數值模擬在我國地質災害研究中的應用

王亞東

數值模擬在我國地質災害研究中的應用

王亞東1，2

（齊齊哈爾大學 1. 建筑與土木工程學院，2. 科研處，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

我國是世界上地質災害嚴重的國家之一，地質災害嚴重影響了我國經濟社會的可持續發展．隨著科技進步，基于計算機技術發展的數值模擬在我國地質災害研究的各個領域得到了廣泛應用．以ANSYS軟件為例，重點回顧數值模擬技術在滑坡、泥石流、地震和火山地質災害中的應用，認為數值模擬在未來我國地質災害研究中將發揮重要作用，建議加大國內相關數值模擬軟件和模型的開發力度，以實現高效率的科學研究．

地質災害；數值模擬；ANSYS軟件

我國是世界上地質災害嚴重的國家之一，地質災害已成為制約區域經濟發展和威脅人民生命財產安全的重要因素，嚴重影響我國經濟社會的可持續發展．近年來，受全球氣候變化影響，地質災害高發時段已從往年的6月到8月擴展為4月到10月，由于地表、山體被破壞進而引發的崩塌、滑坡、地裂縫、地面塌陷、沙土液化等次生地質災害大幅增加[1]．隨著科技進步，數值計算方法依靠其方便快捷、準確直觀的特點成為科學研究中必要的實用工具[2]．基于計算機技術發展起來的數值模擬在地球科學的各個領域得到應用[3]，數值模擬在我國地質災害研究中的應用也逐漸增多．

1 ANSYS軟件簡述

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內增長最快的CAE軟件，能夠進行包括結構、熱、聲、流體及電磁場等學科的研究，因其功能強大，操作簡便，現已成為國際最流行的有限元分析軟件之一．ANSYS軟件含有多種有限元分析能力，包括從簡單線性靜態分析到復雜非線性動態分析．一個典型的ANSYS分析過程可分為創建有限元模型、施加載荷進行求解和查看分析結果三個步驟，程序通常使用三個部分：前處理模塊、分析求解模塊和后處理模塊（見圖1）．前處理模塊為一個強大的實體建模和網格劃分的工具，通過這個模塊可以建立想要研究的有限元模型，主要實現三種功能：參數定義、實體建模和網格劃分．分析求解模塊即對已建立的模型在一定的載荷和邊界條件下進行有限元計算，求解平衡微分方程．包括結構分析、流體動力分析、聲場分析、電磁場分析、壓電分析和多物理場的耦合分析等．在此階段，可以定義分析類型、分析選項、載荷數據和載荷步選項．當完成計算后，后處理模塊（POST1和POST26）通過后處理器查看結果，可以很方便地獲得求解的計算結果．

2 數值模擬在地質災害領域中的應用

2.1 滑坡中的應用

數值模擬在滑坡地質災害研究中主要應用于滑坡穩定性分析和破壞機理分析．郭長寶[4]等以瀘定縣大坪上古滑坡為例，通過ANSYS軟件開展天然狀態（自重）和暴雨狀態下滑坡的穩定性分析．研究表明，該滑坡在暴雨情況下的穩定系數比自重情況下低，并且在暴雨作用下滑坡中下部變形趨勢明顯加大，有沿邊坡臨空面滑移的趨勢，滑面主要位于陡坡中等風化層中，而天然狀態下僅在坡體中部松散堆積層及中等風化層上部形成潛在滑動面．陳毓[5]等用ANSYS軟件對黑山露天礦內排土場邊坡的穩定性和破壞機理進行研究．結果表明，黑山露天礦內排土場邊坡的滑坡模式為“坐落滑移式”滑動．張旭[6]等利用ANSYS和FLAC3D軟件建立滑坡地質模型，利用強度折減法與有限差分程序進行多工況下的全過程動態數值模擬．計算坡體由初始化自重平衡狀態到臨界滑移失穩狀態全過程的位移、速率變化趨勢，分析滑坡破壞模式與滑移特征，通過數值模擬，闡釋了滑坡破壞演化特征和失穩機理．張會遠[7]等利用ANSYS軟件建立管道橫穿滑坡的力學數值模擬模型，采用FLAC3D軟件對管道受力變形進行模擬研究，并采用靜力學解析計算的方法對管道變形受力狀態進行分析研究，獲得了管道臨界破壞時管道的應變、應力和位移等特征．李甜[8]等利用ANSYS軟件對四川理縣一處山體滑坡發生的過程進行數值模擬，并計算監測點的位移，結果與實際觀測情況吻合較好，得到降雨量與彈性模量、密度、粘聚力、內摩擦角之間的關系，該研究提供了一種預測滑坡的新方法．常治國[9]等利用ANSYS軟件，針對新疆黑山露天煤礦外排土場局部滑坡現象，深入分析了坐落-滑移式邊坡滑坡變形機理．葉生春[10]等基于前期對山尕灘古滑坡體穩定性的研究，根據隧道施工工藝及結構支護參數，采用ANSYS軟件對典型斷面進行施工模擬，在確定施工不利斷面的基礎上就滑動帶的受力特征進行分析．彭巖巖[11]等以南芬露天鐵礦為背景，用有限元軟件ANSYS對其邊坡穩定性進行了數值模擬分析，應用強度折減法得出該邊坡穩定安全系數，為南芬露天鐵礦滑坡預防提供了設計依據．

2.2 泥石流中的應用

數值模擬在泥石流地質災害研究中主要應用于泥石流的運動規律、影響范圍、攔擋結構和材料的性能研究．趙崢[12]等利用ArcGis，Mapgis，Auto CAD，ANSYS等軟件建立計算模型，將現場調查得到的泥石流降雨量、重度等相關參數導入Fluent軟件，模擬研究泥石流在流通區和堆積區的運動狀態及流體的液面范圍．胡佳武[13]等使用基于有限體積法的ANSYS CFX高性能計算機軟件，選擇賓漢流變模型，模擬了克枯溝泥石流在堆積區連續運動的過程，得出了泥石流威脅區范圍和速度場分布．研究結果對泥石流溝口的工程設計和當地居民生活區的選址具有科學的指導意義．徐江[14]等首先利用圖形建模軟件RHINO建立上卓溝三維溝谷模型，泥石流流變模型選用賓漢流體模型，在合理確定各計算參數及邊界條件的基礎上應用CFX對上卓溝泥石流進行了三維數值模擬，得到了流速等流場數據．將所得流場數據導入ANSYS軟件進行泥石流與攔擋結構的雙向流固耦合分析，得到泥石流在溝谷內的運動規律及攔砂壩的應力和位移．

王秀麗[15-18]等將輕質高強、耐腐蝕性較好的碳纖維復合材料（CFRP）與索網結合，提出一種加強型柔性索網體系．通過九組靜力拉伸試驗，并運用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬，研究CFRP材料對筋材靜力性能的影響，沖擊荷載作用下單索、組合索以及索網在粘貼碳纖維布后的動力響應，探討碳纖維布對柔性索網抗沖擊性能的影響，并與無碳纖維布的情況進行對比分析．為使透水型攔擋壩更有效地攔截泥石流中的大塊石，結合拱結構的受力特點，設計出一種鋼拱結構，利用ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬，用鋼球模擬泥石流大塊石，分別對鋼拱結構的兩種壩體類型的三個典型部位進行大塊石沖擊下的動力響應模擬，從結構的應力、沖擊力、位移三個方面進行對比分析．為了提高攔擋壩的抗沖擊能力，提出一種帶連續防撞墩的新型泥石流攔擋壩，利用ANSYS/LS-DYNA對泥石流大塊石沖擊新型壩和重力式攔擋壩進行了數值模擬，分別得出了新型壩和重力壩的沖擊動力響應并進行對比分析．在常規的重力式泥石流攔擋壩基礎上，提出了一種帶鋼支撐的鋼-砼組合式攔擋結構，采用流固耦合分析方法，將CFX與ANSYS相結合，在Workbench運行環境下，對常規的重力壩與新型的帶支撐的攔擋壩進行了數值模擬計算及對比分析，探究了支撐布置范圍、支撐高度、支撐間距等對結構極限抗沖擊承載力的影響及其規律，驗證了新型結構的優越性．任根立[19-20]等針對柔性網變形性好和鋼管混凝土抗沖擊性能良好的優點，提出十字型網狀結構，用來抗擊泥石流災害中的塊石沖擊．利用有限元軟件ANSYS LS-DYNA進行數值模擬，得到該結構在不同沖擊速度、不同沖擊網直徑、不同沖擊物質量和不同沖擊高度條件下的動力響應．張萬澤[21]等利用ANSYS Explicit Dynamics軟件對不同的荷載作用位置下，樁間距、排間距不同的“品”字形樁林結構進行了塊石沖擊下的動力響應模擬和分析，對結果總結分析得出樁間距、樁排間距、荷載作用位置對樁林結構破壞形式的影響．李斌[22]等利用有限元軟件ANSYS對翼墻型攔擋壩在泥石流整體沖擊力作用下進行了數值模擬計算，分析了攔擋壩的變形和受力特征．最后結合攔擋壩的數值模擬計算結果，為保證攔擋壩的長期有效性，對其進行了結構設計優化，研究成果可為相似泥石流防治工程提供借鑒．蘇潔[23]等針對常見的泥石流攔擋結構被沖擊破壞的問題，提出了柔性石籠拱攔截壩新技術．柔性石籠拱以石籠為主要材料，砌筑成拱形，上游面鋪設廢舊輪胎防沖墊層，攔截泥石流．利用ANSYS LS-DYNA軟件，分析了柔性石籠拱結構對泥石流沖擊的動力響應．

2.3 地震中的應用

數值模擬在地震地質災害研究中主要應用于分析應力演化過程，預測地震風險和地震引起的次生災害．尹建華[24]等選取昆明防災減災中心大樓觀測臺陣捕獲的三次中遠場小震記錄作為研究對象，對比ANSYS結構數值模擬和觀測值之間在時程以及譜特性等方面的響應差別，證明了在彈性范圍下二者結果具有較好的一致性．劉振[25]等開發了地應力場模擬自動化系統，將地質建模與地應力求解置于同一個平臺環境下，利用三維地質建模技術構建地下巖體模型，展現地層之間的相互接觸關系，并進行有限元求解得到三維地應力場分布．該系統能夠提高建模效率、降低建模誤差、簡化材料參數設置，從而提高了地應力場建模自動化水平．李夢萍[26]等以地震、地質、測井等資料為基礎，通過構造演化及斷層落差法，分析渤南洼陷斷層的分布及活動特征，為數值模擬提供地質模型．運用ANSYS軟件對渤南洼陷古近紀早中期構造應力場進行有限元數值模擬．

吳立新[27]等基于瑪多地震主震及余震的三維空間分布特征，依據斷層走向與傾角的分段變化構建了江錯斷層的三維精細模型，并顧及GNSS速度場，采用黏彈性本構關系，依據庫侖破裂準則，利用ANSYS有限元計算并分析了江錯斷層面上的應力演化過程．推測巴顏喀拉塊體東南區域可能是未來發震的高風險區．王朝令[28]等采用ANSYS軟件對隧道地震波場進行數值模擬，研究了頻散、阻尼與吸收邊界等數值模擬的相關技術．針對介質吸收，比較了數值模擬中有無阻尼的時間記錄和波場快照，對比了實例中不同網格長度與頻散的關系，最后對隧道地震預報進行了實例計算．算例表明，采用ANSYS軟件可以有效地模擬隧道復雜地質條件下全波場的激發傳播過程．

丁梓逸[29]等基于Drucker-Prager準則，采用有限元強度折減法對地震荷載下土質滑坡的穩定性進行計算，分析了不同地震荷載頻率和幅值對滑坡動態響應特性的影響規律．梁健偉[30]等針對地震作用下的邊坡穩定性分析，基于反應譜理論，提出了一種同時考慮了地震動力特性的動態分析方法，采用ANSYS分析地震作用下的邊坡模態和反應譜，結合FLAC3D計算彈塑性變形下的邊坡穩定性，得出不同工況下邊坡穩定性安全系數．孫峰[31]通過物理模型實驗和數值模擬實驗，分析了在地震荷載作用下不同土體強度抗滑樁支護滑坡的響應過程，利用ANSYS軟件，結合強度折減動力分析法，總結并建立了嵌固深度與土體強度設計值凝聚力、內摩擦角的相互作用計算模型和經驗判別式．汪精河[32]等以成蘭鐵路某山嶺隧道淺埋偏壓段為研究對象，采用ANSYS軟件研究了地震波入射角度對淺埋偏壓隧道地震反應的影響．倪振強[33-34]等以地震作用下的非貫通節理巖質斜坡為研究對象，利用ANSYS軟件建立數值模型．結果表明，地震作用下非貫通節理巖質斜坡的穩定系數受結構面的長度、密度、貫通率、展布方向等因素影響．以汶川地震中的某不穩定斜坡為研究對象，利用ANSYS建立數值模型，研究其地震作用下的動力響應．李鵬[35]等梳理了成層地基非一致地震反應的一維化時域算法和波動輸入理論，完善非一致地震反應場地的三維數值模擬技術，據此建立地基—地下隧道系統縱向動力反應數值模型．通過編制FORTRAN輔助程序并借助有限元軟件ANSYS實現上述動力模型的數值計算技術，數值算例驗證了其精度和有效性．

2.4 火山中的應用

數值模擬在火山地質災害研究中主要應用于演化機制方面．楊少華[36]等構建了二維高精度數值對比模型，在其他因素完全相同的情況下，考察會聚方向的差異對俯沖角度的影響，提出了臺灣—呂宋雙火山弧另一種可能的演化機制，有助于推進對該雙火山弧和該俯沖系統的理解．李振新[37]等總結了地球物理、巖石學和地球化學、數值模擬等常用的研究手段及其適用范圍，探討了巖漿儲庫模型對巖漿過程、火山噴發和地殼生長等科學問題帶來的新的認識和挑戰．馬晗瑞[38]等通過巖石化學分析手段及地球物理數值模擬方法，分析深部構造對長白山火山巖漿起源和深源地震發震機制的影響，認為長白山火山巖漿起源于地幔源區，并與太平洋板塊深部俯沖有關；西太平洋板塊深部脫水，產生陸內火山巖漿；俯沖板塊的深部脫水產生的裂隙（斷裂）可能是長白山區深源地震發震原因，且深源地震與火山作用有一定關聯性．譚忠健[39]等采用有限元數值模擬方法對火山活動引起的巖石熱膨脹裂縫進行定量預測．結合熱力耦合分析火山通道對周緣裂縫發育的影響，確定了火山對井漏風險的影響范圍．盛儉[40]等通過二維熱力學耦合的數值模型對海洋板塊俯沖的動力學過程進行模擬，分析了海洋板塊俯沖對遠離海溝的陸內火山的深部溫壓條件、速度場、巖漿補給量等的影響，探討了太平洋板塊對長白山天池火山活動影響的可能性及方式．段文濤[41]等利用有限元軟件ANSYS WORKBENCH對火山活動巖漿冷卻過程及其對圍巖的熱擾動過程進行了數值模擬，模擬計算了上地殼巖漿房和上中地殼巖漿房兩種情景下長白山天池火山千年大噴發對溫度場的可能影響．

3 結語

地質災害的演化形成、危害及防治研究等一直是學術界的熱點問題．近年來，基于計算機技術發展起來的數值模擬在我國地質災害研究中的各個領域得到廣泛應用，取得了一些重要的成果．數值模擬在滑坡地質災害研究中主要應用在滑坡穩定性分析和破壞機理分析；在泥石流地質災害研究中主要應用于泥石流的運動規律、影響范圍、流攔擋結構和材料的性能研究；在地震地質災害研究中主要應用于分析應力演化過程預測地震風險和地震引起次生災害研究；在火山地質災害研究中主要應用在演化機制方面．基于計算機技術的數值模擬在未來我國地質災害研究中將會發揮重要作用，需要加大相關數值模擬軟件開發力度，以實現高效率的科學研究．

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Application of numerical simulation in geological hazard research in China

WANG Yadong1，2

（1. School of Architecture and Civil Engineering，2.Office of Scientific Research，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

China is one of the countries with the most serious geological disasters in the world，which seriously affects the sustainable development of Chinese economy and society．With the development of science and technology，numerical simulation based on computer technology has been widely used in various fields of geological hazard research in China．Take ANSYS software as an example，mainly reviews the application of numerical simulation technology in landslide，debris flow，earthquake and volcano geological disasters，and believes that numerical simulation will play an important role in the future study of geological disasters in China．It is suggested to strengthen the development of relevant numerical simulation software and models in China to achieve high efficiency scientific research．

geological disaster；numerical simulation；ANSYS software

P694

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.02.014

1007-9831（2024）02-0069-05

2023-09-19

王亞東（1994-），男，內蒙古呼倫貝爾人，研究實習員，碩士，從事地質工程、巖土工程研究．E-mail：374137564@qq.com