用于解析水库水位波动诱发的大规模滑坡水力 - 力学演化的集成 CFD-DEM 框架

《Computers and Geotechnics》：An integrated CFD-DEM framework for resolving the hydromechanical evolution of large-scale landslides induced by reservoir water level fluctuations

　　

摘要 水库水位波动被广泛认为是水库滑坡的关键诱发因素，但其内在驱动机制仍未得到充分理解。本研究提出了一种面向大规模滑坡的综合CFD-DEM框架，以定量表征水库水位波动下的水力-力学演化过程。该框架包含两个核心模块：瞬态渗流模拟和耦合力学分析。渗流模块采用非迭代算法，高效且准确地近似瞬态非饱和渗流场；力学模块则将渗流条件的动态演化纳入颗粒尺度的力学计算。结果表明，滑动体所受的渗流力在瞬态与稳态条件下存在显著差异。通过研究滑坡位移和颗粒键损伤的演化，阐明了控制滑坡变形的滑动带主导区段。此外，通过对拉应力分布、剪切带扩展和破坏后裂纹形态的分析，系统识别了滑坡的破坏模式。所提出的框架为理解水库滑坡的水力-力学过程提供了新的见解，并为库区滑坡灾害的防治提供了科学依据。

引言 水库滑坡已成为大型水利工程区域的一种严重地质灾害，这些工程在防洪、发电、供水和灌溉方面发挥着关键作用。这些滑坡不仅威胁大坝及相关基础设施的结构安全，还通过产生涌浪、堵塞航道和引发次生灾害对周边社区构成重大风险。此类事件的灾难性后果凸显了系统理解水库滑坡的演化特征和形成机制的必要性。

通常，水库滑坡受多种外部因素影响，包括降雨、水位波动、人类活动、地震事件和温度变化。已有研究表明，许多非地震型水库滑坡主要受水库水位波动（RWLFs）控制。RWLFs诱发的滑坡通常经历蓄水和水位下降两个阶段。在蓄水阶段，水位快速上升破坏原位应力平衡，增加边坡饱和度，提高重度，从而增强滑动力。同时，浮力减小潜在滑动面上的有效应力，而长期饱和可能通过软化或泥化削弱岩土体，显著降低抗剪强度。在水位下降阶段，地下水退水滞后于水库水位下降，产生超孔隙水压和渗流力，进一步增加滑动潜力。渗流还可能带走细颗粒，削弱结构完整性。此外，浮力支持的快速丧失和长期干湿循环也会导致强度逐步劣化和边坡稳定性降低。

目前，水库滑坡水力-力学演化的研究主要依赖现场监测、遥感解译、实验室试验和数值模拟，且大多为定性分析。现场监测可在真实水库条件下直接、连续观测边坡变形、地下水位和孔隙水压力。GNSS、测斜仪和渗压计等技术提供高时间分辨率和可靠数据，是预警系统的重要组成部分。然而，这些方法通常成本高昂、空间有限，且需要长期维护。遥感解译可实现滑坡变形的大尺度长期监测，对于识别缓慢滑动体和不可到达区域尤为有效。尽管覆盖范围广且经济高效，但遥感可能受大气干扰、植被覆盖以及相对于地面监测较低的时间分辨率等限制。实验室试验可受控研究滑动体的水力特性和力学特性。通过三轴试验、直剪试验和渗透试验，研究者可以更好地理解岩土体在不同应力和饱和条件下的行为。虽然实验室试验提供了基本机制的宝贵见解，但可能无法完全复制复杂的现场条件，导致尺度效应和边界效应。数值模拟是整合滑坡分析中地质、水文和力学因素的有力工具。有限元建模（FEM）和离散元建模（DEM）等方法可模拟RWLFs下水库滑坡的演化。相比之下，数值方法更加灵活、高效和经济，可从宏观和微观角度对水库滑坡的水力-力学演化过程和诱发机制进行全时间尺度解释。

尽管许多研究已从数值上揭示了RWLFs影响下的滑坡演化，但仍存在一些显著局限性。首先，快速RWLFs可在滑动体中诱发明显的瞬态渗流场。这些场的时空演化及其与岩土颗粒相互作用的时间对控制滑坡发展起着关键作用。然而，许多现有研究通过假设稳态条件来简化这一本质上时变的过程。这种简化可能掩盖了关键的瞬态效应，从而在数值预测和滑坡实际过程之间引入显著差异。其次，滑动体中的渗流场通常涉及自由面，这构成一个先验未知的边界，其位置和几何形状无法预先规定。虽然对于稳态条件下的非饱和渗流问题已有成熟的求解策略，但在瞬态背景下情况变得相当复杂。特别是，自由面的动态演化与边界条件的指定强烈耦合，使得非饱和渗流边界的确定高度复杂，并大幅增加数值计算成本。

本研究以中国三峡库区的磨基沟滑坡为原型，专注于开发一种显式纳入时间维度的非迭代算法，以高效模拟瞬态非饱和渗流。所提出的方法可在保持高计算效率的同时，确保瞬态条件下非饱和渗流场表征的准确性。通过将演化的水头场与滑坡DEM模型以时间步进方式耦合，本研究进一步探讨了瞬态渗流在RWLFs响应下控制滑坡变形时空演化中的作用。最终目标是系统揭示滑坡的水力-力学演化，并阐明RWLFs诱发失稳的内在机制。

分节摘录 磨基沟滑坡概述 磨基沟滑坡位于湖北省秭归县三峡库区内支流下关河左岸，与千江坪滑坡隔长江相望，相距约10公里。该滑坡是典型的RWLFs诱发顺层滑坡，自2003年三峡水库首次蓄水至135米后开始出现明显变形。

数值模型 本研究以磨基沟滑坡为原型开发了基于DEM的数值模型，在模型中仅保留了原型的特征，原因如下。首先，本研究的主要目标是提出一种综合方法框架，而非进行特定案例研究。其次，有意识地对某些模型构型进行了简化或修改，以强调RWLFs的影响。第三，磨基沟滑坡是…

所提非饱和渗流模拟方法的验证 为验证所提方法对非饱和渗流问题的有效性，进行了三项对比研究或敏感性分析。第一个案例考虑的是被广泛引用的通过均质矩形坝渗流的基准问题。坝高10米，宽5米，上下游水位分别为10米和2米。采用恒定渗透系数k = 1.0 × 10?? m/s。传统迭代方法…

讨论 本研究提出了一种综合CFD-DEM框架，以研究RWLFs诱发的大规模水库滑坡的水力-力学演化，特别关注瞬态渗流在滑动体中的作用。基于数值模拟和理论分析，给出以下讨论：（1）剧烈RWLFs可产生持续超孔隙水压力，在后续波动发生前未能完全 dissipate，导致…

局限性 所提出的框架主要用于研究RWLFs驱动的水库滑坡演化机制，而非预测滑坡变形或破坏。目前有几个因素限制其预测能力。首先，大型滑坡预测模拟所需的高密度、高精度地质、水文和力学参数的获取在实际工程应用中仍然成本高昂且富有挑战性。

结论 本研究探讨了RWLFs诱发的瞬态渗流对水头分布和水库滑坡演化过程的影响。取得了两项主要创新。首先，通过合理耦合时间维度，提出了一种解决瞬态非饱和渗流问题的实用策略。其次，系统揭示了瞬态渗流控制水库滑坡演化过程的机制。主要发现是…

CRediT作者贡献声明 李天政：撰写——初稿、方法论、概念化。龚文平：撰写——审阅与编辑、验证。李正伟：验证、调查。唐怀明：监督、项目管理。李学涛：调查、数据整理。

利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本论文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢 本研究得到中国国家自然科学基金（项目编号：42477149）和中国湖北省自然科学基金（项目编号：2024AFB688）的资助。作者还衷心感谢美国辛辛那提大学的王磊博士及其所属机构在本研究工作的方法论和数值模拟实施过程中提供的宝贵协助。

李天政 | 龚文平 | 李正伟 | 唐怀明 | 李学涛 中国地质大学（武汉）工程学院，中国湖北武汉 430074