一种基于颗粒离散元与SPH的滑坡涌浪模拟方法

一种基于颗粒离散元与sph的滑坡涌浪模拟方法
技术领域
1.本发明涉及岩土工程领域中的滑坡涌浪的模拟方法，尤其涉及一种基于颗粒离散元与sph的滑坡涌浪模拟方法。


背景技术：

2.滑坡涌浪作为影响库区安全的重要因素，严重威胁河道两岸人们的生命财产安全以及大坝的稳定运行。正确评估滑坡涌浪灾害从而进行针对性预防和治理具有重要科学意义和工程价值。
3.光滑粒子流体动力学计算方法(smoothed particle hydrodynamics，sph)作为一种无网格粒子法，在求解大变形、自由表面流、复杂界面运动等过程具有较大优势，其计算效率高，鲁棒性好，在求解流固耦合大变形问题中获得了较好效果，已广泛应用于水动力学领域，能够较好模拟流体运动的过程。
4.但是，sph方法使用规则分布的粒子建立计算模型，导致滑动面的形状为台阶状，并非光滑的平面，滑体运动受台阶状滑动面影响严重，无法准确反映滑体运动特征。同时，滑动面力学参数对滑坡运动有明显控制作用，而sph方法中的边界条件难以反映实际滑动面粘聚力和内摩擦角对滑体运动的影响。这都导致在使用sph方法计算滑坡涌浪问题时存在一定困难。
5.离散单元法作为研究滑坡运动演化的有效方法，能够准确考虑滑动面的形态特征以及物理力学性质。但离散单元法中难以考虑水体对颗粒运动的影响，无法直接计算滑坡入水激起的涌浪。


技术实现要素：

6.发明目的：针对sph方法在模拟计算滑坡涌浪时存在的问题，本发明提出一种基于颗粒离散元与sph的滑坡涌浪模拟方法，进而发挥颗粒离散元计算方法对滑坡运动准确刻画以及sph方法在模拟计算涌浪问题中的优势，获得滑坡涌浪的演化过程，滑体入水激起涌浪，以及涌浪传播的过程，使滑坡涌浪计算结果更加符合实际情况，解决了sph方法由于边界条件限制难以准确表现滑坡体运动的问题。
7.技术方案：本发明基于颗粒离散元与sph的滑坡涌浪模拟方法包括以下步骤：
8.(1)根据地质条件建立颗粒离散元初始模型，包括步骤(1.1)～(1.2)：
9.(1.1)对地质图进行处理，获得滑动面、滑体以及水体；
10.(1.2)将滑体和滑动面导出至颗粒离散元计算软件中建立滑坡运动演化计算模型，其中滑体使用颗粒进行离散，滑动面采用wall表示。
11.(2)根据滑坡下滑时的水位计算颗粒在水中运动受到的浮力fb和水阻力fd；
12.(3)对颗粒的速度矢量进行提取，并将速度矢量导出得到每个颗粒的运动状态；
13.(4)进行滑坡运动颗粒离散元计算，获得滑坡失稳演化过程；具体过程为：
14.(4.1)根据地质材料标定并设置滑体以及滑动面的力学参数，同时设置滑动面为
固定边界或动力边界；
15.(4.2)在计算过程中根据颗粒水下运动所受水阻力以及浮力计算方法对颗粒受水的影响进行计算；
16.(4.3)在计算过程中对颗粒的速度进行提取，并将所述速度导出为滑体颗粒运动速度文件；
17.(4.4)设定计算时间，使用颗粒离散元对滑坡运动情况进行模拟计算，当滑坡运动停止后中止模拟计算。
18.(5)基于颗粒离散元初始模型建立sph滑坡涌浪计算模型，具体过程为：
19.(5.1)将步骤(1.1)获得的滑动面偏移成有厚度的滑动面，并将偏移后的滑动面导出为滑动面stl文件；将水体部分封闭并导出为水体stl文件；
20.(5.2)将颗粒离散元滑坡运动演化计算模型中进行滑坡计算前的颗粒的直径和坐标导出为滑体颗粒坐标文件；
21.(5.3)使用水体stl文件、滑动面stl文件以及滑体颗粒坐标文件建立滑坡涌浪sph模型。
22.(6)设置sph滑坡涌浪计算模型中滑体部分每个粒子的运动形式；
23.(7)设置计算时间，重力，光滑长度，使用sph滑坡涌浪计算模型进行滑坡涌浪的计算，获得滑坡涌浪演化过程，滑体入水激起涌浪以及涌浪传播的过程。
24.步骤(2)中，当颗粒完全处于水面上时，颗粒运动受到的浮力和水阻力为零；当颗粒完全淹没在水中或半淹没在水中时，考虑颗粒运动受到的浮力和水阻力。
25.步骤(2)中，颗粒在水中运动受到的浮力fb为：
26.fb＝-ρ
fvig27.式中，ρf为水的密度；vi为颗粒淹没在水中的体积；g为重力加速度矢量。步骤(2)中，颗粒在水中运动受到的水阻力fd为：
28.fd＝-6πηfrαv
29.式中，ηf为水的动力粘度；r为颗粒的半径；α为颗粒淹没的体积占颗粒总体积的比例；v为颗粒的速度矢量。
30.步骤(3)中，对颗粒的速度矢量进行提取，并按照一定的时间间隔将速度矢量导出得到每个颗粒的运动情况。
31.步骤(3)中，对颗粒的速度矢量进行提取，并将速度矢量导出作为滑体颗粒坐标文件，得到每个颗粒的运动状态的具体过程为：
32.(3.1)遍历颗粒离散元滑坡运动演化计算模型中所有颗粒，以颗粒的id为名称创建各颗粒运动状态记录文件；
33.(3.2)在颗粒离散元滑坡运动演化计算模型的计算过程中，记录每个计算步的时步并进行累加，作为该次导出的颗粒的运动时间；
34.(3.3)当达到导出的时间间隔时，导出颗粒的运动时间以及该段时间间隔内每个颗粒的平均速度；
35.(3.4)当颗粒离散元滑坡运动演化计算模型的计算未达到设定的计算总时间，返回(3.2)继续运行；当模型计算结束，在每个运动状态记录文件中写入终止语句。
36.步骤(3.3)中，导出各个颗粒的运动状态时，按照颗粒的id导出到步骤(3.1)生成
的各颗粒运动状态记录文件中。
37.步骤(4.1)中，设置的滑体以及滑动面的力学参数包括滑体颗粒间的粘聚力，摩擦系数，法向和剪切刚度，颗粒与滑动面的摩擦系数。
38.步骤(5.3)中，水体和滑动面使用相同间隔的sph粒子对水体stl文件进行离散，滑坡涌浪sph模型中的滑体根据滑体颗粒坐标文件中各个颗粒的坐标和直径使用sph粒子离散。
39.步骤(6)中，对每个粒子施加给定的运动形式的方法为，将颗粒离散元滑坡运动演化计算模型计算获得的各个颗粒运动状态记录文件整合为一个文件，并导入sph滑坡涌浪计算模型中。
40.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
41.(1)本发明通过颗粒离散元计算方法和软件获得滑体的运动过程，并将该过程导入sph滑坡涌浪计算模型计算涌浪特征，获得了更加符合实际情况的滑坡涌浪计算结果，解决了sph方法中由于边界条件限制难以准确表现滑坡体运动的问题。
42.(2)本发明能够准确考虑岩土体材料以及滑动面力学参数对滑坡涌浪的影响，使计算结果更加符合实际。
附图说明
43.图1为本发明基于颗粒离散元的sph滑坡涌浪模拟方法流程图；
44.图2为本发明实施例中建立的颗粒离散元滑坡运动演化计算模型；
45.图3为实施例中颗粒离散元滑坡运动演化过程；
46.图4为实施例中滑体重心位置粒子滑动速度变化曲线；
47.图5为实施例中根据颗粒离散元初始模型建立的sph滑坡涌浪计算模型；
48.图6为实施例中sph滑坡涌浪计算获得的滑坡涌浪演化过程。
具体实施方式
49.如图1所示，本发明基于颗粒离散元的sph滑坡涌浪模拟方法包括以下步骤：
50.(1)根据地质条件建立颗粒离散元初始模型；具体包括步骤(1.1)～(1.2)：
51.(1.1)对地质图进行处理，获得滑动面、滑体以及水体；
52.(1.2)将滑体和滑动面导出至颗粒离散元计算软件中建立颗粒离散元滑坡运动演化计算模型，其中滑体采用颗粒进行离散，滑动面采用wall表示。
53.(2)根据颗粒水下运动所受水阻力以及浮力的计算方法，计算水对颗粒运动的影响；具体为：
54.(2.1)根据滑坡下滑时的水位计算颗粒运动所受到的浮力和水阻力，当颗粒完全处于水面之上时，不考虑颗粒运动受到的浮力和水阻力；当颗粒完全淹没在水中或半淹没在水中时，考虑颗粒运动受到的浮力和水阻力。
55.(2.1.1)颗粒在水中运动受到的浮力fb为：
56.fb＝-ρ
fvig57.式中，ρf为水的密度；vi为颗粒淹没在水中的体积；g为重力加速度矢量。
58.(2.1.2)颗粒在水中运动受到的水阻力fd为：
59.fd＝-6πηfrαv
60.式中，ηf为水的动力粘度；r为颗粒的半径；α为颗粒淹没的体积占颗粒总体积的比例；v为颗粒的速度矢量。
61.(3)对颗粒的速度矢量进行提取，并按照一定的时间间隔将速度矢量导出得到每个颗粒的运动状态；具体过程为：
62.(3.1)遍历颗粒离散元滑坡运动演化计算模型中所有颗粒，以颗粒的id为名称创建各颗粒运动状态记录文件；
63.(3.2)在颗粒离散元滑坡运动演化计算模型的计算过程中，记录每个计算步的时步并进行累加，作为该次导出的颗粒的运动时间；
64.(3.3)当达到导出的时间间隔时，导出颗粒的运动时间以及该段时间间隔内每个颗粒的平均速度；
65.(3.4)当颗粒离散元滑坡运动演化计算模型的计算未达到设定的计算总时间，返回(3.2)继续运行；当模型计算结束，在每个运动状态记录文件中写入终止语句。
66.在步骤(3.3)中，导出各个颗粒的运动状态时，按照颗粒的id导出到步骤(3.1)生成的各颗粒运动状态记录文件中。
67.(4)进行滑坡运动颗粒离散元计算，获得滑坡失稳演化过程；其中，滑坡运动颗粒离散元计算的具体过程为：
68.(4.1)根据实际地质材料标定并设置滑体以及滑动面的力学参数，该力学参数包括滑体颗粒间的粘聚力、摩擦系数、法向和剪切刚度，颗粒与滑动面的摩擦系数，同时设置滑动面为固定边界或动力边界；
69.(4.2)在计算过程中根据颗粒水下运动所受水阻力以及浮力计算方法对颗粒受水的影响进行计算；
70.(4.3)在计算过程中对颗粒的速度进行提取并导出为滑体颗粒运动速度文件；
71.(4.4)设定计算时间，使用颗粒离散元对滑坡运动情况进行模拟计算，当滑坡运动停止后中止计算；
72.(5)基于颗粒离散元初始模型建立sph滑坡涌浪计算模型，具体过程为：
73.(5.1)将步骤(1.1)获得的滑动面偏移成有一定厚度的滑动面，将偏移后的滑动面导出为滑动面stl文件；将水体部分封闭并导出为水体stl文件；
74.(5.2)将颗粒离散元滑坡运动演化计算模型中进行滑坡计算前的颗粒的直径和坐标导出为滑体颗粒坐标文件；
75.(5.3)使用水体stl文件、滑动面stl文件以及滑体颗粒坐标文件建立滑坡涌浪sph模型，其中，水体和滑动面直接使用相同间隔的sph粒子对水体stl文件进行离散，滑坡涌浪sph模型中的滑体根据滑体颗粒坐标文件中各个颗粒的坐标和直径使用sph粒子离散。
76.(6)设置sph滑坡涌浪计算模型中滑体部分每个粒子的运动形式；
77.步骤(6)中，对每个粒子施加给定的运动形式的具体方法为，将颗粒离散元滑坡运动演化计算模型计算获得的各个颗粒的颗粒运动状态记录文件整合为一个文件，并导入sph滑坡涌浪计算模型中。
78.(7)设置计算时间，重力，光滑长度，使用sph滑坡涌浪计算模型进行滑坡涌浪的计算，获得滑坡涌浪演化过程，以及滑体入水激起涌浪以及涌浪传播的过程。
79.实施例
80.以某滑坡产生的滑坡涌浪为例，对本发明基于颗粒离散元的sph滑坡涌浪模拟方法进行介绍。
81.1、首先，根据地质剖面，建立滑坡运动演化颗粒离散元初始模型，根据颗粒在水下运动所受水阻力和浮力计算方法计算颗粒在水下所受水阻力和浮力。建立的模型如图2所示。
82.2、设置滑体和滑动面的力学参数以及边界条件，计算滑坡体的运动演化过程。在计算过程中，计算水对颗粒运动的影响，同时对颗粒的运动速度进行提取，导出至以各颗粒id命名的速度记录文件中。滑坡运动演化过程如图3所示，其中t代表滑坡启动后经过的时间。从图3看出，在t＝13.0s时，滑坡沿着滑动面下滑；在t＝19.5s时滑体进入河道，并继续下滑；t＝39.0s时，滑坡体运动停止，滑体在河道堆积。
83.滑体重心位置处颗粒滑动速度变化曲线如图4所示，从图中看出，滑体颗粒开始下滑后速度不断增加，并到达峰值，而后受水阻力以及地形影响速度不断下降，最终静止。其中，图4的横坐标是滑坡启动后的时间，图4的纵坐标是滑体重心位置处颗粒滑动速度。
84.3、根据滑坡运动演化颗粒离散元初始模型建立sph滑坡涌浪计算模型，所建立的sph滑坡涌浪计算模型如图5所示，其中，滑体部分由颗粒离散元初始模型中颗粒的坐标和直径建立，滑动面和水体根据地质图建立。
85.4、将提取的各个颗粒运动情况导入sph滑坡涌浪计算模型，作为滑体的运动过程。
86.5、设置计算时间、重力、光滑长度，使用sph滑坡涌浪模型进行计算，获得滑坡涌浪演化过程，如图6所示。从图6中看出，在sph滑坡涌浪计算模型中，滑体颗粒按照颗粒离散元模型中计算的运动状态下滑，激起涌浪向对岸传播，在对岸产生较大爬高。