上海交通大学罗浩：利用MatDEM模拟崩滑灾害动力演化过程

接下来，笔者使用矩阵离散元软件MatDEM，选取线弹性模型，对2017年贵州省纳雍县发生的重大崩塌灾害进行了模拟。该案例首先简单介绍了研究背景，然后具体介绍了建模步骤与设置，最后给出了模拟结果。

1、研究背景

受强烈地震、极端强降雨重现期缩短和人类工程扰动日益增强等诱发因素的影响，我国因高速远程滑坡造成的群死群伤特大灾害逐渐增加。目前，我们对于特大滑坡体运动过程中动力学特征的认识尚且不足。因为滑坡运动过程的复杂性，数值模拟逐渐成为了其重要研究手段。

离散元法通过颗粒组合成宏观物质并表现材料的宏观力学行为，克服了传统连续介质力学模型的宏观连续性假设，适合于模拟岩体大变形、开裂等非线性行为。矩阵离散元软件(MatDEM)采用GPU计算，大幅提高了计算效率，能够高效地模拟大型三维崩滑灾害。本文运用MatDEM模拟了2017年贵州省纳雍县“8·28”重大山体崩塌，获得了崩塌体运动过程中的重要动力参数。

2、建模过程

参照MatDEM中的BoxModel示例，分三步建立了滑坡模型，即：初始模型堆积和重力沉积；地形输入与材料设置与；重力平衡及数据保存。

第一步：初始模型

第一步的任务主要是确定模型箱大小以及单元半径。这两个参数是决定计算量大小的重要因素。对于崩滑灾害的模拟，模型箱大小的选取需要考虑滑坡（崩塌）体运动可能波及的范围。根据灾害现场数据，确定模型箱大小为长1050m，宽1050m，高450m。并且综合考虑计算能力及精度后，选取半径为5m±1.5m。最终模型箱中共有单元约28万个。

第二步：地形与材料设置

将数值高程信息（digital elevation model）转为MatDEM能够识别的excel或者txt格式的高程信息（详见BoxModel示例）。根据灾害点的地质特征，将模型自滑源区顶部到基岩分为四层，其中由于滑源区岩体较之周围岩体更为破碎而被单独分为一层。（图中layer2）。

每个底层都赋予不同的材料属性，具体参数见下表。其中1，2层用于模拟山体上部较硬的灰岩，3层用于模拟山体下层较软的岩石，4层是很薄的一层，用于模拟山底耕植土以及古滑坡堆积物。这些材料属性参考了灾害点周围相似岩性岩石的实验室测量参数并通过MatDEM中的MatsTraining示例训练。出于提升计算速度的考虑，将4层以下的单元均设置成为不可移动的墙单元。

值得注意的是，由于强烈风化以及人工扰动等原因，源区岩石的力学性质与周围相同岩性的岩体有着明显的差别，但较难确定准确的数值。在数值模拟时，需要设置不同的源区材料属性，将不同材料下的结果与现场数据进行对比，选取最符合的结果进行进一步的数据分析。本文中，在其他力学参数不变的情况下，选取了0.4，0.6，0.8这三组滑源区内摩擦系数。

第三步：重力平衡及数据保存

大型滑坡的滑动通常是由滑动面的强度降低引起的。在本次研究中，我们通过将滑源区（1层）的单元胶结全部破坏的形式使其开始运动。

在仅重力作用下，完全失去胶结的源区单元开始向下运动。时间步选择MatDEM中默认的时间步长，即单元组成的模型中系统自振周期的1/50，并在每次完成重力平衡后保存数据。

三、模拟结果及后处理

模型在经过大约110次重力平衡之后，崩塌体运动停止。计算耗时约27h，模拟真实世界运动56.7s。

模拟结果如图所示：

单元位移

运动单元周围会存在因为被扰动而存在明显位移的单元，这些单元并不参与崩塌体的运动过程，其位移大小相比崩塌体运动距离也小得多。在展示单元位移图时，可以通过修改MatDEM数据中的d.data.showFilter的方式筛选出需要展示的单元。本文筛选出了位移大于30m的单元进行展示，结果如下：

同理，可以得到模拟的速度演化图

以及不同内摩擦系数下的模拟结果对比

四、我的公开课

本案例介绍了如何用MatDEM软件建立高速远程崩塌（滑坡）模型以及对模拟结果进行简单后处理。运用这种方法，可以对真实滑坡案例进行大型三维离散元数值模拟。值得一提的是，本次代码均是在MatDEM软件内置的“user_BoxModel1-3“基础上进行修改和改进的。

2020年12月3日20时，受仿真秀平台邀请，笔者将在2020MatDEM创新系列讲座第七场公开直播《MatDEM崩塌(滑坡)灾害模拟及后处理》。识别下图即可报名。

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总之，MatDEM是一款对于初学者相对友好的离散元软件，在刘春老师团队提供的教学资源下（在仿真秀官网和APP可系统查看），能够快速的入门。然而想要适应自己的研究需求做出更具针对性的模型以及后续的数据处理，我们首先应当掌握最基本的MatLab语言，特别是了解MatLab的数据类型以及结构等相关知识；其次还应当勇于提问，多多交流，许多冥思苦想无法解决的问题，但经他人点拨就能拨云见日，迎刃而解。

非常感谢刘春老师团队在此过程中对我的帮助。