泥石流虛擬仿真模擬系統在“災害地質學”實驗教學中的應用探索

摘要：泥石流地質災害是地質工程專業(yè)學生必須掌握的地質災害類型。為了提高學生對泥石流的認識，并為工程應用與科學研究做準備，探索在“災害地質學”實驗教學中使用基于泥石流室內模擬實驗與數值模擬相結合的泥石流虛擬仿真模擬實驗系統。設計實驗教學過程，借助工程實例的實驗模擬和數值模擬，使學生掌握分析泥石流災害成因與危害、解決泥石流工程問題的實驗方法。實際應用表明，虛擬仿真模擬是一種有效且引人入勝的教學工具，增強了學生的學習體驗并提高了他們的學習興趣，為學生深入泥石流研究奠定了實驗基礎。

關鍵詞：泥石流 泥石流模擬實驗 泥石流數值模擬 災害地質學 實驗教學

Exploration of the Application of Debris Flow Virtual Simulation System in Experimental Teaching of \"Disaster Geology\"

PENG Shuaiying¹""LYU Yan¹""PIAO Jing¹""YANG Hantao²

1.College of Construction Engineering， Jilin University， Changchun， Jilin Province， 130021 China; 2. College of Earth Sciences， Jilin University， Changchun， Jilin Province， 130021 China

Abstract： Debris flow geological hazard is an important type of geological disasters that geological engineering students must master. In order to improve students' understanding of debris flow and prepare for engineering application and scientific research， this paper explores the use of a debris flow virtual simulation experiment system based on the combination of indoor simulation experiments and numerical simulations in the experimental teaching of \"disaster geology\". The experimental teaching process is designed， and with the help of experimental simulation and numerical simulation of engineering examples， students can master the experimental methods of analyzing the causes and hazards of debris flow disasters and solving debris flow engineering problems. The practical application shows that virtual simulation is an effective and engaging teaching tool， which enhances students' learning experience and improves their interest in learning， and lays an experimental foundation for students' in-depth debris flow research.

Key Words： Debris flow; Debris flow simulation experiment; Numerical simulation of debris flow; Disaster geology; Experimental teaching

地質工程是基于自然科學和地球科學基本原理，利用工程手段來解決問題，為工程建設服務的應用學科，是為國民經濟建設服務的先導性工作領域^[1]。“災害地質學”是地質工程專業(yè)（工程地質方向）課程體系中的專業(yè)基礎必修課程，是地質工程專業(yè)人員從事野外勘查、災害識別等工作的知識儲備庫。該課程具有知識面廣、野外認知能力需求高、綜合性強等特點。隨著社會經濟發(fā)展對工科應用創(chuàng)新型人才的迫切需求，在人工智能、虛擬仿真等新興技術快速發(fā)展的新形勢下，探索虛擬現實、數據挖掘等新興技術，促進地質工程實踐教學改革，已成為刻不容緩的工作。

許多學科將虛擬仿真技術運用到課堂教學中"^[2-4]，通過建立虛擬仿真情境，突破時間和空間的限制，讓學生在虛擬環(huán)境中進行身臨其境的實驗，達到交互學習，以彌補實驗教學過程中的不足^[5]。 本文基于建立的虛實結合的泥石流虛擬仿真實驗教學系統^[6]，升級實驗裝置，更新數值模擬軟件，通過實驗教學設計，增加實踐操作機會，提升學生的學習積極性，幫助學生構建更加完整的泥石流災害知識體系，探索泥石流虛擬仿真模擬技術在“災害地質學”實驗教學中的應用效果。

1 泥石流室內實驗——仿真模擬

1（a）所示）；第二類是溝谷型泥石流，這類泥石流的形成區(qū)也是泥石流的流通區(qū)（如圖1（b）所示）；第三類是坡面型泥石流，這類泥石流的形成區(qū)與堆積區(qū)相連，沒有明顯的流通區(qū)（如圖1（c）所示）。^[7]；也可以在室內搭建泥石流物理模擬實驗裝置，從野外泥石流溝內取回土樣或配置相似土樣開展研究^[8-11]。根據不同的泥石流地形，需要搭建相應的泥石流室內模擬裝置，通過模擬泥石流的形成、流動和堆積，從而掌握泥石流的運動特征及危害預測。為了培養(yǎng)本科生的科研素養(yǎng)，為碩士博士階段學習研究打下基礎，我們搭建了泥石流模擬實驗裝置，為本科生開出了泥石流室內模擬實驗，讓學生從直觀上認識和了解泥石流的發(fā)生發(fā)展過程。5個部分組成，坡面型泥石流模擬裝置主要由降雨模擬系統、物源槽和尾料回收系統3個部分組成（如圖2所示）。

2" 典型泥石流與坡面型泥石流模擬實驗裝置3個部分組成（如圖3所示）。

3" 溝谷型泥石流模擬實驗裝置

2 泥石流數值模擬——虛擬模擬

2.1 泥石流數值模擬方法與應用范圍

泥石流受降雨強度、地形坡度、松散土體性質等因素影響，其啟動機理和力學過程比較復雜。數值模擬軟件可以從細觀和非連續(xù)的角度重現泥石流啟動、運移與堆積過程。

泥石流數值模擬是通過計算機程序計算得到泥石流的流速、流深、流量、動量、沖擊力、沖出距離、堆積范圍等參數的時空分布，進而分析泥石流的起動、運動、堆積等過程。 常用的泥石流數值模擬軟件有 PFC、FLOW-3D、CFX、Massflow 等，其求解算法為有限差分法、離散元法、拉格朗日求解法等。

2.2 泥石流數值模擬實例庫

1）泥石流的啟動過程屬于大變形破壞問題。顆粒流離散單元法允許土顆粒發(fā)生平移、滑移和旋轉，并且允許顆粒之間發(fā)生接觸分離和形成新接觸，適用于模擬離散顆粒組合體在準靜態(tài)或動態(tài)條件下的變形及破壞過程，可以有效模擬泥石流啟動這種大變形問題，并且能夠實時監(jiān)測泥石流啟動過程中顆粒的運動狀況及其細觀組構的變化和發(fā)展。PFC是用于泥石流啟動模擬的顆粒流數值模擬軟件，常用于泥石流啟動過程研究。基于室內模擬實驗，結合PFC3D建立物源模型，對泥石流物源啟動過程進行顆粒流模擬，可以通過土體接觸力變化過程分析物源破壞模式^[12]。PFC3D用于模擬不同含水率冰磧土物源的泥石流啟動、運動過程，可以清晰還原顆粒間穩(wěn)定狀態(tài)到逐漸破壞的過程，進而得到坡面穩(wěn)定和坡面破壞的臨界含水率^[13]。2）泥石流流動過程與堆積模擬。泥石流體屬于非均質固液混合介質，其流動過程與均質流不同，表現出復雜的動力學特征。明確泥石流體內部作用力與作用機理，才能獲得不同條件下泥石流流速、流量、沖擊力等運動參數。FLOW-3D數值模擬軟件采用有限差分法求解控制方程，將模型剖分為三維網格，通過計算網格表面在水平和垂直方向的速度、網格中心的壓強、流體體積分數、流體密度、湍流和紊流動能消耗率、黏度等參數來確定每一網格的運動參數，進而還原泥石流運動過程中內部作用力及其與外部能量轉換過程。FLOW-3D常用于單溝泥石流運動過程與堆積模擬^[14]，通過模擬，不僅可以得到泥石流溝不同位置、不同時刻的堆積深度，還能夠實時監(jiān)測泥石流的流速和沖擊力。

ANSYS CFX 軟件是以有限體積法開發(fā)的流體計算軟件，運用 ANSYS CFX 軟件，可以對泥石流主溝流域進行全過程的數值模擬。此外，CFX在處理復雜的流固耦合問題方面具有優(yōu)勢，可以用于分析泥石流溝內泥石流流場變化^[15]。

用，近年來，國產模擬軟件也在泥石流模擬中表現突出。Massflow 軟件是一款由中科院成都山地所開發(fā)的具有二階精度與自適應求解特點的地表過程動力學模擬軟件。此軟件不僅通過對大區(qū)域切割和重點區(qū)域網格細化的方式提高了計算規(guī)模，還提供了修改物理模型與微分方程的源代碼，可以通過二次開發(fā)編入自定義模型^[16]。該數值模擬軟件應用于泥石流運動模擬，可以動態(tài)分析不同時間泥石流的流速和泥深分布。

3 泥石流虛擬仿真模擬實驗設計

3.1 實驗預習

在實驗教學前，學生通過預習實驗內容明確泥石流實驗的教學任務，自由組合完成分組和分工，掌握泥石流實驗內容與相關實例。泥石流模擬實驗環(huán)節(jié)開設在學生野外地質災害認識實習后，充分利用學生野外專業(yè)實習認識與調查泥石流的路線，根據野外實習的內容，讓學生總結野外實習遇到的問題，提出自己的見解，并在上課前準備提問。

3.2 實驗方法、操作過程講解與演示

在教師為學生深入講解有關泥石流知識的基礎上，以小組為單位，從實例庫里挑選并準備泥石流模擬實驗土樣，進行土樣基本性質測試實驗。根據不同的實例，教師指導學生選擇不同的實驗方法且適當講解，幫助學生建立起泥石流模擬實驗及相關實驗網絡構架。學生調整并測量記錄儀器參數、分析實驗土樣參數，以用于虛擬仿真模擬參數校正。教師通過演示實驗指導學生實驗操作，同時以問題引導學生積極思索，通過引入各地的泥石流實例講解，讓學生了解家鄉(xiāng)與附近區(qū)域的泥石流情況，激發(fā)學生學習與對問題探索的興趣；組織學生積極討論在野外實習時發(fā)現的問題，引導學生分析如何通過模擬實驗來解決問題。課后，教師按照實習內容設計思考題，并將相應的學習資源推送給學生。

3.3 數值模擬實驗分析

室內泥石流模擬實驗結束后，教師指導學生探索實際實驗內容的過程分析，充分學習和了解各個數值模擬軟件的應用范圍。根據實驗內容，采用相應的數值模擬軟件進行建模，模擬分析泥石流形成流動和堆積過程。通過與實驗過程中高速攝像機記錄的內容進行對比，分析解決具體的工程問題。

將現實的泥石流模擬實驗與借助泥石流數值模擬軟件進行的虛擬模擬相結合，開展“災害地質學”的泥石流模擬實驗教學，達到虛實相結合的目的。這不僅加強了學生對泥石流災害的認識、增加了學生探索泥石流形成與防治的興趣，更鍛煉了學生理論知識與實際工程問題結合的能力。同時，通過實例設計分組開展實驗，促進了學生主動學習，并親自進行實驗操作。

4 應用效果分析

將虛擬模擬仿真技術引入到泥石流實驗教學中，改變了學生對傳統地質類學科技術設備落后的看法，吸引了學生對地質工程專業(yè)的興趣。通過實例問題結果過程的模擬，學生從被動學習轉變?yōu)橹鲃訁⑴c解決問題，提高了其解決實際工程問題的能力。

運用室內模擬實驗平臺與數值模擬平臺相結合，實現了虛實結合的泥石流虛擬仿真模擬，通過工程案例、精確模擬真實的實驗環(huán)境和實驗對象，達到了理論學習、虛擬仿真、實操三者相結合的目的。學生在虛擬平臺上開展實驗，能夠達到虛實結合、多方位分析解決問題的效果。通過這種實踐教學模式，學生的動手能力得到了鍛煉，實驗教學效果能夠及時收到反饋，便于實驗教學內容與數值模擬軟件及時更新改進，促進教學相長。

通過本科階段的泥石流虛擬仿真模擬實驗學習，越來越多的地質工程專業(yè)學生在研究生階段開展深入的泥石流研究^[17-21]，進入實際工程項目的學生在解決工程問題時也有新的思路和方法。

5 結語

本文將最新的泥石流模擬實驗裝置與新的數值模擬軟件相結合，建立了更全面的泥石流虛擬仿真實驗教學系統。該系統應用于“災害地質學”實驗教學中，通過實驗教學設計，為學生增加了實踐操作和主動設計實驗解決問題的環(huán)節(jié)，增強了學生的學習興趣，提升了其專業(yè)學習積極性。但是，泥石流室內模擬實驗裝置自動化程度較低，實驗操作需經多人協助完成，裝置還需要不斷升級完善。此外，本科生對數值模擬技術的了解較少，需要加強在本科生中普及數值模擬與AI技術應用的知識，使相關專業(yè)知識與實踐教學推進更順利地進行。

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