考虑运动全过程的泥石流亚塑性本构建模及其数值实现

Debris flows are geo-hazard caused by the fast movement of complex multiphase and multiscale debris media. From theoretical and practical points of view, accurate description of the complex physics in the whole flow process and development of capable numerical method are very crucial undertaking. Presently, most of the constitutive models applied to theoretical and numerical analyses of debris flows are based on rheology or elastoplastic theory. Only considering specific phases of debris flow events, they are incapable of considering the whole initiation-flow-deposition process. To this end, this project carries out experimental study on the whole process of typical mountainous debris flows, investigates the dominant mechanism in flow initiation, solid/fluid transition, the steady flow regime and deposition, and quantitatively establishes solid/fluid transition criterion. Based on hypoplastic theory and rheology theory of granular media, a unified constitutive model for debris flow considering the whole flow process is proposed. The proposed constitutive model is implemented in smoothed particle hydrodynamics (SPH) and a SPH-DEM coupled algorithm is developed for the multiscale modeling of debris flow. The project will strengthen our understanding in the physics of the full life cycle of debris flows, and provide theoretical foundation to debris flows risk assessment and protection.

泥石流是一种由复杂多相多尺度介质运动形成的地质灾害，科学合理地描述泥石流复杂的运动全过程，建立相应的数值模拟方法，对泥石流灾害预警与防治具有重要的理论意义和应用价值。当前用于泥石流理论分析及数值模拟的本构模型，多局限于流变理论或弹塑性理论，仅能描述泥石流发生发展的某些阶段特征，难以统一给出泥石流启动-流动-停止全过程的应力应变关系。本项目通过对山区典型泥石流运动全过程的物理模型试验，深入揭示泥石流启动、固态-液态转化、稳定流动及停止全过程中的主导物理机制，并建立定量的固态-液态转化准则；基于亚塑性理论和颗粒流变理论，构建统一的合理描述泥石流运动全过程的本构模型；将模型引入SPH（光滑粒子流体动力学）方法，搭建基于SPH-DEM耦合算法的多尺度泥石流数值模拟平台，实现对泥石流运动全过程可靠的数值模拟。本研究有助于深入揭示泥石流全过程运动规律，为泥石流灾害的定量风险评估及防治提供重要理论支撑。

泥石流是一种由复杂多相多尺度介质运动形成的地质灾害，科学合理地描述泥石流复杂的运动全过程，建立相应的数值模拟方法，对泥石流灾害预警与防治具有重要的理论意义和应用价值。本项目通过对山区典型泥石流运动全过程的理论分析，提炼出影响泥石流启动、固态-液态转化、稳定流动及停止全过程中的主导物理机制，即剪胀和率相关性，并在弹塑性模型的框架内，建立了统一的本构模型，可以描述泥石流运动的全过程。基于光滑粒子流体动力学法（SPH），将发展的本构模型引入数值计算，建了模拟泥石流大变形全过程的SPH数值计算方法，并对发展了可描述泥石流与固定结构、可变形结构和漂浮结构的相互作用的数值算法，提出了用于SPH的混合接触模型，实现了泥石流与各种结构的模拟。另外，为模拟泥石流中的石块，开发了一种基于表面网格的新型离散元法，该方法基于混合接触模型搜索接触，能够模拟各种形状的自然石块。将发展的DEM方法与SPH方法耦合，搭建了基于SPH-DEM耦合算法的多尺度泥石流数值模拟平台，实现了对泥石流运动全过程可靠的数值模拟。基于新型GPU高性能计算，将上述计算方法大规模并行化，大大提升了计算效率。所发展的本构模型和数值计算方法，实现了泥石流运动全过程的多尺度高精度模拟。通过几十个算例验证及实际工程案例的计算，证明了所发展的本构模型和数值计算方法的有效性。本项目的成果有助于提升了泥石流三维数值模拟的精度和效率，有助于提升数值计算方法在科学研究和实际工程中的应用，有助于更加可靠的灾害预警和评估，以及合理的防护措施建设。