基于FDE-SPH方法的古滑坡复活与涌动的数值模拟分析

《Geomatics, Natural Hazards and Risk》：Numerical simulation analysis of resurrection and surge of paleolandslide based on FDE-SPH method

滑坡体与水体相互作用模拟及涌浪分析：基于FDE-SPH耦合方法的研究

　　
本文针对青藏高原区域水电站库区古滑坡体失稳风险展开研究，以怒江上游贵西水电站拟建库区梅里石3#古滑坡体为研究对象，重点揭示滑坡体与水体相互作用机制及诱导涌浪特性。研究采用融合有限离散单元法（FDE）与光滑粒子流体动力学法（SPH）的耦合建模技术，构建三维动态数值模拟体系，通过多阶段对比验证方法的有效性。

在方法学层面，研究创新性地构建了双相耦合数值模型。FDE方法通过在连续介质模型中嵌入零厚度粘性界面单元（CIEs），实现了滑坡体连续变形与离散解体过程的统一模拟。SPH方法采用核函数平滑粒子间相互作用，有效捕捉水体自由表面演化特征。两者通过节点-表面接触算法实现双向耦合，既保持固体颗粒离散性表征，又确保流体相计算的连续性。相较于传统欧拉网格CFD方法，该模型能精确刻画颗粒碰撞、摩擦耗能等微观力学过程，尤其适用于高密度颗粒介质的动态响应分析。

研究区域地质构造复杂，属多构造体系交汇部位。古滑坡体堆积层厚度达30-40米，主要由松散砾石土构成，内部发育多组张性裂隙与阶梯状剪 scarps。数值模型采用三维建模技术，构建长3公里、宽3.3公里、高1.6公里的计算域，将滑坡体离散为6998个FDE单元，嵌入12563个CIEs表征潜在破坏面。水体采用SPH粒子法模拟，共划分71382个粒子单元，实现细观尺度水动力过程捕捉。

动态模拟揭示滑坡失稳演化呈现典型三阶段特征：初始解体阶段（0-4秒）通过界面单元渐进破坏实现，累计破坏CIEs占比31.9%，能量耗散达44.1%；运动解体阶段（4-30秒）形成离散块体群，累计破坏率达97.9%，平均破坏能密度0.82J/m3；后解体阶段（30-80秒）仅残留少量未破坏界面单元。运动峰值速度达80m/s，显著高于传统连续介质模型预测值（CFD方法65m/s），反映离散模型对颗粒间能量耗散的精确刻画。

涌浪动力学研究显示，水体受滑坡体冲击后形成典型非恒定波浪系统。数值模拟获得最大波速34m/s，最高上岸高度50米，较CFD方法预测值分别降低24%和30%。这种差异源于两种方法对能量传递机制的不同处理：CFD方法基于连续介质假设，通过粘性耗散和剪切稀化实现动量传递，而FDE-SPH模型通过离散颗粒碰撞摩擦（Coulomb摩擦系数μ=0.4）和界面单元断裂耗能（单CIE破坏耗能10N/m）实现更真实的多尺度能量耗散。研究特别指出，在15秒左右滑坡体头部进入水体时，SPH模型能准确捕捉水体能量吸收率（约78%）与颗粒动能转化率（约62%）的耦合特征，而CFD模型因忽略颗粒离散性，导致能量转化率估算偏高（91%）。

工程应用方面，研究构建了风险评估指标体系。通过CIE破坏阈值（单界面破坏应力0.2MPa）与残余强度（0.1-0.15MPa）的对比分析，确定滑坡体内部存在约8%的潜在危险单元。结合数值模拟结果，提出"能量梯度阈值"概念：当滑坡体动能密度超过1.2×10?J/m3时，将引发超过50米的显著上岸效应。基于此建立预警机制，当监测到CIE单元累计破坏率超过85%时，需启动应急响应。

研究还揭示了地形地貌对涌浪传播的放大效应。通过对比不同坡度（20°-45°）河岸的波速衰减曲线，发现陡坡段（>35°）存在波浪能量聚焦现象，使最大波速较平缓段提高18%-22%。这为工程选址提供了关键依据：在滑坡体下游约1.2公里范围内，岸坡坡度普遍超过40°，该区域涌浪波速较平缓段高23%，最大上岸高度可达65米，需设置不低于50米的物理屏障。

当前研究存在三方面局限：1）参数敏感性分析显示，CIE界面摩擦系数对涌浪速度影响系数达0.38，建议采用现场试验获取更精确参数；2）计算域边界条件采用非反射式处理，可能低估远场波浪反射效应；3）未考虑后续涌浪对岸坡稳定性的反作用。后续研究计划引入随机介质模型，通过蒙特卡洛模拟评估参数不确定性对预测结果的影响，并开发多物理场耦合模型，纳入土壤液化、植被覆盖等非线性因素。

该研究成果为高寒峡谷区水电站库区滑坡风险评估提供了新方法学体系。研究建立的FDE-SPH耦合模型，在保持细观物理过程的同时，显著提升了计算效率（单时间步长计算耗时由传统方法降低62%）。特别在复杂地形下的多相流耦合模拟方面，成功将计算网格细化至1m量级，为工程安全评估提供了可靠技术支撑。研究提出的"分段式能量耗散模型"，将传统整体能量平衡方程改进为多尺度分段能量传递方程，更符合高密度颗粒介质的实际破碎特性。

工程应用建议包括：1）在滑坡体运动路径上设置3.5m厚度的混凝土消浪墙，可降低最大波速至28m/s；2）针对陡岸段（坡度>35°）采用植被加固与抗滑桩复合措施，预计可减少25%的波浪上岸高度；3）建立实时监测系统，当CIE破坏率连续5分钟内超过0.5%时，触发警报并启动预警机制。这些建议已在金沙江下游某水电站实际工程中验证，应用后涌浪风险降低率超过70%。

本研究在方法学层面实现了重要突破，构建的FDE-SPH双相耦合模型已通过ISO 12400:2003标准验证，在颗粒破碎模拟方面达到国际领先水平。特别是在处理高密度颗粒（>2000颗粒/m3）的离散化问题方面，通过优化CIE单元分布策略，使模型在保证精度的同时计算效率提升40%。研究建立的参数化体系已被纳入《水电工程滑坡风险评估技术导则（2025版）》，为行业标准化提供了技术支撑。