离散元模拟滑坡：可侵蚀斜坡上黏聚性卷入型滑坡流动性与质量卷入对等效粒径的依赖性

《Computers and Geotechnics》：Discrete element modeling of landslides: Equivalent particle-size dependence of mobility and mass entrainment on erodible slopes

　　

颗粒尺寸是控制滑坡流动性的重要因素，尤其在考虑质量卷入时。然而，场地尺度离散元方法（DEM）模拟无法显式分辨单个土粒，需采用大得多的等效颗粒作为坡体材料的粗粒化表征。等效粒径如何影响真实地形上黏聚性、卷入型滑坡的流动性，仍理解不足。为填补此空白，研究人员以2016年阿苏大桥滑坡为真实地形参考案例，将整个斜坡表示为黏聚性胶结颗粒介质，使初始稳定坡体材料可发生破坏、被卷入并贡献于运动质量。基于此可侵蚀斜坡框架，研究人员采用三种等效粒径开展受控虚拟滑坡试验。模拟表明：等效粒径较小的模型产生更长滑距、更宽铺展和显著质量卷入；以2 m滑距判据计，最小粒径模型的卷入质量与释放质量之比超过45%。增强的流动性在初始释放质量与卷入质量中均存在，并伴随更高的瞬态能量转化比与更宽的颗粒滑距分布。观测到的等效粒径依赖性与理想无黏性颗粒流中报道的粒径依赖流动性在定性上一致，将此类尺寸依赖流动性的认识扩展至以可侵蚀真实地形表征的黏聚性、卷入型滑坡系统。这些发现表明，等效DEM粒径是强烈影响模拟滑坡流动性、质量卷入与能量转化的基本建模参数。

研究背景与立项依据

滑坡是重力作用下岩土体沿坡面向下的运动，常由强降雨或地震动触发，兼具地貌过程与重大地质灾害双重属性。2016年熊本地震序列触发的阿苏大桥滑坡造成国道57号与325号断联、JR丰肥本线损毁，重建历时数年，是评估复杂地形滑坡危险度的典型实例。传统连续介质框架（Savage–Hutter类深度平均模型、有限差分/体积/元方法、光滑粒子流体动力学SPH、物质点法MPM）依赖连续性假设与均质化本构或经验闭包，难以刻画粒级效应、局部化破坏与卷入过程。离散元方法（DEM）通过颗粒间相互作用律可分辨粒级运动与大变形自由面，引入黏聚胶结键后能将完整坡体与破坏体统一为胶结颗粒集合，使坡体从“规定边界”转为可屈服、可动员的主动力学部分。已有场地尺度DEM滑坡研究多采用米级等效粒径以求计算可行，却未系统考察等效粒径这一基本建模参数的影响；同时实验室无黏性颗粒雪崩研究已证实物理粒径越小流动性越强，但该规律能否推广至真实地形上黏聚性、可侵蚀、卷入型滑坡尚属空白。论文发表于《Computers and Geotechnics》，旨在以阿苏大桥滑坡为数据丰富参考案例，系统量化等效粒径对黏聚性卷入型滑坡流动性、质量卷入与能量转化的控制。

主要技术方法概括

研究人员沿用前期提出的DEM×DEM几何构建策略：以数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）定义地形，用周期颗粒（PG）盒预堆积松弛生成稳定装填，将PG盒胶接拼装并裁剪匹配阿苏大桥滑坡真实地形，形成可侵蚀黏聚颗粒斜坡；斜坡内部以Hertz–Mindlin接触叠加密集粒间黏聚力表征，初始冠部失效区设为释放质量，周围及下伏坡体为可卷入体，下卧更强基岩作底界。基于该框架，研究人员在保持释放体积与材料宏观属性近似一致下，设置三种等效粒径开展受控虚拟滑坡试验，并以2 m滑距判据区分释放/卷入质量，配套数值三轴试验标定胶结参数，从滑距、铺展、侵蚀沉积、质量比、瞬态能量转化比与颗粒滑距分布多维度统计。

研究结果

1. 1.
   Introduction
   综述连续介质与DEM两类范式差异，指出场地DEM因计算限制必须用等效粒径替代天然土粒，而等效粒径在现有文献中多被当作数值分辨率而非具物理意义的建模参数；同时指出质量卷入在连续模型中靠经验公式植入，DEM有望从粒级力学自发涌现，但既有真实地形DEM滑坡常把坡体作刚性边界，阻碍释放—坡体间质量动量交换。由此引出科学问题：实验室无黏性颗粒的粒径依赖流动性，是否在场地尺度黏聚性可侵蚀卷入型DEM滑坡中同样出现。
2. 2.
   Aso Bridge landslide
   阿苏大桥滑坡具清晰分区、层状火山岩组构、低地下水位与震前无暴雨特征，冠部主失效区体积约2.5×10⁵ m³、下部次失效区约1.9×10⁵ m³，总位移体超5×10⁵ m³，最大侵蚀深超20 m；现场勘测与钻孔资料支持将其概念化为“冠部局部释放质量+下伏强基岩+周围可侵蚀黏聚颗粒介质”的设置，为隔离初始释放质量与后续卷入提供自然原型。
3. 3.
   DEM-based model framework
   3.1 DEM×DEM geometry modeling
   采用PG盒拼装—裁剪法从真实DEM地形生成可侵蚀胶结斜坡，周期边界条件满足P(x,y,z)=P(x+l₀,y,z)=P(x,y+l₀,z)=P(x,y,z+l₀)，使等效粒径变化时不改变地形宏观几何，仅改变颗粒分辨率。
   （其余3.2–3.3节在原文档未完整给出，按原文已载部分仅确认：框架含Hertz–Mindlin+黏聚接触力、模拟域分区、数值三轴约束胶结参数三要素。）

讨论与结论翻译

讨论指出，场地DEM中放大的等效颗粒虽源于粗粒化思想，但既有滑坡研究未将其纳入保留宏观响应的粗粒化策略，而多按计算可行选取，导致等效粒径长期被误读为纯数值分辨率。本研究证明等效粒径强烈调控滑距、铺展宽度、卷入质量比与瞬态能量转化，且趋势与实验室无黏性颗粒流粒径效应定性一致，说明“粒径依赖流动性”可从理想无黏性斜坡推广至真实地形黏聚性可侵蚀卷入系统。结论如下：等效DEM粒径是场地尺度滑坡模拟的基本建模参数而非中性分辨率；较小等效粒径产生更长滑距、更宽铺展、超45%（2 m判据）的卷入/释放质量比及更高能量转化；该依赖性与理想无黏性颗粒流定性相符，扩展了粒径—流动性关系在黏聚卷入真实地形系统的适用边界；未来需发展显式顾及等效粒径效应的物理粗粒化方法，方能将DEM滑坡结果用于定量危险度评估。