基于DDA-SPH方法的强风化边坡滑坡破坏后分析

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Post-failure analysis of landslide in strongly weathered slopes using the DDA-SPH method

　　

本研究提出了一种基于非连续变形分析（DDA）-光滑粒子流体动力学（SPH）耦合方法的新型强风化边坡（SWS）数值模型，用于模拟强风化边坡。该模型被用于一个典型滑坡的破坏后分析，以验证其有效性。该地质驱动的模型通过一种深度分层的非均匀Voronoi剖分算法，结合梯度控制的块体溶解技术，引入了依赖于深度的风化参数，从而生成了受深度约束的岩块组合和受风化控制的节理。通过使用DDA方法模拟不规则岩块，并使用SPH方法模拟土体组分，该数值模型在强风化边坡中建立了“残积土-土石混合体-基岩”的分层结构。通过东河口滑坡案例的验证表明，该SWS模型成功复现了具有“后缘拉裂-前缘剪切破坏”特征的边坡破坏模式及层间差异动力学特性。模拟进一步揭示了一种能量驱动的碎屑物质分选机制。与传统的均匀模型相比，受风化梯度控制的SWS模型在表征SWS的失稳发展、破坏模式、运动行为和滑坡堆积形态方面表现出更高的准确性，并与现场观测保持更好的一致性。这项研究为理解风化边坡系统的灾害机制提供了参考。

本研究旨在解决强风化边坡（SWS）数值模拟中的核心科学挑战，即其作为多物理场耦合系统的复杂本质。强风化边坡广泛分布于中国西南地区，其内部发育有“残积土-土石混合体（SRM）-基岩”的三层结构体系。在强震作用下，岩体风化导致的节理发育易形成贯通破坏面，是诱发地震滑坡灾害的主要原因之一，对区域工程抗震设防和防灾构成了重大挑战。传统的数值方法，如有限元法（FEM）、离散元法（DEM）和物质点法（MPM），在全面捕捉多相介质的复杂力学行为及其相互作用方面存在固有局限。虽然耦合数值方法（如FDEM、MPM-DEM、DDA-SPH）为土石混合体建模提供了解决方案，但现有DDA-SPH框架在应用于强风化边坡时仍面临两大基本制约：缺乏风化特征的参数化表征，以及将岩体风化和土体退化视为解耦过程，忽略了它们在边坡失稳过程中的协同效应。
为填补上述研究空白，研究人员通过引入三项地质驱动增强，提出了一种基于DDA-SPH框架的强风化边坡数值模型。这项研究以2008年中国汶川地震触发的东河口滑坡这一典型强风化边坡破坏案例为对象，利用该模型进行了数值模拟。研究结论表明，所提出的SWS模型能够有效捕捉强风化边坡失稳的动态耦合特征，并成功复现了后缘拉裂、前缘剪切破坏等关键机制。与传统均匀模型相比，该模型能够更精确地表征与边坡失稳、破坏机制、运动模式及碎屑物堆积相关的动态过程。通过深度分层Voronoi图和梯度溶解算法的结合，SWS模型动态表征了块体尺寸和节理开度随深度的衰减特征。结合DDA-SPH框架的自适应土-岩接触力学，解决了风化界面过渡带的多尺度耦合挑战。对滑坡体不同深度位置的动能-势能转换比（K/P）的分析，建立了能量动力学与边坡运动之间的定量联系，从能量角度阐明了强风化边坡中块体的相互作用机制和推移式滑动机制。此外，此类滑坡的碎屑堆积表现出能量驱动的分选特征。该研究通过SWS模型，为理解强风化边坡系统的灾害机制提供了解析视角，但模型简化了岩石风化特征的表征，优先考虑埋深变化而非岩性差异，尽管在复现东河口滑坡过程和堆积形态方面存在可观察的偏差，但这种旨在提升计算效率的简化，成功实现了对强风化边坡灾害演化趋势的快速评估。
关键技术方法可概括为：研究人员基于中国汶川地震触发的东河口滑坡案例，构建了一个包含“残积土-土石混合体-基岩”三层结构的数值模型。模型构建采用了三项核心技术：一是深度分层非均匀Voronoi离散化算法，通过深度依赖的节理密度梯度将现场观测到的风化模式编码到离散元集合中；二是梯度控制块体溶解技术，模拟风化引起的节理开度和块体尺寸随深度的衰减；三是DDA-SPH耦合框架，其中DDA用于模拟不规则岩块的动力学，SPH用于模拟土体连续介质的流变，两者通过惩罚弹簧模型实现块体-粒子间的接触力学传递。模型的材料参数和风化特征参数（α, β, γ, H, r）主要依据地质勘察数据和实验室测试结果进行标定。
研究结果部分，首先介绍了SWS模型的构建原理。该模型通过引入五个风化特征表征系数（α, β, γ, H, r）来刻画风化特征。其中H为最大风化深度，r为表面基本溶解系数，可通过地质调查数据直接获取。网格控制参数（α, β, γ）则需要根据具体风化条件和模型尺度确定。构建过程包括四个步骤：基于现场数据建立剖面数字模型；确定特征风化参数；构建连续非均匀Voronoi网格；最后用DDA模拟块体，用SPH粒子填充节理，形成集成数值表征。
接着介绍了SWS的深度分层预处理技术。该技术提出了一种通过风化梯度参数化实现的降维建模框架。通过定义一个传递函数f(h)将风化强度与网格密度相关联，该函数可自适应地在风化敏感区域（近地表）进行网格加密。算法流程首先确定所有网格边的长度，然后应用传递因子建立目标边长，通过计算位移向量来优化非均匀Voronoi单元的形态，使模型更接近现场观测的岩块尺寸分布。
在风化节理传播模拟方面，研究人员实现了梯度溶解技术。该技术将岩块尺寸的减小参数化为上覆埋深（h）的函数，通过从地表向下逐步缩放块体尺寸，再现了长期风化作用形成的宏观节理网络。具体而言，首先根据地质调查数据确定风化深度H和块体尺寸分布，然后分析近地表网格尺寸与实测岩块尺寸的相关性，得到表面溶解比例系数r。在临界风化深度H处，溶解系数约束为rH=1，中间深度的溶解系数通过线性插值得到，最终沿风化剖面实现梯度溶解。
SWS数值模型的风化参数分析部分，研究人员构建了一个直径20米的标准化半圆模型，通过设计四组对比模型实验，系统研究了风化特征参数（α, β, γ）对模型网格形态演化的影响。结果表明：γ值增加会导致初始点密度降低，整体网格尺寸增大；α参数控制网格细化区域的范围；β参数则控制网格尺寸差异的程度。参数选择需避免α远小于或远大于βh_max的极端情况，以确保合理的网格稀疏性。
在东河口滑坡的数值模拟应用中，研究人员根据地质勘察确定了模型的风化系数（H=40m，α=2.5，β=0.12，γ=3.5，r=0.35），并采用了青平监测站的地震动记录作为输入。模拟结果再现了滑坡体的运动行为。在形态特征方面，模型成功复现了“后缘拉裂-前缘剪切破坏”的破坏模式，并揭示了堆积体的垂直分层和横向分选特征：上层主要由坡面残积土组成，运移距离较远；中层为大小混杂的岩土混合体；底层则以中大型岩块为主，沉积于近场区域，这验证了能量驱动的分选机制。
在运动演化与能量转换动力学方面，通过对不同深度监测点的速度-时间曲线和动能-势能比（K/P）-时间曲线的分析发现：滑坡启动后约18秒，坡体失稳；破坏初期，浅表层土壤发生液化，随后发生剪切破坏。速度增长在25秒后出现分化，靠近坡顶的块体速度增长率下降，K/P比值降低，表明势能向动能的转换效率下降，存在显著的动能损失。基底监测点的K/P比值甚至超过1，证实了滑坡的推移式特征。水平位移数据表明，总位移一般从滑坡前缘向坡顶方向减小，这与块体尺寸和运移距离的负相关关系一致，进一步验证了能量驱动分选机制。
讨论部分，研究人员将所提出的SWS模型与已有的单相连续或非连续方法进行了对比验证。与常规独立的DEM/DDA模型相比，该模型在三个关键方面显著提升了模拟准确性：一是捕捉了多层运动分异特性，体现了强风化边坡的垂直分层差异破坏；二是实现了风化控制的破坏传播，通过深度依赖的几何参数动态调节土-岩相互作用力；三是揭示了能量驱动的滑坡机制。与嵌入式不连续有限元法（E-FEM）相比，DDA-SPH方法在模拟破坏后的大变形、块体分离、流动-抛射-沉积等瞬态灾害过程方面具有显著优势。同时，研究人员也指出了模型的局限性，包括简化了风化强度随深度线性衰减的表征、忽略了岩性特异性风化敏感性和风化节理的非线性传播，以及风化系数的确定高度依赖现场勘察精度。
研究结论部分翻译如下：本研究利用DDA-SPH方法为强风化边坡构建了一个数值模型。通过整合深度依赖的非均匀Voronoi图和梯度溶解技术，将该模型应用于滑坡运动学研究。基于东河口滑坡案例，主要结论如下：（1）SWS模型有效捕捉了强风化边坡破坏的动态耦合特性，并成功复现了后缘拉裂、前缘冲击堆积等关键机制。与传统均匀模型相比，它能够更精确地表征与边坡失稳、破坏机制、运动模式及碎屑物堆积相关的动态过程。（2）通过深度分层Voronoi图和梯度溶解算法的结合，SWS模型动态表征了块体尺寸和节理开度随深度的衰减特征。结合DDA-SPH框架的自适应土-岩接触力学，解决了风化界面过渡带的多尺度耦合挑战。（3）对滑坡体不同深度位置的动能-势能转换比（K/P）的分析，建立了能量动力学与边坡运动之间的定量联系。研究结果阐明了强风化边坡中块体的相互作用机制，并从能量角度解释了推移式滑动机制。此外，此类滑坡的碎屑堆积表现出能量驱动的分选特征。