摘    要：滑坡地質(zhì)災(zāi)害由于其成因機(jī)制特殊，涉及水與巖土體之間作用，有關(guān)能模擬流-固耦合的軟件相對較少。而Comsol作為一款多物理場仿真軟件，其“多孔彈性”接口很好的做到了達(dá)西定律與固體力學(xué)的耦合，對于評估流體導(dǎo)致巖土體的變形有很大的優(yōu)勢。基于此，文中以某實際滑坡案例為基礎(chǔ)，利用Comsol多物理場數(shù)值模擬軟件對滑坡進(jìn)行了流-固耦合計算，獲取了滑坡的變形破壞機(jī)理及特征。

關(guān)鍵詞：Comsol多物理場仿真軟件;流-固耦合;滑坡;

引言

Comsol多物理場仿真軟件，涉及電氣、結(jié)構(gòu)、聲學(xué)、流體、傳熱等各個學(xué)科領(lǐng)域，對流-固耦合計算有天然的優(yōu)勢。對于針對滑坡問題中流-固耦合計算他有專門的計算接口“多孔彈性”接口，該接口主要對達(dá)西定律與固體力學(xué)進(jìn)行了耦合。多孔塌陷模型主要描述了多孔介質(zhì)中流體與基體變形之間的相互作用，基體中流體的變化將產(chǎn)生流體壓力或同等水頭。因此在模擬水對巖土體作用時，其所采用的本構(gòu)方程具有極大的優(yōu)勢。

西南某滑坡處于淺層變質(zhì)巖區(qū)域，該區(qū)域年降雨充沛，基巖裂隙十分發(fā)育。因此，地下水較為發(fā)育，滑坡區(qū)內(nèi)可見多出下降泉。研究區(qū)內(nèi)主要分布巖性較為單一，為粉砂質(zhì)泥巖，是地下水主要賦存介質(zhì)。經(jīng)實地調(diào)查，該滑受地下水影響明顯，因此有必要進(jìn)行流-固耦合計算。基于此，文中選用Comsol多物理場仿真軟件對該滑坡進(jìn)行了流固耦合計算，分析了地下水對滑坡的作用特征與機(jī)理[1]。

一、軟件介紹

COMSOL Multiphysics是一款通用的多物理場耦合仿真軟件，內(nèi)部提供完全耦合的多物理場和單物理場建模功能、仿真數(shù)據(jù)管理，可用于工程、制造和科學(xué)研究的絕大多數(shù)領(lǐng)域。涉及電磁、結(jié)構(gòu)&聲學(xué)、流體&傳熱、化工等四個大專項，下含結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊、巖體力學(xué)模塊、多孔介質(zhì)流模塊、地下水流模塊、管道流模塊、波動光學(xué)模塊、射線光學(xué)模塊、等離子體模塊、半導(dǎo)體模塊等36個模。內(nèi)置耦合物理場外，還可自定義物理場方程以進(jìn)行多物理場耦合分析[2,3]。

流固耦合理論及控制方程[4]

一般固體變形控制方程主要由三個方程構(gòu)成：應(yīng)力平衡方程、幾何變形方程、本構(gòu)方程。具體方程如下：

其張量形式如下：

當(dāng)涉及滲流場耦合時，考慮流固耦合的張量形式如下：

其中，

E：彈性模量；G：剪切模量；v：泊松比；Fi和ui(i=x,y,z）：體力在位移i方向的分量；P：孔隙水壓力；α：有效應(yīng)力系數(shù)，取值范圍0≤α≤1。可由實驗得到，也可由公式近似計算，如式1-6

式中，K’和K分別為破碎巖體有效體積模量和巖石的原始體積模量。

滲流場方程

由流體質(zhì)量守恒方程和Darcy定律得：

式中：

式中：

εv—為體積應(yīng)變；I—介質(zhì)的孔隙率；βl—孔隙流體的體積模量（Pa);t—時間（s);k—連續(xù)介質(zhì)固有的滲透率（m2）；μl—流體的動力粘性系數(shù)（Pa.s）；ρl—流體密度（kg/m2);g—重力加速度（m/s2）。

二、計算及結(jié)果分析

1．計算

根據(jù)滑坡的實際情況，選取一個具有代表性的剖面（圖1）。通過現(xiàn)場試驗并結(jié)合根據(jù)工程地質(zhì)手冊（第五版）獲取了模擬所需巖土體參數(shù)如下（表1）。

圖1 計算模型 

表1  

考慮到滑坡所處區(qū)位的實際情況，對滑坡進(jìn)行了流-固耦合分析后獲得了流固耦合前滑坡滲流場分布、空隙水壓力分布、應(yīng)力云圖、總位移云圖以及流固耦合后應(yīng)力云圖及位移云圖（圖2～圖7）。

圖2 滲流場及空隙水壓力分布

圖3 流固耦合前應(yīng)力分布

圖4 初始位移分布（右）

圖5 流固耦合后應(yīng)力分布

圖6 流固耦合后位移分布

圖7 等效塑性應(yīng)變區(qū)

2．結(jié)果分析

通過計算后發(fā)現(xiàn)，斜坡流固耦合計算前由圖2-3可知，斜坡最大位移分布于斜坡較陡位置，其中斜坡后緣位移最大約0.004m，因滑坡所在位置后緣存在少量崩塌，與實際較為符合。進(jìn)行流-固耦合計算后由圖2-4可知，在地下水作用下斜坡整體出現(xiàn)了較大位移，最大位移發(fā)生在斜坡坡腳位置約0.02m。對比圖2-5等效塑性區(qū)分布可以發(fā)現(xiàn)，流固耦合計算后斜坡坡腳發(fā)生了較大塑性應(yīng)變，導(dǎo)致了斜坡坡腳出現(xiàn)破壞，誘發(fā)了滑坡。

由此說明地下水對斜坡的作用集中在斜坡坡腳。地下水在對斜坡坡腳作用過程中軟化了巖土體，弱化了巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，降低了斜坡抗滑力，最終誘發(fā)了滑坡，與滑坡實際情況基本符合。

三、結(jié)論

1．針對滑坡案例中流-固耦合計算過程中，Comsol多物理場仿真數(shù)值軟件具有很好的計算優(yōu)勢。可以清晰反映出在地下水作用下，斜坡應(yīng)力分布、位移分布以及塑性應(yīng)變區(qū)的分布。

2．地下水對斜坡的作用，主要集中在斜坡坡腳，對坡腳產(chǎn)生較高孔隙水壓力，軟化巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，降低斜坡抗滑力。

3．通過對比滑坡實際變形破壞特征后發(fā)現(xiàn)，Comsol數(shù)值計算結(jié)果與實際基本符合。因此在針對滑坡問題中流-固耦合分析具有較大的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 李柯柯，徐穎，李金寶等.基于COMSOL的多孔介質(zhì)熱-流-變形耦合數(shù)值模擬[J].當(dāng)代化工，2022,51(02):441-445.

[2] 尹紅球，陳滔.基于COMSOL Multiphysics軟件的回采工作面開挖模擬模型優(yōu)化[J].煤炭技術(shù)，2020,39(11):50-52.

[3] 李金峰，劉尚校.基于COMSOL開發(fā)的煤礦承壓水上開采數(shù)值模擬軟件[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2018(21):16+22.

[4] 呂亞東.復(fù)雜條件下填方與地質(zhì)環(huán)境互饋作用機(jī)理研究[D].貴州大學(xué)，2022.

文章來源：中國水運