天然坝体溃决全物理过程模拟预测及机理研究

Hydro-morphodynamic models have been rapidly developed for simulating natural-dam failure and its subsequent floods. However, the existing models have clear weaknesses in terms of both accuracy and efficiency because of the complexity of a real-world event. Mesh-free Smooth Particles Method (SPH) and Discrete Element Model (DEM) are considered to be good at tracking the flow motion and failure of infrastructures, respectively. Both approaches have been widely applied to simulate landslide process, avalanching of rocks and debris flows etc. SPH-DEM coupled model is regarded as a good method, nonetheless, it has not been developed well and applied to natural-dam failure. Therefore, this study aims to explore novel approaches to accurately and efficiently predicting natural-dam failure process and its subsequent flooding, and to better understanding of the physical properties of the dynamic processes based on a series of modelling scenarios.

对于滑坡泥石流形成的天然坝体溃决的模拟，常用的水沙动力学数值模型近年来虽发展较快，但是由于溃坝过程的复杂性，现有的模型在精度和稳定性方面仍存不足。无网格粒子化模型平滑粒子算法（SPH）和离散元法（DEM）在模拟流体过程和结构物失效变形等方面有很多优点，也逐渐取得快速发展并应用于滑坡、石块崩塌、干湿泥石流等过程。耦合的SPH-DEM模型是DEM在模拟自由表面流动（即溢流）中建模渐进结构破坏（即溃坝）和SPH的优点的新颖组合。但是，SPH-DEM耦合模型在堰塞湖天然坝体逐渐溃决过程水流与坝体颗粒流的模拟的应用还未见先例。基于现有研究成果的基础上，本项目将会探索提高滑坡泥石流形成的天然坝体溃决过程模拟精度的方法，包括改进基于物理机制的水沙动力学数值模拟方法，和创新性的开发新型无网格粒子化SPH-DEM耦合数值模型，弥补现有计算模型存在的不足，以更准确地预测天然坝体溃决及破坏机理。

滑坡泥石流形成的天然坝体溃决会诱发下游进一步的灾害，造成重大社会经济损失。因此，改进理解滑坡坝的溃决过程、山洪泥石流河道内的发生发展过程、以及山洪泥石流与常用拦挡坝的交互过程对山洪泥石流的防治至关重要。高性能数值模拟有助于我们对这一系列问题的进一步理解。本项目构建了滑坡泥石流从形成、发展、到与拦挡坝相互作用多个物理过程的计算模拟方法. 本项目针对上述关键物理过程进行了深入研究。首先，项目开发了快速水流与泥沙运动的弱可压无网格光滑粒子模型（SPH），并综合评估了不同流变模型在水沙模拟中的能力和局限性。其次，利用二维水沙动力数值模拟方法，结合物理实验验证和多工况模拟分析，揭示了滑坡天然坝体梯级溃决之后的水沙互动演进机制。第三，基于集成的CFD-DEM耦合方法，实现了多相泥石流冲击柔性，狭缝和刚性拦挡坝的高保真同平台数值模拟，解决了目前尚无方法可以实现三种拦挡坝的同平台量化分析这一关键科学问题。第四，本项目采用 “流体-机械耦合CFD-DEM算法”，模拟该多相、多体复杂动力过程，实现了泥石流，碎屑流等自然灾害流体冲击柔性拦挡坝系统的高保真研究。最后，用离散元方法重构柔性坝复杂多体动力系统，实现了环-环间，以及环-钢索间的摩擦接触，通过控制多相冲击流体的不同初始流深，系统分析了流深-坝高比对柔性拦挡坝受载-变形等关键机理的影响，并首次提出基于流深-坝高比的柔性拦挡坝受载-变形理论。