a muti-physical, muti-scale, and muti-process coupling technique faced on whole phase of landslide tsunamis under hydraulic conditions. Based on stereo vision technique, monitoring and analysis on the whole process of landslides tsunamis dynamics in hydrodynamic environment would be achieved; the project would reveal the rules of progressive failure, disaster dynamic, landslide tsunamis mechanism and spatial effects with physical experiment, make an application to typical hydraulic landslide tsunamis, propose a new analytic method and break through the problem of predicting the huge landslide tsunamis.

水动力诱发土石混合体滑坡涌浪灾害在许多大型水电工程时有发生。传统的滑坡涌浪灾害分析方法，通常需要进行大量的简化。本项目从新的视角和思想，以水动力型土石混合体滑坡的"多尺度"、"多过程"及"强流-固耦合"特征为核心，开展其结构多尺度研究。提出可破裂的块体离散元方法，发展DEM-LBM-FEM耦合算法，实现土石混合体流-固耦合的多尺度及升尺度分析；发展PFEM、FEM、DEM及SPH不同计算方法间的强耦合算法，提出面向全过程的水动力型土石混合体滑坡涌浪灾害多尺度、多场、多过程的强耦合计算技术，研发大规模、高性能计算分析平台。基于立体视觉技术，实现水动力环境下土石混合体滑坡灾害动力学及涌浪全过程立体监测与分析；将其应用于典型水动力型土石混合体滑坡涌浪全过程研究，协同物理试验揭示其渐进破坏规律、灾害动力学、涌浪灾害机理及空间灾害效应，提出全新的滑坡涌浪灾害分析方法，突破特大型滑坡涌浪灾害预测难题。

水动力诱发土石混合体滑坡涌浪灾害在许多大型水电工程时有发生。传统的滑坡涌浪灾害分析方法，通常需要进行大量的简化。本项目从新的视角和思想，提出面向全过程的水动力型土石混合体滑坡涌浪灾害多尺度、多场、多过程的强耦合计算技术，研发大规模、高性能计算分析平台，提出全新的滑坡涌浪灾害分析方法，突破特大型滑坡涌浪灾害预测难题。.1. 主要研究内容、重要结果、关键数据.1）从岩土/地质的变形和破坏过程角度发展数值计算方法.在DEM数值计算分析方法方面：提出基于BVH的颗粒接触算法、一种新的岩土体破裂本构模型、新的颗粒与复杂边界精细化接触算法及细观接触参数反演算法。.高性能数值计算方法方面:发展了基于GPU的LBM法，建立了基于多GPU并行的FEM-DEM多尺度耦合算法；发展了多GPU并行的SPH高性能算法，计算规模达到亿级，研发了SPH-DEM流固耦合平台。.2）库水位变动下库岸滑坡稳定性及滑坡堵江灾害动力学分析方法.提出了库水位上升、下降及长期稳定状况下斜坡稳定性分析方法；提出了基于滑坡堆积特征的DEM数值计算参数反演分析方法，提出了滑坡堵江动力学过程的5个阶段。.3）基于流-固耦合的滑坡涌浪灾害分析方法.首次将SPH-DEM耦合算法应用于实际工程尺度的滑坡涌浪全过程分析，突破了传统分析中过于简化的不足，实现了从“理论和试验验证→实际案例验证→工程应用与推广”的全链条验证和应用，已应用于近10个库区滑坡涌浪灾害链生动力学全过程分析与评估，创新性解决了库岸滑坡涌浪灾害分析的难题，处于国内外领先水平。.4）形成自主开发的耦合模拟器-CoSim.自主开发的CoSim软件，已被多家单位应用于科研和灾害评估，多次被应用于应急部地质灾害应急及防灾减灾。.2. 成果及应用转化情况.在本项目的资助下共发表论文33篇（SCI 29篇），发明专利3项，软件著作权4项。成果集成到自主软件CoSim，并已支撑我国多个水电工程及重大地质灾害的防灾减灾。.成果转化其他项目6项，经费314.48万元。自主软件- CoSim，多次支撑国家及地方地质灾害应急评估与分析工作。