數(shù)值模擬在我國地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用

王亞東

數(shù)值模擬在我國地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用

王亞東1，2

（齊齊哈爾大學(xué) 1. 建筑與土木工程學(xué)院，2. 科研處，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的國家之一，地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響了我國經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展．隨著科技進(jìn)步，基于計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的數(shù)值模擬在我國地質(zhì)災(zāi)害研究的各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用．以ANSYS軟件為例，重點(diǎn)回顧數(shù)值模擬技術(shù)在滑坡、泥石流、地震和火山地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用，認(rèn)為數(shù)值模擬在未來我國地質(zhì)災(zāi)害研究中將發(fā)揮重要作用，建議加大國內(nèi)相關(guān)數(shù)值模擬軟件和模型的開發(fā)力度，以實現(xiàn)高效率的科學(xué)研究．

地質(zhì)災(zāi)害；數(shù)值模擬；ANSYS軟件

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的國家之一，地質(zhì)災(zāi)害已成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和威脅人民生命財產(chǎn)安全的重要因素，嚴(yán)重影響我國經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展．近年來，受全球氣候變化影響，地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)時段已從往年的6月到8月擴(kuò)展為4月到10月，由于地表、山體被破壞進(jìn)而引發(fā)的崩塌、滑坡、地裂縫、地面塌陷、沙土液化等次生地質(zhì)災(zāi)害大幅增加[1]．隨著科技進(jìn)步，數(shù)值計算方法依靠其方便快捷、準(zhǔn)確直觀的特點(diǎn)成為科學(xué)研究中必要的實用工具[2]．基于計算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的數(shù)值模擬在地球科學(xué)的各個領(lǐng)域得到應(yīng)用[3]，數(shù)值模擬在我國地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用也逐漸增多．

1 ANSYS軟件簡述

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長最快的CAE軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體及電磁場等學(xué)科的研究，因其功能強(qiáng)大，操作簡便，現(xiàn)已成為國際最流行的有限元分析軟件之一．ANSYS軟件含有多種有限元分析能力，包括從簡單線性靜態(tài)分析到復(fù)雜非線性動態(tài)分析．一個典型的ANSYS分析過程可分為創(chuàng)建有限元模型、施加載荷進(jìn)行求解和查看分析結(jié)果三個步驟，程序通常使用三個部分：前處理模塊、分析求解模塊和后處理模塊（見圖1）．前處理模塊為一個強(qiáng)大的實體建模和網(wǎng)格劃分的工具，通過這個模塊可以建立想要研究的有限元模型，主要實現(xiàn)三種功能：參數(shù)定義、實體建模和網(wǎng)格劃分．分析求解模塊即對已建立的模型在一定的載荷和邊界條件下進(jìn)行有限元計算，求解平衡微分方程．包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力分析、聲場分析、電磁場分析、壓電分析和多物理場的耦合分析等．在此階段，可以定義分析類型、分析選項、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項．當(dāng)完成計算后，后處理模塊（POST1和POST26）通過后處理器查看結(jié)果，可以很方便地獲得求解的計算結(jié)果．

2 數(shù)值模擬在地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 滑坡中的應(yīng)用

數(shù)值模擬在滑坡地質(zhì)災(zāi)害研究中主要應(yīng)用于滑坡穩(wěn)定性分析和破壞機(jī)理分析．郭長寶[4]等以瀘定縣大坪上古滑坡為例，通過ANSYS軟件開展天然狀態(tài)（自重）和暴雨狀態(tài)下滑坡的穩(wěn)定性分析．研究表明，該滑坡在暴雨情況下的穩(wěn)定系數(shù)比自重情況下低，并且在暴雨作用下滑坡中下部變形趨勢明顯加大，有沿邊坡臨空面滑移的趨勢，滑面主要位于陡坡中等風(fēng)化層中，而天然狀態(tài)下僅在坡體中部松散堆積層及中等風(fēng)化層上部形成潛在滑動面．陳毓[5]等用ANSYS軟件對黑山露天礦內(nèi)排土場邊坡的穩(wěn)定性和破壞機(jī)理進(jìn)行研究．結(jié)果表明，黑山露天礦內(nèi)排土場邊坡的滑坡模式為“坐落滑移式”滑動．張旭[6]等利用ANSYS和FLAC3D軟件建立滑坡地質(zhì)模型，利用強(qiáng)度折減法與有限差分程序進(jìn)行多工況下的全過程動態(tài)數(shù)值模擬．計算坡體由初始化自重平衡狀態(tài)到臨界滑移失穩(wěn)狀態(tài)全過程的位移、速率變化趨勢，分析滑坡破壞模式與滑移特征，通過數(shù)值模擬，闡釋了滑坡破壞演化特征和失穩(wěn)機(jī)理．張會遠(yuǎn)[7]等利用ANSYS軟件建立管道橫穿滑坡的力學(xué)數(shù)值模擬模型，采用FLAC3D軟件對管道受力變形進(jìn)行模擬研究，并采用靜力學(xué)解析計算的方法對管道變形受力狀態(tài)進(jìn)行分析研究，獲得了管道臨界破壞時管道的應(yīng)變、應(yīng)力和位移等特征．李甜[8]等利用ANSYS軟件對四川理縣一處山體滑坡發(fā)生的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并計算監(jiān)測點(diǎn)的位移，結(jié)果與實際觀測情況吻合較好，得到降雨量與彈性模量、密度、粘聚力、內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系，該研究提供了一種預(yù)測滑坡的新方法．常治國[9]等利用ANSYS軟件，針對新疆黑山露天煤礦外排土場局部滑坡現(xiàn)象，深入分析了坐落-滑移式邊坡滑坡變形機(jī)理．葉生春[10]等基于前期對山尕灘古滑坡體穩(wěn)定性的研究，根據(jù)隧道施工工藝及結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)，采用ANSYS軟件對典型斷面進(jìn)行施工模擬，在確定施工不利斷面的基礎(chǔ)上就滑動帶的受力特征進(jìn)行分析．彭巖巖[11]等以南芬露天鐵礦為背景，用有限元軟件ANSYS對其邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，應(yīng)用強(qiáng)度折減法得出該邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，為南芬露天鐵礦滑坡預(yù)防提供了設(shè)計依據(jù)．

2.2 泥石流中的應(yīng)用

數(shù)值模擬在泥石流地質(zhì)災(zāi)害研究中主要應(yīng)用于泥石流的運(yùn)動規(guī)律、影響范圍、攔擋結(jié)構(gòu)和材料的性能研究．趙崢[12]等利用ArcGis，Mapgis，Auto CAD，ANSYS等軟件建立計算模型，將現(xiàn)場調(diào)查得到的泥石流降雨量、重度等相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入Fluent軟件，模擬研究泥石流在流通區(qū)和堆積區(qū)的運(yùn)動狀態(tài)及流體的液面范圍．胡佳武[13]等使用基于有限體積法的ANSYS CFX高性能計算機(jī)軟件，選擇賓漢流變模型，模擬了克枯溝泥石流在堆積區(qū)連續(xù)運(yùn)動的過程，得出了泥石流威脅區(qū)范圍和速度場分布．研究結(jié)果對泥石流溝口的工程設(shè)計和當(dāng)?shù)鼐用裆顓^(qū)的選址具有科學(xué)的指導(dǎo)意義．徐江[14]等首先利用圖形建模軟件RHINO建立上卓溝三維溝谷模型，泥石流流變模型選用賓漢流體模型，在合理確定各計算參數(shù)及邊界條件的基礎(chǔ)上應(yīng)用CFX對上卓溝泥石流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了流速等流場數(shù)據(jù)．將所得流場數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行泥石流與攔擋結(jié)構(gòu)的雙向流固耦合分析，得到泥石流在溝谷內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律及攔砂壩的應(yīng)力和位移．

王秀麗[15-18]等將輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性較好的碳纖維復(fù)合材料（CFRP）與索網(wǎng)結(jié)合，提出一種加強(qiáng)型柔性索網(wǎng)體系．通過九組靜力拉伸試驗，并運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬，研究CFRP材料對筋材靜力性能的影響，沖擊荷載作用下單索、組合索以及索網(wǎng)在粘貼碳纖維布后的動力響應(yīng)，探討碳纖維布對柔性索網(wǎng)抗沖擊性能的影響，并與無碳纖維布的情況進(jìn)行對比分析．為使透水型攔擋壩更有效地攔截泥石流中的大塊石，結(jié)合拱結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，設(shè)計出一種鋼拱結(jié)構(gòu)，利用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬，用鋼球模擬泥石流大塊石，分別對鋼拱結(jié)構(gòu)的兩種壩體類型的三個典型部位進(jìn)行大塊石沖擊下的動力響應(yīng)模擬，從結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、沖擊力、位移三個方面進(jìn)行對比分析．為了提高攔擋壩的抗沖擊能力，提出一種帶連續(xù)防撞墩的新型泥石流攔擋壩，利用ANSYS/LS-DYNA對泥石流大塊石沖擊新型壩和重力式攔擋壩進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別得出了新型壩和重力壩的沖擊動力響應(yīng)并進(jìn)行對比分析．在常規(guī)的重力式泥石流攔擋壩基礎(chǔ)上，提出了一種帶鋼支撐的鋼-砼組合式攔擋結(jié)構(gòu)，采用流固耦合分析方法，將CFX與ANSYS相結(jié)合，在Workbench運(yùn)行環(huán)境下，對常規(guī)的重力壩與新型的帶支撐的攔擋壩進(jìn)行了數(shù)值模擬計算及對比分析，探究了支撐布置范圍、支撐高度、支撐間距等對結(jié)構(gòu)極限抗沖擊承載力的影響及其規(guī)律，驗證了新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性．任根立[19-20]等針對柔性網(wǎng)變形性好和鋼管混凝土抗沖擊性能良好的優(yōu)點(diǎn)，提出十字型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，用來抗擊泥石流災(zāi)害中的塊石沖擊．利用有限元軟件ANSYS LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬，得到該結(jié)構(gòu)在不同沖擊速度、不同沖擊網(wǎng)直徑、不同沖擊物質(zhì)量和不同沖擊高度條件下的動力響應(yīng)．張萬澤[21]等利用ANSYS Explicit Dynamics軟件對不同的荷載作用位置下，樁間距、排間距不同的“品”字形樁林結(jié)構(gòu)進(jìn)行了塊石沖擊下的動力響應(yīng)模擬和分析，對結(jié)果總結(jié)分析得出樁間距、樁排間距、荷載作用位置對樁林結(jié)構(gòu)破壞形式的影響．李斌[22]等利用有限元軟件ANSYS對翼墻型攔擋壩在泥石流整體沖擊力作用下進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，分析了攔擋壩的變形和受力特征．最后結(jié)合攔擋壩的數(shù)值模擬計算結(jié)果，為保證攔擋壩的長期有效性，對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，研究成果可為相似泥石流防治工程提供借鑒．蘇潔[23]等針對常見的泥石流攔擋結(jié)構(gòu)被沖擊破壞的問題，提出了柔性石籠拱攔截壩新技術(shù)．柔性石籠拱以石籠為主要材料，砌筑成拱形，上游面鋪設(shè)廢舊輪胎防沖墊層，攔截泥石流．利用ANSYS LS-DYNA軟件，分析了柔性石籠拱結(jié)構(gòu)對泥石流沖擊的動力響應(yīng)．

2.3 地震中的應(yīng)用

數(shù)值模擬在地震地質(zhì)災(zāi)害研究中主要應(yīng)用于分析應(yīng)力演化過程，預(yù)測地震風(fēng)險和地震引起的次生災(zāi)害．尹建華[24]等選取昆明防災(zāi)減災(zāi)中心大樓觀測臺陣捕獲的三次中遠(yuǎn)場小震記錄作為研究對象，對比ANSYS結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬和觀測值之間在時程以及譜特性等方面的響應(yīng)差別，證明了在彈性范圍下二者結(jié)果具有較好的一致性．劉振[25]等開發(fā)了地應(yīng)力場模擬自動化系統(tǒng)，將地質(zhì)建模與地應(yīng)力求解置于同一個平臺環(huán)境下，利用三維地質(zhì)建模技術(shù)構(gòu)建地下巖體模型，展現(xiàn)地層之間的相互接觸關(guān)系，并進(jìn)行有限元求解得到三維地應(yīng)力場分布．該系統(tǒng)能夠提高建模效率、降低建模誤差、簡化材料參數(shù)設(shè)置，從而提高了地應(yīng)力場建模自動化水平．李夢萍[26]等以地震、地質(zhì)、測井等資料為基礎(chǔ)，通過構(gòu)造演化及斷層落差法，分析渤南洼陷斷層的分布及活動特征，為數(shù)值模擬提供地質(zhì)模型．運(yùn)用ANSYS軟件對渤南洼陷古近紀(jì)早中期構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行有限元數(shù)值模擬．

吳立新[27]等基于瑪多地震主震及余震的三維空間分布特征，依據(jù)斷層走向與傾角的分段變化構(gòu)建了江錯斷層的三維精細(xì)模型，并顧及GNSS速度場，采用黏彈性本構(gòu)關(guān)系，依據(jù)庫侖破裂準(zhǔn)則，利用ANSYS有限元計算并分析了江錯斷層面上的應(yīng)力演化過程．推測巴顏喀拉塊體東南區(qū)域可能是未來發(fā)震的高風(fēng)險區(qū)．王朝令[28]等采用ANSYS軟件對隧道地震波場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了頻散、阻尼與吸收邊界等數(shù)值模擬的相關(guān)技術(shù)．針對介質(zhì)吸收，比較了數(shù)值模擬中有無阻尼的時間記錄和波場快照，對比了實例中不同網(wǎng)格長度與頻散的關(guān)系，最后對隧道地震預(yù)報進(jìn)行了實例計算．算例表明，采用ANSYS軟件可以有效地模擬隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下全波場的激發(fā)傳播過程．

丁梓逸[29]等基于Drucker-Prager準(zhǔn)則，采用有限元強(qiáng)度折減法對地震荷載下土質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，分析了不同地震荷載頻率和幅值對滑坡動態(tài)響應(yīng)特性的影響規(guī)律．梁健偉[30]等針對地震作用下的邊坡穩(wěn)定性分析，基于反應(yīng)譜理論，提出了一種同時考慮了地震動力特性的動態(tài)分析方法，采用ANSYS分析地震作用下的邊坡模態(tài)和反應(yīng)譜，結(jié)合FLAC3D計算彈塑性變形下的邊坡穩(wěn)定性，得出不同工況下邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)．孫峰[31]通過物理模型實驗和數(shù)值模擬實驗，分析了在地震荷載作用下不同土體強(qiáng)度抗滑樁支護(hù)滑坡的響應(yīng)過程，利用ANSYS軟件，結(jié)合強(qiáng)度折減動力分析法，總結(jié)并建立了嵌固深度與土體強(qiáng)度設(shè)計值凝聚力、內(nèi)摩擦角的相互作用計算模型和經(jīng)驗判別式．汪精河[32]等以成蘭鐵路某山嶺隧道淺埋偏壓段為研究對象，采用ANSYS軟件研究了地震波入射角度對淺埋偏壓隧道地震反應(yīng)的影響．倪振強(qiáng)[33-34]等以地震作用下的非貫通節(jié)理巖質(zhì)斜坡為研究對象，利用ANSYS軟件建立數(shù)值模型．結(jié)果表明，地震作用下非貫通節(jié)理巖質(zhì)斜坡的穩(wěn)定系數(shù)受結(jié)構(gòu)面的長度、密度、貫通率、展布方向等因素影響．以汶川地震中的某不穩(wěn)定斜坡為研究對象，利用ANSYS建立數(shù)值模型，研究其地震作用下的動力響應(yīng)．李鵬[35]等梳理了成層地基非一致地震反應(yīng)的一維化時域算法和波動輸入理論，完善非一致地震反應(yīng)場地的三維數(shù)值模擬技術(shù)，據(jù)此建立地基—地下隧道系統(tǒng)縱向動力反應(yīng)數(shù)值模型．通過編制FORTRAN輔助程序并借助有限元軟件ANSYS實現(xiàn)上述動力模型的數(shù)值計算技術(shù)，數(shù)值算例驗證了其精度和有效性．

2.4 火山中的應(yīng)用

數(shù)值模擬在火山地質(zhì)災(zāi)害研究中主要應(yīng)用于演化機(jī)制方面．楊少華[36]等構(gòu)建了二維高精度數(shù)值對比模型，在其他因素完全相同的情況下，考察會聚方向的差異對俯沖角度的影響，提出了臺灣—呂宋雙火山弧另一種可能的演化機(jī)制，有助于推進(jìn)對該雙火山弧和該俯沖系統(tǒng)的理解．李振新[37]等總結(jié)了地球物理、巖石學(xué)和地球化學(xué)、數(shù)值模擬等常用的研究手段及其適用范圍，探討了巖漿儲庫模型對巖漿過程、火山噴發(fā)和地殼生長等科學(xué)問題帶來的新的認(rèn)識和挑戰(zhàn)．馬晗瑞[38]等通過巖石化學(xué)分析手段及地球物理數(shù)值模擬方法，分析深部構(gòu)造對長白山火山巖漿起源和深源地震發(fā)震機(jī)制的影響，認(rèn)為長白山火山巖漿起源于地幔源區(qū)，并與太平洋板塊深部俯沖有關(guān)；西太平洋板塊深部脫水，產(chǎn)生陸內(nèi)火山巖漿；俯沖板塊的深部脫水產(chǎn)生的裂隙（斷裂）可能是長白山區(qū)深源地震發(fā)震原因，且深源地震與火山作用有一定關(guān)聯(lián)性．譚忠健[39]等采用有限元數(shù)值模擬方法對火山活動引起的巖石熱膨脹裂縫進(jìn)行定量預(yù)測．結(jié)合熱力耦合分析火山通道對周緣裂縫發(fā)育的影響，確定了火山對井漏風(fēng)險的影響范圍．盛儉[40]等通過二維熱力學(xué)耦合的數(shù)值模型對海洋板塊俯沖的動力學(xué)過程進(jìn)行模擬，分析了海洋板塊俯沖對遠(yuǎn)離海溝的陸內(nèi)火山的深部溫壓條件、速度場、巖漿補(bǔ)給量等的影響，探討了太平洋板塊對長白山天池火山活動影響的可能性及方式．段文濤[41]等利用有限元軟件ANSYS WORKBENCH對火山活動巖漿冷卻過程及其對圍巖的熱擾動過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬計算了上地殼巖漿房和上中地殼巖漿房兩種情景下長白山天池火山千年大噴發(fā)對溫度場的可能影響．

3 結(jié)語

地質(zhì)災(zāi)害的演化形成、危害及防治研究等一直是學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)問題．近年來，基于計算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的數(shù)值模擬在我國地質(zhì)災(zāi)害研究中的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得了一些重要的成果．?dāng)?shù)值模擬在滑坡地質(zhì)災(zāi)害研究中主要應(yīng)用在滑坡穩(wěn)定性分析和破壞機(jī)理分析；在泥石流地質(zhì)災(zāi)害研究中主要應(yīng)用于泥石流的運(yùn)動規(guī)律、影響范圍、流攔擋結(jié)構(gòu)和材料的性能研究；在地震地質(zhì)災(zāi)害研究中主要應(yīng)用于分析應(yīng)力演化過程預(yù)測地震風(fēng)險和地震引起次生災(zāi)害研究；在火山地質(zhì)災(zāi)害研究中主要應(yīng)用在演化機(jī)制方面．基于計算機(jī)技術(shù)的數(shù)值模擬在未來我國地質(zhì)災(zāi)害研究中將會發(fā)揮重要作用，需要加大相關(guān)數(shù)值模擬軟件開發(fā)力度，以實現(xiàn)高效率的科學(xué)研究．

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Application of numerical simulation in geological hazard research in China

WANG Yadong1，2

（1. School of Architecture and Civil Engineering，2.Office of Scientific Research，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

China is one of the countries with the most serious geological disasters in the world，which seriously affects the sustainable development of Chinese economy and society．With the development of science and technology，numerical simulation based on computer technology has been widely used in various fields of geological hazard research in China．Take ANSYS software as an example，mainly reviews the application of numerical simulation technology in landslide，debris flow，earthquake and volcano geological disasters，and believes that numerical simulation will play an important role in the future study of geological disasters in China．It is suggested to strengthen the development of relevant numerical simulation software and models in China to achieve high efficiency scientific research．

geological disaster；numerical simulation；ANSYS software

P694

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.02.014

1007-9831（2024）02-0069-05

2023-09-19

王亞東（1994-），男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，研究實習(xí)員，碩士，從事地質(zhì)工程、巖土工程研究．E-mail：374137564@qq.com