A 3D SPH framework for simulating landslide dam breaches by coupling erosion and side slope failure
作者：Shuang Li, Ming Peng*, Liang Gao*, Chengzhi Xia, Yan Zhu
论文内容
堰塞坝是一种常见的地质现象，随着上游水位上升，堰塞坝溃决可能引发灾害性洪水，严重威胁下游城镇居民的生命财产安全。在堰塞坝发生漫顶溃决时，会同时发生冲刷和侧坡失稳，涉及复杂的水土耦合过程，为相关数值模拟带来挑战。基于光滑粒子流体动力学(SPH)，本文提出了一套三维的用于精细化模拟堰塞坝溃决过程的数值方法。在本方法中，根据线性冲刷率方程定义冲刷，结合弹塑性模型对侧坡失稳进行模拟，基于位移识别发生侧坡失稳的土体，将其转变为流体从而与水体混合。该模型能够再现水流沿泄流槽冲刷，临空面增加引发的侧坡失稳，以及失稳土体与水流混合的全过程。基于室内试验案例进行了验证，所得到得到的水位变化、溃决流量及堰塞坝三维形态演变等与室内试验结果保持一致。
数值结果显示：若不考虑对侧坡失稳土体的处理，这些土体会保持固体特性，发生局部的堵塞，与实验现象不符。同时进一步分析了坝体材料的抗冲刷能力和土体强度对溃决过程的影响：材料冲刷率是控制溃决过程的关键因素，冲刷率的增加会显著加速溃决过程，使溃决峰值流量呈幂函关系增加，峰值时刻呈幂函数减小。粘聚力是主要影响侧坡失稳，随着粘聚力的增加，溃口的横向拓展速度会放缓，同时会导致失稳形式由滑移向崩塌转变。该数值模型对后续坝体参数的三维空间变异性的影响，防护结构效应及灾害链模拟等研究具有应用前景。
图1 冲刷和侧坡失稳耦合流程
图2 溃口纵向形态演变过程及其与室内试验的对比
图3 溃口横向形态演变过程及其与室内试验的对比
图4 不同坝体材料侵蚀率(Kd, 单位:mm/Pa·s)下的溃口纵向形态演变与溃决流量
图5 不同坝体材料粘聚力(c)下的溃决过程
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