[发明专利]一种基于DEM-CFD耦合计算的滑坡-堵江-涌浪灾害链模拟方法

说明书

一种基于DEM‑CFD耦合计算的滑坡‑堵江‑涌浪灾害链模拟方法，属于滑坡堵江灾害演化机制分析及防灾减灾的数值模拟分析领域。所述的滑坡‑堵江‑涌浪灾害链模拟方法通过局部平均的DEM‑CFD耦合数值方法计算滑坡‑河流耦合作用，结合VOF模型实现涌浪液面演化追踪，并通过虚拟球模型建立了新的孔隙率计算方法，实现实际地形建模要求。本发明采用DEM‑CFD耦合模拟方法能够准确描述流‑固耦合作用机制，充分考虑流体环境对于滑坡体运移及堆积过程的影响；通过在局部平均DEM‑CFD耦合方法中引入VOF模型，可以实现河流水环境及空气的建模并追踪河流自由液面演化，进而实现模拟滑坡驱动涌浪的传播过程；基于真实颗粒构建虚拟球，能够满足三维模型的高分辨率网格剖分要求，使得滑坡‑堵江‑涌浪灾害链的真实案例模拟能够实现。

技术领域

本发明属于滑坡堵江灾害演化机制分析及防灾减灾的数值模拟分析领域，尤其涉及一种基于DEM-CFD耦合计算的滑坡-堵江-涌浪灾害链模拟方法。

背景技术

我国幅员辽阔，地质灾害种类繁多且频发。尤其以西南地区，一直是滑坡类灾害高发区。滑坡-堵江-涌浪灾害链多见于该区域的高山峡谷及河流发育地区。高速运动的滑坡体侵入河流从而诱发涌浪，并会严重威胁附近工程设施及沿岸居民生命安全。其阻塞河流所形成的堰塞坝可诱发包含上游洪涝、溃坝下游洪水及泥石流、河道演化并触发流域二次滑坡等一系列次生地质灾害。

滑坡-堵江-涌浪灾害链涉及复杂的多相耦合动力演化特征及及耦合过程，其具体体现在高山峡谷区滑坡的高速运移冲击效应、受河流影响的堰塞坝堆积形态演化、及滑坡-河流动能交换激发涌浪传播并导致灾害扩大效应。这也带来了滑坡-堵江-涌浪灾害链致灾机理复杂且致灾范围广的典型特征。因此，深入研究灾害链演化过程中的滑坡-河流耦合作用效应，揭示灾害链演化机理，发展有效的灾害模拟及预测方法，对滑坡-堵江-涌浪灾害风险评估、灾害预警及防灾减灾策略的制定具有重要参考价值。

在本发明专利之前，已有相关基于物理模型试验的滑坡堵江及滑坡涌浪等发明发表，但受限于观测条件、测量方法及模型尺寸效应，物理模型试验目前对滑坡-堵江-涌浪灾害演化机制理解的帮助十分有限。此外，有限的数值分析中，大多也将滑坡体简化为流体，或采用受限于计算效率的离散-连续耦合方法，难以充分揭示灾害演化机理。而局部平均的DEM-CFD耦合数值方法虽能满足上述要求，但无法追踪涌浪演化过程；此外，局限于当前的孔隙率计算方法，最小网格尺寸必须大于最大颗粒直径4倍以上，这导致当前DEM-CFD耦合数值方法难以在基于实际地形建模的现实案例模拟中取得应用。基于此，丞需一种可充分考虑滑坡-河流耦合作用机制、能够模拟滑坡涌浪演化过程、并满足实际地形建模要求的滑坡-堵江-涌浪灾害模拟方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于DEM-CFD耦合计算的滑坡-堵江-涌浪灾害链模拟方法，通过局部平均的DEM-CFD耦合数值方法计算滑坡-河流耦合作用，结合VOF模型实现涌浪液面演化追踪，并通过虚拟球模型建立了新的孔隙率计算方法，实现实际地形建模要求。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于DEM-CFD耦合计算的滑坡-堵江-涌浪灾害链模拟方法，包括步骤如下：

第一步，利用数字高程模型对滑坡-堵江-涌浪灾害链区域进行三维建模，并通过笛卡尔坐标系对三维模型计算域进行网格剖分，设置边界命名并导出网格文件。所述滑坡-堵江-涌浪灾害链区域应根据案例实际情况确定。所述边界命名应包括上游边界，下游边界，顶部边界等一种或多种，具体应根据河流流向及高程方向确定。

第二步，确定滑坡体模拟参数，其中，滑坡体模拟参数包括材料参数及接触参数。所述材料参数包括粒径分布、密度、泊松比、剪切模量等一种或多种。所述接触参数包括恢复系数、摩擦系数、滚动摩擦系数等一种或多种。所述滑坡体模拟参数应根据具体滑坡体物理特性确定。