清华大学徐文杰教授：国产软件CoSim弃渣场与尾矿库CAE仿真

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作者 | 仿真助手

首发 | 仿真秀App

近年来，弃渣场、尾矿库等散体场地的安全评估问题愈发受到重视。水利部办公厅近期印发的《生产建设项目水土保持方案编制模板》（办水保函〔2026〕232号）明确提出，弃渣场及尾矿库等散体场地需开展灾害及风险评估。然而，在实际工程中，这一要求仍面临诸多技术瓶颈。

01    

现有分析方法的不足    

   

   

传统分段式思路的局限  

传统的散体场地评估往往采用"分段式"思路：稳定性分析用一套软件，水文分析用另一套软件，风险评估又依赖经验判断。

这些方法之间数据割裂、模型脱节，难以真实反映极端降雨条件下"降雨—入渗—饱和—滑移—流态化—堆积—再冲击"的完整物理过程。特别是对于沟谷型弃渣场和尾矿库，极端降雨可能诱发从局部失稳到大规模泥石流的灾害链，现有分析手段几乎无法对这一全过程进行定量模拟。

   

   

3M问题的核心挑战  

另一个核心难题是"多尺度、多过程、多相态"（清华大学徐文杰老师CoSim团队内部简称"3M"问题）。散体材料本身既是连续介质，又具有显著的颗粒离散特性；场地失稳过程中既涉及固体变形，又涉及流体运动；从单一颗粒的细观接触，到整个流域的宏观灾害，空间跨度可达数个数量级。用单一数值方法很难兼顾这些复杂特征。

02    

CoSim的技术路径：统一架构下的多方法融合    

基于上述工程需求，清华大学徐文杰老师团队近十年来聚焦"3M"问题的求解，自主研发了混元模拟器CoSim。与国外商业软件不同，CoSim将有限元（FEM）、离散元（DEM）、物质点法（MPM）、光滑粒子流（SPH）、有限体积法（FVM）、浅水波（SWE）等7种数值方法整合在统一的软件架构下，发展了17个求解器，实现了真正意义上的一体式多方法耦合。

为什么要强调"统一架构"？目前市面上大多数商业软件采用"不同平台拼接"的模式，即A软件做固体、B软件做流体，再通过外部接口耦合。这种方式不仅效率低，更关键的是在数据传递过程中会引入额外的误差和稳定性问题。CoSim的所有算法共享同一套数据结构、同一套并行框架、同一套前后处理流程，从根本上突破了这一壁垒。

在硬件层面，CoSim基于GPU并行加速，已具备千万级颗粒、上亿自由度规模的计算能力，能够满足实际工程场景对计算规模和效率的需求。

03    

散体场地的全链条评估方法    

针对弃渣场及尾矿库等散体场地的评估，清华大学徐文教老师课题组提出了一套"稳定性分析→水文水动力分析→流-固耦合分析→灾害链风险评估"的全链条技术路线：

第一步，稳定性与大变形分析。利用CoSim的DEM、MPM及FDEM等模块，对散体材料在不同工况下的应力场、位移场和破坏模式进行模拟，判断潜在的失稳区域和滑动面位置。

第二步，小流域降雨水文水动力分析。通过SWE、FVM等模块，建立场地上游汇水区的降雨-径流模型，计算极端降雨条件下的洪峰流量、水位变化和淹没范围。

第三步，水文水动力与岩土力学耦合分析。这是关键环节。我们将第二步得到的水动力荷载作为边界条件输入第一步的岩土力学模型，模拟"水-土"相互作用下的场地响应，包括孔隙水压力上升、有效应力降低、材料强度弱化直至失稳的完整过程。

第四步，灾害链全过程模拟。一旦场地发生失稳，失稳体可能沿沟谷快速运动，形成泥石流，甚至堵塞河道形成堰塞湖。CoSim的MPDEM、FVDEM等耦合求解器能够追踪这一跨尺度、跨介质的动力过程，实现从"源头失稳"到"下游影响"的全过程定量评估。

04    

国产软件CoSim弃渣场与尾矿库CAE仿真

以上只是简要概述。关于这套方法的具体实现细节、工程应用案例以及软件操作要点，7月14日（周二）晚19时30分，2026仿真秀知识狂欢系列直播第3期，我们将邀请清华大学水利水电工程系徐文杰教授做  《CoSim 在弃渣场及尾矿库等填筑场地评估中的应用》线上公开课，欢迎高校老师学生、岩土领域科研工作者和工程师提前报名，报名后支持回放。

1、主讲嘉宾

徐文杰  长聘副教授 博士生导师

清华大学 水利水电工程系

国家级一流本科课程（线上）《地质学与工程地质》课程负责人。主要从事高性能计算与软件研发、工程地质力学、地质灾害分析和防控理论与技术、边坡与地下工程及数智化等方面的教学科研工作。承担国家级及企事业委托项目60余项，发表论文120余篇，其中SCI / EI 80余篇；软件著作权20余项，发明专利7项。获全国优秀博士论文提名奖及中国科学院优秀博士论文，张光斗优秀青年科技奖（2020）；数字仿真科技奖-杰出贡献奖（2023），大禹水利科技奖自然科学二等奖（排名1）及教学成果奖多项。

自主研发的混元模拟器CoSim、清华水利云（THC）等被近20余所高校、企业使用，“水电工程流域自然灾害链仿真平台”入选水利部2024年度成熟适用水利科技成果推广清单。

2、报告内容

本次直播将分为四个部分：首先梳理弃渣场及尾矿库评估面临的真实问题和现有方法的不足；随后系统介绍CoSim的整体架构、功能模块，以及在连续-非连续、流-固耦合领域的典型应用；第三部分重点讲解散体场地稳定性分析、水文水动力分析及耦合分析的具体方法，并结合实际案例进行验证说明；最后进行总结与答疑。

3、这场直播适合谁？ 

如果你是CAE仿真工程师、岩土/地灾/水利/矿山领域的技术从业者，或是从事数值仿真的高校科研人员和学生，相信都能从中获得有价值的参考。特别是对CoSim软件感兴趣、希望了解国产自主CAE平台最新进展的朋友，欢迎届时收看。

请识别下方二维码即可报名，支持反复回看。期待大家在直播中见面，一起探讨散体场地评估的技术前沿。

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仿真知识狂欢节-让前沿技术触手可及    

为了让更多工程技术人员近距离感受仿真的魅力，2026仿真知识狂欢节暨高校课题组与创作者交流月正式拉开帷幕！

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300+精品课限时秒杀，百万优惠券等你来拿    

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进群即享福利，每周五好礼送不停    

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(完)

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