MatDEM实例-滑坡与边坡

MatDEM能实现三维滑坡模拟。通过进一步添加水的作用，可研究滑坡在水热力、固液气等多场多相复杂条件下灾变机制。

 1   茂县重大滑坡研究

采用软件：岩土体三维离散元模拟系统MatDEM

计算环境：GPU工作站，GPU Tesla K20c

根据高程数据和地层数据建立滑坡三维模型，建立具有和真实岩石类似性质的离散元堆积材料，模型包含28.6万单元，模拟真实世界200秒，耗时2天。

滑坡过程演化过程中的位移场(计算耗时两天，模拟真实世界200秒):

地震波和能量：

模拟地震波与实际近似。总体滑动约60秒。从左上图可以看到，在20秒左右地震波最强，此时滑体正好通过刮铲区。

 2   滑坡示例

模型长宽高为100*50*41米，包括32万颗粒，设定性质为低强度弱胶结土体，模拟真实世界时间9秒钟，计算耗时4小时。见软件示例BoxModel。

演示1: 位移图，暖色代表高位移。可看到明显的滑动面。

演示2: 滑坡热量分布切面图。在滑带上产生大量热，这种热很可能会加剧滑坡的灾害作用(降低抗剪强度、有效应力)。

演示3: 滑坡热量分布切面图。前后边界上有摩擦热，在中心区域滑带热明显。

演示4: 暗红色为软弱地层，滑带沿软弱层启动发展，并侵蚀滑床。

演示5: 暗红色为软弱地层，滑带沿软弱层启动发展，并侵蚀滑床。

图6: 能量转化曲线。滑坡重力势能转化动能，动能上升后又返回零，机械能转化为热，系统能量守恒。

图7: 系统热量生成图。绝大多数热量是由于摩擦产生(Slipping)。

 3   滑带摩擦生热模拟

利用离散元模拟系统MatDEM模拟了滑坡滑动过程中热量场的分布。在滑动过程中滑体与滑床剧烈摩擦产生大量热量，这些热量会产生热压力并且改变岩土体的性质，加速滑动过程，这一现象很可能是促成高速远程滑坡的诱导因素。建立一个包含220000单元的220 m×120 m二维边坡模型，模型中含有两种地层，中间为软弱层。

图1 边坡轮廓(2000单元)

模拟采用GPU工作站（Tesla GPU K20c）进行滑坡过程计算，模拟了真实世界12s的滑动过程，计算耗时约6.5h。

图2 第1s、第6s、第12s的速度场分布图和颗粒连接状态图

可见，坡腰中下部和坡脚处产生明显的热量区，由于土体破坏滑动产生断裂热和摩擦热。同时，软弱夹层由于滑动剪切作用也产生了明显的热量，并形成了明显的核形的热量带。

图3 滑坡模型滑动过程中1s、6s、9s、12s的热量分布图

初步探究了不同高度的边坡与热量带热量峰值、热量总值的关系

图4 在12S时，50m、100m、150m、200m高度的滑坡热量场分布图