滑坡–堵江–涌浪灾害链模拟的DEM–CFD耦合分析方法及其应用

摘要

滑坡–堵江–涌浪灾害链的演化过程涉及复杂的滑坡–河流相互作用。为了真实再现这一演进过程,本文提出了一种扩展的离散元法(DEM)与计算流体动力学(CFD)耦合数值方法,通过在局部平均DEM–CFD耦合方法中引入流体体积法(VOF)建立了一套能够描述河流自由水面演化的扩展DEM–CFD耦合数值框架,实现了对滑坡涌浪形成及传播过程的追踪;并提出了一种新的局部孔隙率计算方法即虚拟球模型,来克服网格颗粒临界尺寸比的限制,从而实现复杂地形建模要求;进一步通过多个典型算例验证其准确性和有效性。在此基础上,开展了滑坡–堵江–涌浪灾害链演化模拟,并应用至白格滑坡坝形成过程复演,深入分析了滑坡–河流动态演化过程及耦合作用机理。结果表明:所提出的方法能够准确模拟滑坡–河流相互作用;滑坡–河流–河谷地形的耦合作用驱动了灾害演化,滑坡体驱动了涌浪的传播,而河流则增加了滑坡体的动能耗散,且对其沉积过程在河流流向上产生相反影响;模拟得到的白格滑坡运移路径、沉积形态及涌浪侵蚀面积与实地调查结果吻合度较高,成功再现了2018年10月11日白格滑坡堵江事件。本文所提出的扩展DEM–CFD耦合数值方法为深入研究滑坡–堵江–涌浪灾害链演化机制提供了有力的数值工具,对于灾害预测及防灾减灾策略的制定具有一定的参考价值。