基于CoSim的散体填筑场地评估-方法·原理（2）：降雨作用下稳定性与失稳过程评估
1. 写在前面
在本系列第1讲，我们介绍了弃渣场、尾矿库等散体填筑场地三维快速建模方法，实现了“可视-可算”一体化快速精细建模。对于弃渣场、尾矿库等散体填筑场地而言，降雨是诱发其失稳破坏的最重要因素，极端降雨条件下场地稳定性及灾害风险分析，是场地选址评估、安全运行及防灾减灾的关键环节。本讲将以第1讲建立的一个弃渣场的三维模型为例，采用清华大学水利水电工程系3M课题自主研发的混元模拟器-CoSim 中的HydroMPDEM模块，即CoSim-HydroMPDEM,开展极端降雨工况下的三维稳定性及失稳动力过程分析。
CoSim-HydroMPDEM以自主提出的基于有限体积法（FVM）的三维流体动力学、二维水动力学（SWE）与物质点法（MPM）、离散元法（DEM）的耦合算法为基础研发的流-固耦合软件，突破降雨地表产汇流、地下渗流、流域二维水动力与局部三维水动力的水文水动力耦合分析难题，在此基础上实现与大变形多孔介质、颗粒材料 / 结构等的共同耦合分析，从而在解决流域尺度洪水与岩土体及结构动力耦合、小流域降雨水文水动力与岩土体及结构的动力耦合等问题。模块突破了传统水文过程与岩土力学分离分析的局限，实现了从“降雨过程→水文水动力→稳定性演化/评价→失稳灾变及灾害链动力过程”的全链条定量评估，为散体填筑场地的评估分析及灾害防控提供了可靠的平台。
2. 降雨作用下斜坡稳定性分析方法
传统的降雨滑坡分析方法存在显著局限：一方面，通常将地表径流进行简化处理，假定地表产流完全排走；另一方面，仅考虑降落在斜坡坡面的降雨量，忽略斜坡单元流域尺度上游径流的汇入效应，导致无法完整刻画流域水文过程对滑坡启动的影响。实际上，斜坡流域单元的降雨水文过程，对滑坡的起动及灾害动力学过程有控制作用。同时，降雨作用下散体填筑场地的失稳是一个典型的流-固耦合过程，地表水、地下水与岩土体之间存在着强烈的动态信息交互，必须考虑流体动力学和多孔介质间的强流固耦合相互作用。
基于上述认识，课题组提出了基于水文水动力-岩土耦合的三维斜坡稳定性分析方法，并开发了CoSim-HydroMPDEM计算模块。该模块采用浅水波方程（SWE）求解地表径流，有限体积法（FVM）求解地下渗流，物质点法（MPM）求解岩土体变形，离散元法（DEM）表征复杂地形边界及块体，流体与岩土体之间通过孔隙度、渗透系数、有效应力的更新以及耦合力的传递来实现流-固耦合相互作用，从而实现降雨作用下地表径流-地下渗流水文水动力过程与斜坡岩土体变形失稳过程的复杂动态流‑固耦合问题分析。同时，CoSim-HydroMPDEM基于GPU并行加速技术以提升计算效率，可高效完成降雨滑坡全过程模拟，为滑坡灾害预警及风险评估提供可靠的数值支撑。
图1水文水动力-岩土耦合算法示意图
3.应用案例
图2显示了第1讲建立的弃渣场数值计算模型，然后导入CoSim软件，并将坝体的四面体网格转化为物质点。
3.1 天然状态下三维稳定性分析
基于CoSim-HydroMPDEM内置的三维强度折减法（SRM），计算得到弃渣场在天然工况下的三维稳定性系数为1.14（图3），处于基本稳定状态。
图2 数值计算模型
图3 监测点位移随折减系数的变化关系
图4显示了不同折减系数下边坡的变形及塑性区分布云图。当折减系数Rf <Fos=1.14时，边坡的位移较小，无显著塑性应变集中区，坡体整体处于稳定状态；随着Rf的增大，位移缓慢增加，塑性区范围也在缓慢扩大；当Rf =Fos=1.14时，填筑体前缘临空面处岩土体 位移迅速增加，塑性应变也剧烈发展，形成贯通的滑动面；当Rf >Fos=1.14时，岩土体 位移急剧增加，前缘不断向下游滑动塌落，边坡进入失稳破坏状态。
Rf | 等效塑性应变
| 位移（m）
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1.00 |
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1.14 |
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1.16 |
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图4 不同折减系数下边坡变形及塑性区分布
3.2 极端降雨工况下三维稳定性分析
为了分析极端降雨工况下的稳定性特征及失稳动力过程，选取当地100年一遇极端降雨历时曲线如图5所示。采用CoSim-HydroMPDEM实现降雨过程中地表径流、地下渗流及岩土体应力变形耦合计算分析，并采用三维强度折减法对不同降雨时刻的稳定性进行分析，得到边坡稳定性系数及边坡变形情况随降雨历时的变化情况（图6）。降雨工况下，边坡位移随降雨历时逐渐增加，而边坡稳定性系数不断降低，由天然工况下的1.14降至1.00以下，进入整体失稳状态。
图5 降雨历时曲线
图6 边坡稳定性系数和监测点位移随降雨历时的变化情况
图7显示了在不同降雨时刻斜坡单元流域的地表径流及斜坡变形过程。由视频中可以看出，降雨形成的地表径流沿沟谷汇集，并集中汇流于填筑体下游的沟道。在降雨11.5小时时，斜坡的稳定系数小于1（图6），斜坡的变形急剧发展，坡体前缘临空面处率先产生明显的变形集中区，随后填筑岩土体不断下滑、并向下游运移。
为了分析失稳后滑坡动力学全过程，图8显示了降雨12 h后斜坡整体失稳的大变形运动过程，弃渣体沿沟道持续向下游长距离运移，最大滑移速度达1.5 m/s，最终堆积于沟道低洼段。图9显示了失稳滑体的堆积范围与堆积厚度分布，滑出渣量为59925 m3，堆积体最前缘距离原弃渣场达440 m，堆积体最大堆积厚度为28.5 m（包含原始边坡范围）。本计算，完整还原了流域尺度下的降雨水文演化过程与散体填筑场地岩土体的大变形失稳运动全过程。
图9 斜坡失稳后堆积情况（包含原始边坡范围）
CoSim-HydroMPDEM可有效表征降雨作用下水文水动力与岩土体之间的耦合相互作用，以及边坡“稳定性→极端降雨诱发变形失稳”的全链条分析，从降雨诱发滑坡的物理力学机制出发，为天然及不同降雨概率下弃渣场、尾矿库及天然斜坡的稳定性分析及失稳动力学研究提供了可靠的数值工具。
