水下隧道坍塌-涌水链式灾害建模的DDA-MPM耦合方法

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：A coupled DDA-MPM method for the collapse-water inrush chain disaster modeling in underwater tunnels

　　

本研究开发了一种耦合方法来模拟隧道灾害中的流-固相互作用。该方法能够准确捕捉岩块运动、流体演化及其动态相互作用。模拟揭示了水下隧道中从岩体坍塌到突水的链式机制。本工作为类似灾害的预警与防治提供了理论基础。

**引言**

在岩土工程项目（如隧道和边坡）的施工过程中，地下水和地表水的出现与运动是不可避免的（Li等，2025；Wang等，2026）。这些水体会软化和机械扰动岩土体的强度，从而引发典型的流-固耦合成灾机制，如突水（Li等，2016）、滑坡（Fan等，2020）和溃坝（Azeez等，2020），如图1所示。在隧道工程中，开挖卸荷破坏了岩体原有的自稳状态，这种扰动容易引发围岩坍塌和渗流通道的发育，最终可能演变为突水灾害（Song等，2026；Fan等，2025a）。流-固耦合灾害的发生与演化涉及流体、岩体与结构体之间复杂的相互作用。传统的理论方法和室内模型试验在揭示这些灾害的全貌机制方面能力有限（Li等，2022；Gao等，2025a；Lu等，2026a）。相比之下，数值模拟方法能够有效处理岩土体中的非线性、非均质性和多场耦合等复杂问题，因此已成为研究流-固耦合灾害的重要工具（Liu等，2026；Chen和Chen等，2024；Li等，2026；Lu等，2026b）。因此，能够准确描述流-固耦合并揭示岩体坍塌与突水链式演化过程的数值方法，对隧道安全施工的理论研究和工程实践均具有重要意义。

目前，学者们利用各种数值方法对隧道突水灾害中的流-固耦合问题进行了深入的研究，包括离散元方法（DEM）、光滑粒子流体动力学（SPH）和近场动力学（PD）。例如，Xia等（2024）利用SPH方法开发了连续-不连续变形的模拟框架，评估了不同防排水岩层厚度对突水过程的影响。其结果表明，流体黏度的增加会使隧道掌子面前的岩体从局部破裂演变为完全破坏。Xie等（2026）依托宁南隧道工程，利用DEM分析了不同涌水条件下的岩水相互作用机制，阐明了开挖参数和注浆加固对涌水过程的影响，指出开挖高度对突水灾害的敏感性高于开挖跨度。Gao等（2021）基于近场动力学方法研究了水压和溶洞尺寸对突水通道形成的影响，揭示了不同工况下的通道形态演化和岩体损伤特征。Zhang等（2022）以朱家山煤矿为背景，采用RFPA方法模拟了矿井突水过程中煤岩破裂、应力重分布和渗流演化规律，评估了施工期间的突水风险。然而，上述研究大多采用单一数值方法独立分析突水过程中的岩体破裂或涌水现象。尽管各自具有优势，但这些方法在模拟完整突水灾难过程时均存在固有的局限性。SPH适用于大变形流体流动，但在固体破裂和接触动力学方面表现不足；DEM擅长颗粒尺度相互作用，但计算代价高昂，且流体耦合依赖经验阻力模型；PD能够捕捉自发裂纹扩展，但不能本征地考虑流体流动或流体对固体的诱导压力。因此，现有的大多数研究将岩体破裂和涌水分开分析，未能表征固相与液相之间的动态双向耦合。

通过耦合多种数值方法，研究人员系统地研究了隧道突水事件中水流与岩体破坏的双向流-固耦合模拟，取得了一系列重要突破（Zhang等，2026）。例如，Cao等（2025）采用CFD-DEM耦合方法模拟了不同水位条件下弱胶结砂岩的突水，揭示了地下水水位变化对突水演化和岩体变形的影响机制，为隧道施工安全控制提供了理论支持。Wang等（2020a）开发了FEM-SPH耦合模型来模拟爆破扰动下的流-固相互作用，利用该模型模拟了隧道掌子面失稳和涌水过程。研究发现，爆破振动加速了突水通道的形成，模型预测与现场实测吻合良好。Wang等（2020b）进一步提出了基于浸没体-谱元法（IB-SEM）的流-固耦合模拟框架，建立了高水压条件下的破裂岩体隧道模型，实现了突水和围岩坍塌的耦合模拟。他们系统探索了水压变化对岩体稳定性的影响，揭示了块体失稳与突水之间的内在相互反馈机制。尽管上述方法在模拟岩体破坏和变形方面取得了良好效果，但目前的研究大多集中在岩体失稳的初始阶段，对于岩体破坏后的大规模运动过程及其与流体的动态相互作用仍缺乏有效表征，这限制了对突水灾害全过程演化机制的深入理解。

在模拟不稳定岩体运动时，研究人员目前主要依赖两种方法：非连续变形分析（DDA）和B-DEM。其中，由于DDA在处理岩体大变形和大位移方面的优势，它在隧道、边坡和坝体等工程领域的岩体失稳模拟中得到了广泛应用，其可靠性和精度已得到充分验证。近年来，学者们基于DDA开发了不同的耦合方法，对隧道突水诱发的岩体失稳过程进行了模拟研究，取得了一系列进展。例如，Gao等（2025b）将原始DDA扩展，开发了HM-DDA流-固耦合方法，并将其应用于模拟永利隧道施工过程中的整个突水和岩体失稳过程。作者进一步研究了防排水岩层厚度、原地应力和水压对岩体稳定性的影响，并通过现场实测验证了该方法。Fan等（2023）采用二维DDA-SPH流-固耦合方法模拟了含裂隙岩体隧道穿越富水断层时的突水和围岩坍塌过程，确定了防排水岩层的最小安全厚度，为隧道施工安全控制提供了理论基础。Peng等（2022）将研究进一步扩展到三维空间，采用三维DDA-SPH耦合流-固方法建立了数值模型，模拟了节理岩体中隧道开挖的突水过程，并系统研究了水压、防排水岩层厚度和排水口位置对突水行为和岩体稳定性的影响。这些发现为隧道中突水和岩块坍塌灾害的防治提供了重要的理论依据。然而，在上述基于DDA的流-固耦合研究中，通常采用SPH方法模拟流体运动过程，该方法在计算精度和边界处理方面仍存在一定局限性。特别是在高梯度压力场或复杂裂隙流动条件下，容易出现颗粒分布不均和数值耗散等问题，影响流-固耦合界面的动量交换精度和模拟的整体可靠性。

为了克服上述局限性，Sulsky等（1994）提出了物质点法（MPM）。该方法融合了拉格朗日和欧拉方法的优点，避免了网格畸变，并能高效处理接触和大变形问题。MPM在岩土灾害场景模拟中展现了独特优势，逐渐成为研究流-固耦合灾难过程的重要工具。在此基础上，Fan等（2025b；2026）先后分别开发了用于流-结构相互作用和土-结构相互作用的三维DDA-MPM耦合方法。Kang等（2026）在同一框架内进一步提出了显式三维DDA-MPM耦合方法。然而，由于三维方法计算效率相对较低，其在大尺度高分辨率分析中的应用仍面临挑战。为解决这一问题，Kawano和Hashimoto（2023）建立了二维DDA-MPM耦合方法，并模拟了地震荷载下土-结构体系的动态响应特性。Wu等（2025）采用该耦合方法研究了碎石含量对土岩混合边坡稳定性的影响。然而，需要注意的是，现有的二维DDA-MPM耦合研究主要集中在土-结构相互作用方面，尚无将其应用于流-结构相互作用问题的报道。

因此，本文基于DDA-MPM耦合方法开发了一种流-结构相互作用数值方法，系统研究了水下隧道中围岩坍塌与突水灾害的链式机制。首先，建立了模拟弱可压缩牛顿流体的MPM方法，并利用罚弹簧法计算流体与岩块之间的接触力，实现了DDA与MPM之间的双向耦合。随后，通过岩块坍塌、溃坝和造波等典型试验对该耦合方法进行了系统验证。所提出的DDA-MPM方法不仅能够捕捉岩块运动和流体演化，还能捕捉它们之间的相互相互作用，达到了单一数值方法无法达到的精度水平。最后，以石景山隧道突水事故为工程背景，将该耦合方法应用于分析隧道施工引起的围岩坍塌和突水。研究揭示了岩体失稳和坍塌的时空演化机制、突水通道的形成以及水在隧道网络中的迁移过程。研究表明，隧道开挖卸荷导致风化带岩体整体失稳坍塌，形成了水库与隧道之间的连通通道，随后引发了突水及其向相邻隧道的扩散。本研究证实，所提出的方法能够有效地模拟流-结构相互作用灾害问题，从而为类似工程灾害的早期检测、预防和治理奠定了理论基础。

**DDA基本原理**

基于严格的数学和力学假设，由石根华提出的DDA方法是一种不连续计算方法，用于模拟块体系统的运动和变形，在工程应用中取得了相当大的成功（Shi和Goodman，1985；Zhang和Zhang等，2024a）。DDA方法以可变形多边形块体作为基本单元，每个单元的自变量包括刚体位移和弹性应变。计算基于……

**DDA：隧道坍塌**

尽管标准DDA方法的精度已在许多先前的研究中得到验证，但这些验证大多基于仅涉及两个或少量块体的简单案例。为验证DDA处理具有大量块体和密集块间接触与相互作用的复杂系统的能力，基于Li等（2024）的实验结果，建立了计算模型以评估DDA在模拟块体运动方面的性能，如图3所示。该……

**工程背景**

石景山隧道是广东省珠海市香洲区兴业高速公路南段第一段的控制性工程。该隧道起于九州大道与建业一路交叉口，向北延伸，以双洞六车道隧道的形式穿越石景山山体。单洞断面轮廓面积约为166平方米。2021年7月15日，石景山隧道施工过程中发生了突水事故……

**讨论**

本研究提出的DDA-MPM耦合方法在处理涉及破裂岩体和流体相互作用的工程问题时展现了良好的适用性。

然而，在应用该方法时，某些前提条件和局限性应当予以说明。(1)适用条件：该方法适用于以大块体位移和流体驱动失稳为主导的工程场景，如隧道突水、水库边坡滑坡和泥石流等。在应用之前，结论本文提出了一种用于流固交互问题的DDA-MPM流固耦合方法，其模拟块体运动、流体运动及其相互作用的精度通过与已有实验结果对比得到了验证。最后，将该耦合方法用于研究水库下方穿越隧道的围岩坍塌与突水灾害链机制，分析了灾害过程中块体与水的迁移过程及相互作用机制。CRediT作者贡献声明：樊红运：撰写初稿、验证、软件、方法论。李丽萍：审阅与编辑、监督、获取经费。刘洪亮：可视化、资源、调查。高鑫：获取经费、构思。利益冲突声明：作者声明不存在已知的财务利益冲突或可能影响本文所报告工作的个人关系。致谢：本研究受到国家自然科学基金委国家重大科学仪器设备开发项目（52527813）和国家自然科学基金委（52579106）的资助，作者对此致以衷心感谢。樊红运 | 李丽萍 | 刘洪亮 | 高鑫