地质灾害数值分析方法及选型

 

地质灾害是指在自然或者人为因素的作用下形成的,对人类生命财产、环境造成破坏和损失的地质作用(现象),如崩塌、滑坡、泥石流、洪水、地裂缝、水土流失等等,而地质灾害形成条件是造成地质灾害的直接因素。在我国,最为常见且危害最大莫过于泥石流、滑坡和洪水,而三者又是相互影响和相互作用的。此类地质灾害具有突发性、不可预测性,在实际治理中,只能进行实时监测和预防。因此,数值模型计算在地质灾害预测、防治和灾害评估方面具有极其重要的意义。

泥石流是一种由土、砂、石等固体颗粒物与水组成的,在重力驱动下沿山坡或沟谷高速运移的混合流体,正因为其高速高密度流动,才具有宽级配、高浓度、直进性、大冲大淤、冲击力大、破坏力强等特点,往往由暴雨、融雪、溃坝、滑坡等引发。成因、物源条件等因素的差异导致不同类型泥石流的动力学特征存在很大差异;沿程侵蚀、堆积的发生导致同一场泥石流在不同阶段也存在较大差异。

一、泥石流数值方法探讨

泥石流数值模拟方法一般包括:
1、基于连续介质的网格计算法包括有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)、有限体积法(FVM)以及改进算法如无震荡算法、修正的Godunov算法等。此类方法对处理自由面和峰面移动、侵蚀峰面处物理量稳定性、激波捕捉、不规则底床和沟道复杂网格的生成和维护具有较大的困难度。且无法处理多相问题尤其是可变、复杂的相间界面的多相问题。
2、基于连续介质的粒子计算方法包括光滑粒子流体动力学发(SPH)、移动粒子半隐式法(MPS)。基于粒子的计算方法更适合在复杂的地形上进行计算,如过坝时候,泥石流运动与沟道发生分离的情况
3、基于连续介质的网格与粒子混合方法如Particle in cell(PIC)法、物质点法(MPM),但是会有算法复杂且计算量大,高密度数值不稳定及多尺度等问题。
4、基于离散介质的离散元法(DEM),以真实颗粒物质的理想颗粒体为研究对象,适用于浆体黏性小的水石流,但是颗粒间接触关系复杂、计算数据量大,在大尺度泥石流问题中应用较少。
5、基于离散介质的玻尔兹曼法,该方法适用于处理考虑大颗粒与流体相互作用下的多相、复杂边界、自由表面流问题。
6、混合介质计算方法,是连续介质与离散介质的耦合计算,将泥石流中液态物质用连续介质模型考虑,用离散介质模型模拟泥石流中的固体颗粒。此方法适用于分析间隙流左右、固体颗粒间的相互左右比较明显的泥石流。对包含一定固体颗粒物的流体进行模拟时,此方法是一种理想选择。不过此方法涉及变量多算法复杂,计算数据量大,耦合算法还不成熟,多用于物理现象机理,较少用于实际工程问题。

二、洪水泥石流数值方法探讨

洪水是由暴雨、急骤融冰化雪、风暴潮等自然因素引起的江河湖海水量迅速增加或水位迅猛上涨的水流现象。对于河流和河道的洪水泥石流评估,一般是使用水动力学数值模型来计算。水动力学数值模型能够考虑和流动过程相关的诸如重力、摩擦阻力以及惯性。描述地表水流动过程的负责熟悉方程求解,通常是仅仅通过对连续的空间和时间进行数值离散化。
一维、二维、三维水动力学数值模拟的优缺点:
泛区的洪水运动可以使用很多不同的方法来近似。根据建模目的和空间分辨率,特别是水位和流速,可以通过各种方式来简化基本方程而不限制其有效性。因此不同的模型也具有了不同的优缺点:

1、三维模型:三维水动力学模型比较适用于小规模计算领域,如水电站建筑结构或入口结构附近的水流动,此处涡流映射和三个速度场分量是要着重考虑的。三维计算的主要限制因素是模型大小和计算机计算能力的限制。

2、二维模型:对于二维水动力学模型去除了一个方向上的数据(通常是垂直方向)。流动深度平均方程(即浅水方程)可准确计算流动特性(如流速、水位、剪切应力等)。对于具有洪泛平原和垂直于流动方向的速度梯度形成的河流,二维水动力学模型是有效而又计算准确的最好选择,二维模型模拟对于评估各种情况和沉积区域中的损坏尤其有效。二维模型可成功的计算泛洪波,其应用范围可以从对某一对象进行局部防护验证到数平方公里的洪水区域的计算。对于评估各种情况和沉积区域中的损坏情况是非常有效的。

3、一维模型:与二维、三维模型在计算速率上相比,一维模型效率更高。一维模型中,垂直流动方向的流动参数(流速、水位等)分布被平均为圣维南方程,因此,相关参数只是在主要的流动方向上做计算,可划分为主河床和洪泛平原或河岸带(具有结构化部分的水体)的计算。典型应用是用来确定具有大致均匀横截面的河流中水面曲线。所研究的流动路径可以覆盖几百米甚至几百千米。

三、数值方法选型

地质灾害形成及影响是一个非常复杂的过程,泥石流经常会导致滑坡、山洪或洪水。因此,结合国内经验及具体项目情况,选择合适的数值计算方法是有效评估和解决泥石流、洪水等问题的关键。泥石流是介于流水与滑坡之间的一种地质作用,且其状态包含固体颗粒、流体及多种混合物混合,所以任何偏重其一的求解方法都不能完全精确反映泥石流问题的本质。
在国内,主要用于泥石流、洪水等仿真计算的三维软件有的侧重于颗粒流计算,有的侧重于流体计算,但是都无法完全反映出泥石流复杂、多相状态问题。

山体滑坡(泥石流、雪崩)仿真计算

山体滑坡(雪崩)仿真计算与实际对比

在主流的专业泥石流软件中,绝大部分是采用二维仿真计算,此类软件功能丰富、操作简单、专业性强,且具有专业的泥石流模块。专业软件采用求解深度平均浅水方程,可以完美解决最苛刻的洪水建模情况,例如在初始干燥地形上的溃坝和溃堤、尾矿坝溃坝洪水及泥石流动区敏感性评估等。支持多种模型数据如斜坡剖面的激光雷达扫描数据,可以计算三维大块体岩石滚落轨迹及灾害范围评估,且可考虑植被对落石轨迹的影响。在实际应用中,此类软件无论是用于高校中的科研还是用于实际工程演算,具有非常强的专业性和高效性,计算结果具有非常高的参考价值。

综上所述,在数值方法选择和模型选择上,二维模型数值分析及软件产品具有非常好的通用性和有效性,且在功能专业性和计算性能上具有鲜明特点和突出优势。

 

 

 

Ref. :
1、中国科学院,泥石流数值模拟方法研究进展,乔成等。
2、WSL-SLF,A general model for snow avalanches。