[发明专利]一种基于高阶双套双相物质点法的水土耦合滑坡的模拟方法

说明书

本发明提供一种基于高阶双套双相物质点法的水土耦合滑坡的模拟方法，该方法采用两套物质点划分以分别离散固体土颗粒和孔隙流体，采用规则的背景网格实现控制方程的求解；在连续介质力学框架下，实现双套物质划分的、固液双相物质点法控制方程的建立；通过高阶次B样条基函数实现固液双相物质点和背景网格节点之间的相互作用；基于B样条基函数更新固液两相物质点的加速度、速度和位置等信息，将计算得到的节点信息映射到物质点上，更新最新固液两相物质点的物质信息，最终输出模拟信息。本发明能够准确模拟水土耦合土质滑坡的大变形破坏过程及其水土耦合机理，为水土耦合土质滑坡问题的灾害评估和防治提供数据支撑。

技术领域

本发明涉及地质灾害模拟技术，具体涉及一种水土耦合滑坡的模拟方法。

背景技术

滑坡是一种破坏性极大的突发性地质灾害，是当今三大地质灾害源之一，在各种规模的滑坡中土质滑坡占60％以上，且多发生在雨季，降雨导致的土质滑坡分布广、规模大，给土木、水利、交通和矿山开采等工程带来巨大灾害损失。

目前，一般采用极限平衡法或强度折减法来研究土质边坡的稳定性，即以分析边坡的安全系数和初始失稳滑移面为主。但土质滑坡的形成和发展是一个复杂的动力学过程，其破坏机理涉及滑坡体由蠕动、挤压、缓慢滑移、加速滑移、减速滑移到再次稳定的整个过程。因此，仅分析边坡的稳定性，将无法全面反映和认识边坡失稳破坏的运动过程，难以有效表征降雨诱发边坡失稳大变形破坏后的运动特征，如有的滑坡在初次稳定之后还会产生二次滑坡、有的滑坡在运动过程中会堵塞河谷形成堰塞湖而造成次生灾害。同时，在降雨诱发的土质滑坡涉及固体土颗粒和孔隙液体的相互作用，其中孔隙水压力的变化将会引起土体有效应力的改变，进而导致土体物理性质的改变，而反过来影响孔隙水压力，这种水土耦合效应是导致坡体剪切滑移以及进一步发展贯通而形成滑坡的重要因素。

由于滑坡的大变形运动过程及破坏机理复杂，难以从理论上直接建模分析；试验研究由于受各种客观条件的限制，如：试验周期、人力、物力以及安全因素等，也难以对降雨型滑坡问题展开高效、系统地研究和分析；现有常用于岩土工程领域的数值计算方法，如：有限元法和有限差分法等，虽然可用于模拟和确定边坡的初始失稳及安全系数，但由于网格畸变的存在而难以有效分析边坡失稳破坏后的大变形运动过程。物质点法是一种结合了拉格朗日和欧拉双重描述的无网格方法，其控制方程的建立不依赖于网格，有效避免了网格畸变问题，可用于分析土质滑坡大变形问题。但传统物质点法仅采用一套物质点划分，无法有效表征降雨型滑坡的水土耦合效应；同时，传统物质点法由于采用线性插值形函数，在网格边界处的导数不连续，因此当物质点穿越网格边界时，将引起较大的数值误差，即“网格穿越误差”，导致对孔隙水压力和有效应力的求解精度较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于高阶双套双相物质点法的水土耦合滑坡的模拟方法，能够有效分析土质滑坡问题的大变形运动过程及其水土耦合效应，提高求解精度；准确给出降雨型土质滑坡的大变形破坏过程以及水土耦合机理，为降雨型土质滑坡的灾害评估和防治提供数据依据和模拟预测。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于高阶双套双相物质点法的水土耦合滑坡的模拟方法，包括如下步骤：

步骤1、通过现场勘测，确定计算参数，所述计算参数包括土质勘察确定坡体的几何构形、土质分布和水文地质条件；

步骤2、基于双套拉格朗日物质点法划分，分别离散土体骨架和孔隙流体，其中固相物质点和液相物质点初始时刻相互重叠，但几何上保持独立，允许存在相对运动，拉格朗日物质点携带所有物质信息并跟随土体运动而运动避免了网格畸变，同时布置一套规则的欧拉型背景网格以实现控制方程的求解；

步骤3、在连续介质力学框架下，基于Darcy定律和Biot理论，建立双套物质划分的、固液双相物质点法的控制方程：

固体相的质量守恒：