考虑解体耗能的滚石运动过程数值模拟方法及软件研究

Rockfall is the main type of geological disasters in mountainous area, motion trajectory of which is the key basis for protection design, and energy dissipation due to fragmentation will affect the motion mainly. Based on CDEM numerical method proposed by applicant's team, the essential condition and precipitating factor of rockfall induced by landslide and collapse are studied, and the relationship among initial movement state of rockfall, type of hazard source and precipitating factor are analyzed. Based on theoretical analysis and model experiments, energy dissipation mechanisms due to fragmentation are studied, and the fragmentation model, energy dissipation model of crack and energy dissipation model of fragments collision are formed. Based on parallel solution strategy OpenMP, basic program architecture of CDEM and basic models of rockfall fragmentation, the efficient algorithm about crack propagation in an element and collision between two elements are studied, and the numerical simulation software of rockfall motion considering fragmentation and energy dissipation is developed. Based on thus software mentioned above, the motion laws of rockfall affected by different parameters are studied, and relationship between rockfall trajectory and fragmentation degree is established.

滚石灾害是山区地质灾害的主要形式，其运动轨迹是进行滚石防护设计的基本依据，而滚石解体引起的能量耗散是影响其运动轨迹的主控因素之一。本项目基于申请人所在团队长期开发的连续-非连续模型(CDEM)数值方法，研究滑坡、崩塌等地质灾害诱发滚石的必备条件及促发因素，分析滚石启动时的初始运动状态与致灾源及促发因素的关系；开展理论分析及模型实验，研究滚石破裂解体过程中的耗能机制，提出滚石破裂解体新的力学模型、滚石解体耗能模型及滚石碎块群碰撞摩擦耗能模型；基于OpenMP并行求解策略、CDEM数值程序基本架构及上述滚石碰撞解体的基本模型，研究单元内部裂纹扩展及单元间接触碰撞的高效算法，形成考虑解体耗能的滚石运动过程数值分析软件；分析不同参量影响下滚石的运动规律，建立滚石运动轨迹与滚石解体程度的内在联系，给出滚石停积位置的确定方法。为滚石灾害的风险评估提供理论依据和风险评估新方法。

滚石灾害是山区地质灾害的主要形式，其运动轨迹是进行滚石防护设计的基本依据。提出了一套适用于描述滚石灾害孕育、发展、启动、运移及停积全过程的网格-粒子高度融合的数值模拟方法，形成了针对滚石灾害发展演化不同阶段的力学模型及数值算法，如主要用于描述滚石孕育过程的单元弹性-损伤-塑性软化模型，主要用于描述滚石发展过程的单元内部破裂模型，主要用于描述滚石启动、运移及停积过程的半弹簧-缩进边碰撞模型、块体-颗粒耦合转化模型及基于颗粒接触的无网格模型，大量的数值案例证明了各力学模型与数值算法的精确性及鲁棒性。研发了一套基于OpenMP并行的滚石灾害全过程高效数值模拟软件，实现了GUI及命令流的双重操作，用户可通过329条命令或对应的界面键鼠操作，实现对计算流程及计算结果展示的精确控制。基于断裂能的尺度效应及破碎块体尺寸的分布规律，给出了滚石破裂解体的能耗计算公式；初步探讨了滚石灾害的形成机制，分析了滚石下落初速度、坡面摩擦特性、滚石解体特性等对滚石运动轨迹及停积位置的影响规律。在3年的研究时间里，项目组共发表相关学术论文19篇，其中SCI检索文章3篇，EI检索文章9篇；申请发生专利3项，其中1项已经获得授权；申请软件著作权登记2项，其中1项已经授权。在本基金资助下所形成的核心计算模块，已被国内十余家高校及科研院所的研究生采用，相关单位据此发表论文20余篇。