强降雨条件下漫顶溃坝流固耦合机制与溃口演化全过程数值模拟

For investigating the whole evolution process of dam breach, the mesoscopic failure characteristics of constructing materials of the earth-rockfill dam will be studied under the action of hydraulic scour. Using the combining method of field investigation, laboratory test, theoretical analysis, and numerical simulation, the mesoscopic failure mechanism of dam materials under the hydraulic scour causing by overtopping will be revealed. Evolution laws for the deformation of downstream slopes, expansion of dam breach, and dam collapse, as well as the kinetic process of high-speed sediment laden flow, will be comprehensively investigated. The model of fluid-solid coupling will be established base on the unified physical field, in which the movement of the free water surface will be solved by smoothed particle hydrodynamics (SPH) method, and the failure evolution of dam body will be solved by the discrete element method (DEM). The numerical method for modelling the whole evolution process of dam breach will be presented by using coupled SPH and DEM. A software package will be developed for numerically simulating the disaster process of overtopping flow in three dimensions. The research results will be beneficial to reveal the failure mechanism of earth-rockfill dam under the action of hydraulic scour due to overtopping, and provide theoretical basis and technical guidance for the disaster prevention and reduction of earth-rockfill dam break under heavy rainfall.

以土石坝中的均质粘土坝为研究对象，以筑坝材料在水力冲刷条件下的细观破坏导致溃口扩展演化全过程为研究主线，采用现场调查、室内试验、理论建模和数值模拟相结合的研究方法，揭示坝体颗粒在漫顶水流冲刷下产生破坏的细观机制，下游坝坡变形、溃口扩展、坍塌、失稳的演化规律，以及高速挟沙水流演进的动力学过程。建立基于统一物理场的流-固-变形耦合的力学模型，利用光滑粒子流体动力学方法（SPH）求解流场中的自由液面演化，利用颗粒离散元方法（DEM）求解坝体材料的断裂破坏，构建溃决洪水和坝体材料之间的流固耦合求解数值计算格式并研制溃口扩展全过程模拟的数值求解算法，开发三维漫顶水流致灾全过程模拟的数值分析软件。研究成果将有助于揭示漫顶水流冲刷坝坡灾变的失稳机制，为强降雨条件下土石坝溃决破坏防灾减灾提供理论依据和技术支撑。

本项目主要针对强降雨条件下均质粘土坝坝体在漫顶洪水条件下的水力耦合溃决机制与过程开展研究，以筑坝材料在水力冲刷条件下的细观破坏导致溃口扩展演化全过程为研究主线，采用现场调查、室内试验、理论建模和数值模拟相结合的研究方法，揭示坝体颗粒在漫顶水流冲刷下产生破坏的细观机制，下游坝坡变形、溃口扩展、坍塌、失稳的演化规律，以及高速挟沙水流演进的动力学过程。主要研究成果如下：.（1）通过实验室物理模型试验和数值模拟相结合的方式，对强降雨条件下尾矿坝漫顶溃坝的过程进行模拟，从溃口发展、溃坝流量变化、溃坝时间、溃坝淤积滩长度等方面对溃坝的机制进行分析。开展了不同粒径筑坝材料的漫顶溃坝模拟，探讨粒径对于尾矿坝漫顶溃坝的影响，分析了尾矿库漫顶溃坝过程中尾砂侵蚀规律和溃坝机理。.（2）建立了漫顶水流条件下溃口流-固-变形耦合演化数学模型及问题的提法，推导了包括应力-应变、水体流动、土体开裂、裂隙扩展演化等过程在内的耦合控制方程组，给出了控制方程组的初始条件和边界条件，尾砂变形断裂分析采用颗粒离散元（DEM）方法，自由液面流场分析采用光滑粒子SPH 方法，推导了不同介质的压力迭代格式和计算方法，对于尾砂坝体水力劈裂而言，两者的耦合基于实验得出尾砂颗粒冲刷破坏的细观力学机制和流固耦合效应。.（3）发展了三维SPH-DEM流固耦合计算程序，优化大规模粒子搜索算法，探索实现了GPU计算模式。研究复杂三维地形实体的粒子自动填充算法，开发三维地理信息可视化建模功能。在后处理模块中，提供演进过程数据的管理、淹没信息交互查询等功能。设计了高效的粒子表面重构算法，结合渲染引擎实现大规模三维场景下溃坝洪水演进的全过程动态模拟。依托工程实际开展应用研究，完整揭示了漫顶洪水造成土石坝溃决灾变的动力学过程。项目研究成果为准确评估强降雨产生漫顶溃决灾害提供理论依据和技术支撑。.