西南交通大学柔性防护：边坡地质动力灾害柔性防护仿真

导读：作为“2021一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛工程仿真创新设计赛项”研究生组的参赛队-西南交通大学冲击与防护研究团队。我们的初赛、决赛参赛题目分别为《柔性防护系统拦截落石仿真模拟》和《川藏铁路沿线高位远程地质灾害4D柔性防护技术》，最终荣获大赛研究生组一等奖。在此致谢我们团队成员和指导老师的辛勤付出，同时感谢金砖大赛工程仿真创新赛项专家评审团对我们在柔性防护仿真研究的认可。

因此，我们的作品非常荣幸入选首届金砖大赛工程仿真创新设计成果展，2022年1月10日20时，团队将在仿真秀官网和App公开直播《边坡地质动力灾害柔性防护仿真创新设计》，详细见后文。如有不当，欢迎各位专家和同行批评指正。以下是我的初赛作品视频（请扫码观看）。

一、柔性防护技术简述

我国约有2/3国土面积为山地，是滑坡、崩塌、泥石流等坡面地质灾害高发地区。坡面地质灾害对城镇人居安全及基础设施形成了重大威胁[1-4]。如图1，据《全国地质灾害通报》[5]统计，2012-2019年坡面地质灾害频繁发生，仅2019年平均一天就发生16起，给人民生命财产造成重大损失。

图1 坡面地质灾害发生起数，造成的人员死亡、失踪和直接经济损失统计

柔性防护技术因其施工快捷，防护性能突出，在坡面地质灾害防护工程中发挥着重要的作用。

图 2 柔性防护技术应用场景

柔性防护技术原理可概括为“以柔克刚”，即受到致灾体冲击时，柔性防护系统发生大变形，形成较大的缓冲空间，显著降低冲击力，同时，系统通过材料弹塑性变形及专用的消能装置，消除落石冲击动能。

柔性防护系统常由网片、钢丝绳、支撑柱、消能装置和锚固件组成。根据应用场景不同，系统各有不同（图3），主要可分为6类[6-12]：主动防护网、被动柔性防护网、泥石流防护网、引导式防护网、柔性钢拱架棚洞及韧性悬挑棚洞。

图 3 典型柔性防护结构

二、关键技术难题

1. 灾害作用非线性：致灾体包括岩石、碎屑流等单相体，及以泥石流为代表的多相体，其运动轨迹、冲击能量、冲击方式具有离散型；同时，灾害作用具有明显的动力特征，在时域上存在显著变化。

2. 材料非线性：钢丝绳、柔性网片均为柔性材料，发生非线性大变形，冲击作用下，结构材料产生显著的弹塑性力学行为；同时，系统的消能装置亦会产生显著的弹塑性大变形及摩擦滑移实现冲击能量耗散。

3. 接触非线性：钢丝绳与柔性网片、支撑结构均为滑移接触边界。柔性网片由钢丝网环套接而成，随冲击过程，网环间的相对关系存在接触、分离、滑移等多种工作状态。上述力学行为产生了复杂的非线性接触问题。

上述难题使得经典的力学解析理论与方法无法满足设计与工程应用，必须借助计算机仿真技术，采用数值模拟对其力学行为进行科学分析，进而实现科学设计，保证防护工程的可靠性。

三、经典仿真案例

1. 高精度环网模型

网环是柔性防护系统的关键传力部件，既有的数值模型计算误差较大，关键力学响应指标误差可达20~40%[13~15]，针对此，建立了考虑材料非线性、几何非线性和接触非线性的系统高精度数值模型（图4），误差可控制在15%以内，该案例关键实施要则有以下三点：

1）密集离散环网力学行为等效：如图5，离散环网[16]存在复杂的拉-弯协调受力模拟难题，针对此，通过引入协调因子修正刚度方程实现拉-弯协调，基于通用接触实现密集离散网环的接触滑移模拟，引入等效滑移耗能单元实现网环单元的内能演化等效。

图5 被动网系统力学模型

2）大变形耗能器冲击力学行为等效[17]：如图6，虽然能够建立基于板壳元或者实体单元的精细化数值模型，但其计算效率很低，针对此，建立了三折线弹塑性本构模型，实现了基于纤维梁单元的的高效率分析模型。

图6耗能器

3）大滑移索单元等效[18]：如图7，构建了“安全带 柔性绳索”组合单元，实现了大滑移柔性索单元的非线性模拟。

图7 索-柱端滑移行为

2. 高效率薄膜等效模型

c）被动网薄膜等效模型冲击过程

图8 离散环形网片膜单元等效

对于大尺度工程模型，密集的环网部件会产生复杂的非线性力学行为，由此需要消耗巨大的计算资源。为此，如图8a，团队从消除密集网环的接触非线性计算消耗出发，建立了连续化的薄膜等效模型[19, 20]，以加载过程中的刚度一致、卸载回弹一致、质量一致出发，建立了等效薄膜的等效厚度和屈服点为小值的弹塑性指数硬化本构模型（图8b），并基于LS-DYNA中的引导滑移接触实现了等效膜面与索连接位置的滑移行为等效（图8c）。模型相较环网模型的平均计算精度牺牲5%左右，但计算效率可提高至少一个数量级，大大节约了计算资源，提高了工程仿真设计的效率。该方法适用于大规模系统仿真，如帘式网和引导网的设计计算[9, 10]（图9）。

图 9 引导网薄膜等效数值模型

3. 泥石流-柔性防护网耦合分析模型

泥石流与柔性防护系统的耦合动力作用过程包含了大变形、能量转化与耗散等复杂物理现象，其关键在于泥石流等效和泥石流-防护系统耦合方法[21]：

1）泥石流等效：构建了基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法的泥石流等效模型，该模型能有效跟踪物质结构边界的运动，又可以自适应网格变化，实现对泥石流浆体及细小颗粒的等效（图10）。

图10 泥石流防护网有限元模型

2）流固耦合：建立了泥石流-坡面、泥石流-柔性防护系统的Constrained_lagrange_in_solid模型。在柔性网面上赋予虚拟膜单元（图11），作为流体与柔性网梁单元的传力介质。

图11 ALE-FEM泥石流冲击柔性防护网耦合模型

4. SPH-DEM-FEM泥石流冲击柔性防护网耦合模型

针对含块石群的泥石流，构建了无网格粒子流模型，即使用光滑粒子流体动力学方法（SPH）对泥石流浆体进行等效，采用离散元方法（DEM）对颗粒物进行等效[22, 23]。如图12，将DEM粒子在SPH模型中进行插值，得到流体-粒子动力相互作用力，在SPH部分和DEM部分的接触位置上引入基于罚函数的接触模型，实现SPH与DEM的耦合，获得多相泥石流等效模型。泥石流与系统结构耦合沿用案例3所述虚拟膜单元方法，不再赘述。

图12 SPH-DEM多相泥石流等效模型

数值仿真突破了试验条件或测试手段的局限，使工程技术人员获得了更全面的灾害演变及结构冲击响应数据，在柔性防护技术的预研设计、结构优化、灾后评估等各阶段均发挥了重要作用。

四、柔性防护仿真公开课

2022年1月10日20时，“2021一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛工程仿真创新设计赛项”研究生组的一等奖获奖队伍——西南交通大学冲击与防护研究团队，受邀在首届金砖大赛工程仿真创新设计成果展，公开分享《边坡地质动力灾害柔性防护仿真创新设计》讲座，诚邀莅临各位专家和同行交流、欢迎批评指正，共同进步。

以下是我们讲座安排：

参考文献

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• [22] Liu C, Yu Z, Wang Q. A Unified SPH-DEM-FEM Approach for Modeling of Debris Flow Impacts on Protective Structures[J].

• [23] Liu C, Yu Z, Zhao S. A coupled SPH-DEM-FEM model for fluid-particle-structure interaction and a case study of Wenjia gully debris flow impact estimation[J]. Landslides, 2021: 1-23.

（完）

作者：余志祥、骆丽茹、金云涛、张丽君，西南交通大学土木工程学院冲击与防护研究团队，主研方向为边坡地质动力灾害柔性防护技术。