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摘要：本文通过基于流固耦合方式的模拟计算，模拟了西南某地区的泥石流起动及冲击过程，模拟了对拦沙坝的冲击，并计算了冲击荷载的过程及状态，为泥石流的起动研究及拦沙坝的防治设计提供一定的参考。
工程概况介绍
本工程研究的泥石流发生地位于西南四川省某县，属“5.12”大地震及重灾区。“5.12”特大地震对该地区造成了较大的人员伤亡和经济财产损失，同时还诱发了为数较多的崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害[1]。受5.12地震影响，流域内新发生了大量的崩滑等不良地质现象和次生地质灾害，松散固体物源增多，泥石流易发程度提高，危险性加剧，5.12地震期过后，沟口段曾安置了大量的村民住户，是该地区震后重大地质灾害隐患点之一。
该流域地形总体上属深切割构造侵蚀低山和中山地形，流域内总体上地形陡峻，地形临空条件发育，为流域内崩塌、滑坡、不稳定斜坡等不良地质现象的发育以及泥石流松散固体物源的汇集提供了有利条件[2]。
数值模拟计算方法
本章主要是通过流固耦合的数值模拟方法来模拟泥石流的起动过程，主要选取的是ADINA有限元仿真模拟软件对泥石流的起动过程进行耦合模拟分析。在模拟分析的过程中对于流体部分又使用了液体和气体多相流的VOF计算模拟方法;对于固体（石块及边坡）又引入了固体动力的隐式分析及接触算法;最后通过双向流固耦合FSI（fluid-structure interaction）将二者耦合迭代计算，最终实现对泥石流起动过程中水流与石块以及空气相互作用及合成运动的模拟[3]。
VOF法是一种通过界面捕捉来处理不相容多种液体混合流动问题的方法;其基本原理是研究网格单元中流体和网格的体积比函数F来确定不同流体的界面，追踪流体的变化，若F=1，则该单元全部为指定相流体所占据;若F = 0，则该单元为非指定相流体;当0 <F <1时，则该单元为交界面单元。在VOF方法中，不同的流体具有相同的动量方程，可以通过求解一个标量化的运输方程，从而实现对区域内各种流体流动的计算。
标量运输方程：
其中是速度向量，是第种流体所占的体积分数，n是除流体外附加流体的总数。
混合流体区域的材料参数用各种流体的加权平均值来估算：
主流体的质量比重为
壁面支持力和表面张力是通过连续表面作用力模型来模拟的，该模型将表面力处理为一个体积力，而每个单元体上的体积力可以使用以下的公式计算：
其中是流体和之间的表面张力系数，
在边界上定义角度条件，表示边界外的法向和两种不相容流体界面法向之间的夹角（从流体指向流体）
泥石流对拦沙坝的冲击荷载模拟
本节对泥石流冲击荷载的模拟主要采用的是VOF外加流固双向耦合法进行模拟计算的;泥石流采用类似水体的流体单元，在其流经坡面之后对下游的坝体进行冲击，而坝体所受的反作用力及为泥石流的冲击力。
其计算模型如图1-1所示：
基于以流固耦合分析可以得到如图1-2～3的计算结果：
基于以上流固耦合的计算结果，可以提取坝体前端迎水面的坝顶、坝中、坝踵三个节点的流体反力数据作为泥石流的冲击荷载，其具体数值如图1-4所示：
以上三点的沖击力时间函数可以很好的说明冲击力到达拦砂坝时，拦砂坝的受力情况，由于梯形的坝型，坝踵前凸，导致坝踵受力较大而坝顶受力相对较小，同时从三者的受力时间函数可以看出冲击荷载在泥石流冲击到达坝体1s之后出现冲击力的最大值，随着时间的推移冲击力逐渐减小直至逐渐消散。因此坝体最不利荷载可以选取为推力荷载的峰值，选取该时间点的荷载可作为拦沙坝受力分析计算提供重要的理论依据和计算方法。
参考文献
[1]贺拿，陈宁生，曾超. 泥石流起动机理研究现状及趋势[J].灾害学，2013，28（ 1） ： 121 - 125.
[2]唐川，李为乐，丁军，等.汶川震区映秀镇“8. 14”特大泥石流灾害调查[J]. 中国地质大学学报： 地球科学，2011，36 （ 1） ： 172 - 180.
[3]戚国庆，黄润秋. 泥石流成因机理的非饱和土力学理论研究[J]. 中国地质灾害与防治学报，2003，14（ 3） ： 12 - 15.
工程概况介绍
本工程研究的泥石流发生地位于西南四川省某县，属“5.12”大地震及重灾区。“5.12”特大地震对该地区造成了较大的人员伤亡和经济财产损失，同时还诱发了为数较多的崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害[1]。受5.12地震影响，流域内新发生了大量的崩滑等不良地质现象和次生地质灾害，松散固体物源增多，泥石流易发程度提高，危险性加剧，5.12地震期过后，沟口段曾安置了大量的村民住户，是该地区震后重大地质灾害隐患点之一。
该流域地形总体上属深切割构造侵蚀低山和中山地形，流域内总体上地形陡峻，地形临空条件发育，为流域内崩塌、滑坡、不稳定斜坡等不良地质现象的发育以及泥石流松散固体物源的汇集提供了有利条件[2]。
数值模拟计算方法
本章主要是通过流固耦合的数值模拟方法来模拟泥石流的起动过程，主要选取的是ADINA有限元仿真模拟软件对泥石流的起动过程进行耦合模拟分析。在模拟分析的过程中对于流体部分又使用了液体和气体多相流的VOF计算模拟方法;对于固体（石块及边坡）又引入了固体动力的隐式分析及接触算法;最后通过双向流固耦合FSI（fluid-structure interaction）将二者耦合迭代计算，最终实现对泥石流起动过程中水流与石块以及空气相互作用及合成运动的模拟[3]。
VOF法是一种通过界面捕捉来处理不相容多种液体混合流动问题的方法;其基本原理是研究网格单元中流体和网格的体积比函数F来确定不同流体的界面，追踪流体的变化，若F=1，则该单元全部为指定相流体所占据;若F = 0，则该单元为非指定相流体;当0 <F <1时，则该单元为交界面单元。在VOF方法中，不同的流体具有相同的动量方程，可以通过求解一个标量化的运输方程，从而实现对区域内各种流体流动的计算。
标量运输方程：
其中是速度向量，是第种流体所占的体积分数，n是除流体外附加流体的总数。
混合流体区域的材料参数用各种流体的加权平均值来估算：
主流体的质量比重为
壁面支持力和表面张力是通过连续表面作用力模型来模拟的，该模型将表面力处理为一个体积力，而每个单元体上的体积力可以使用以下的公式计算：
其中是流体和之间的表面张力系数，
在边界上定义角度条件，表示边界外的法向和两种不相容流体界面法向之间的夹角（从流体指向流体）
泥石流对拦沙坝的冲击荷载模拟
本节对泥石流冲击荷载的模拟主要采用的是VOF外加流固双向耦合法进行模拟计算的;泥石流采用类似水体的流体单元，在其流经坡面之后对下游的坝体进行冲击，而坝体所受的反作用力及为泥石流的冲击力。
其计算模型如图1-1所示：
基于以流固耦合分析可以得到如图1-2～3的计算结果：
基于以上流固耦合的计算结果，可以提取坝体前端迎水面的坝顶、坝中、坝踵三个节点的流体反力数据作为泥石流的冲击荷载，其具体数值如图1-4所示：
以上三点的沖击力时间函数可以很好的说明冲击力到达拦砂坝时，拦砂坝的受力情况，由于梯形的坝型，坝踵前凸，导致坝踵受力较大而坝顶受力相对较小，同时从三者的受力时间函数可以看出冲击荷载在泥石流冲击到达坝体1s之后出现冲击力的最大值，随着时间的推移冲击力逐渐减小直至逐渐消散。因此坝体最不利荷载可以选取为推力荷载的峰值，选取该时间点的荷载可作为拦沙坝受力分析计算提供重要的理论依据和计算方法。
参考文献
[1]贺拿，陈宁生，曾超. 泥石流起动机理研究现状及趋势[J].灾害学，2013，28（ 1） ： 121 - 125.
[2]唐川，李为乐，丁军，等.汶川震区映秀镇“8. 14”特大泥石流灾害调查[J]. 中国地质大学学报： 地球科学，2011，36 （ 1） ： 172 - 180.
[3]戚国庆，黄润秋. 泥石流成因机理的非饱和土力学理论研究[J]. 中国地质灾害与防治学报，2003，14（ 3） ： 12 - 15.