数值模拟在我国地质灾害研究中的应用

王亚东

数值模拟在我国地质灾害研究中的应用

王亚东1，2

（齐齐哈尔大学 1. 建筑与土木工程学院，2. 科研处，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

我国是世界上地质灾害严重的国家之一，地质灾害严重影响了我国经济社会的可持续发展．随着科技进步，基于计算机技术发展的数值模拟在我国地质灾害研究的各个领域得到了广泛应用．以ANSYS软件为例，重点回顾数值模拟技术在滑坡、泥石流、地震和火山地质灾害中的应用，认为数值模拟在未来我国地质灾害研究中将发挥重要作用，建议加大国内相关数值模拟软件和模型的开发力度，以实现高效率的科学研究．

地质灾害；数值模拟；ANSYS软件

我国是世界上地质灾害严重的国家之一，地质灾害已成为制约区域经济发展和威胁人民生命财产安全的重要因素，严重影响我国经济社会的可持续发展．近年来，受全球气候变化影响，地质灾害高发时段已从往年的6月到8月扩展为4月到10月，由于地表、山体被破坏进而引发的崩塌、滑坡、地裂缝、地面塌陷、沙土液化等次生地质灾害大幅增加[1]．随着科技进步，数值计算方法依靠其方便快捷、准确直观的特点成为科学研究中必要的实用工具[2]．基于计算机技术发展起来的数值模拟在地球科学的各个领域得到应用[3]，数值模拟在我国地质灾害研究中的应用也逐渐增多．

1 ANSYS软件简述

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的CAE软件，能够进行包括结构、热、声、流体及电磁场等学科的研究，因其功能强大，操作简便，现已成为国际最流行的有限元分析软件之一．ANSYS软件含有多种有限元分析能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析．一个典型的ANSYS分析过程可分为创建有限元模型、施加载荷进行求解和查看分析结果三个步骤，程序通常使用三个部分：前处理模块、分析求解模块和后处理模块（见图1）．前处理模块为一个强大的实体建模和网格划分的工具，通过这个模块可以建立想要研究的有限元模型，主要实现三种功能：参数定义、实体建模和网格划分．分析求解模块即对已建立的模型在一定的载荷和边界条件下进行有限元计算，求解平衡微分方程．包括结构分析、流体动力分析、声场分析、电磁场分析、压电分析和多物理场的耦合分析等．在此阶段，可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项．当完成计算后，后处理模块（POST1和POST26）通过后处理器查看结果，可以很方便地获得求解的计算结果．

2 数值模拟在地质灾害领域中的应用

2.1 滑坡中的应用

数值模拟在滑坡地质灾害研究中主要应用于滑坡稳定性分析和破坏机理分析．郭长宝[4]等以泸定县大坪上古滑坡为例，通过ANSYS软件开展天然状态（自重）和暴雨状态下滑坡的稳定性分析．研究表明，该滑坡在暴雨情况下的稳定系数比自重情况下低，并且在暴雨作用下滑坡中下部变形趋势明显加大，有沿边坡临空面滑移的趋势，滑面主要位于陡坡中等风化层中，而天然状态下仅在坡体中部松散堆积层及中等风化层上部形成潜在滑动面．陈毓[5]等用ANSYS软件对黑山露天矿内排土场边坡的稳定性和破坏机理进行研究．结果表明，黑山露天矿内排土场边坡的滑坡模式为“坐落滑移式”滑动．张旭[6]等利用ANSYS和FLAC3D软件建立滑坡地质模型，利用强度折减法与有限差分程序进行多工况下的全过程动态数值模拟．计算坡体由初始化自重平衡状态到临界滑移失稳状态全过程的位移、速率变化趋势，分析滑坡破坏模式与滑移特征，通过数值模拟，阐释了滑坡破坏演化特征和失稳机理．张会远[7]等利用ANSYS软件建立管道横穿滑坡的力学数值模拟模型，采用FLAC3D软件对管道受力变形进行模拟研究，并采用静力学解析计算的方法对管道变形受力状态进行分析研究，获得了管道临界破坏时管道的应变、应力和位移等特征．李甜[8]等利用ANSYS软件对四川理县一处山体滑坡发生的过程进行数值模拟，并计算监测点的位移，结果与实际观测情况吻合较好，得到降雨量与弹性模量、密度、粘聚力、内摩擦角之间的关系，该研究提供了一种预测滑坡的新方法．常治国[9]等利用ANSYS软件，针对新疆黑山露天煤矿外排土场局部滑坡现象，深入分析了坐落-滑移式边坡滑坡变形机理．叶生春[10]等基于前期对山尕滩古滑坡体稳定性的研究，根据隧道施工工艺及结构支护参数，采用ANSYS软件对典型断面进行施工模拟，在确定施工不利断面的基础上就滑动带的受力特征进行分析．彭岩岩[11]等以南芬露天铁矿为背景，用有限元软件ANSYS对其边坡稳定性进行了数值模拟分析，应用强度折减法得出该边坡稳定安全系数，为南芬露天铁矿滑坡预防提供了设计依据．

2.2 泥石流中的应用

数值模拟在泥石流地质灾害研究中主要应用于泥石流的运动规律、影响范围、拦挡结构和材料的性能研究．赵峥[12]等利用ArcGis，Mapgis，Auto CAD，ANSYS等软件建立计算模型，将现场调查得到的泥石流降雨量、重度等相关参数导入Fluent软件，模拟研究泥石流在流通区和堆积区的运动状态及流体的液面范围．胡佳武[13]等使用基于有限体积法的ANSYS CFX高性能计算机软件，选择宾汉流变模型，模拟了克枯沟泥石流在堆积区连续运动的过程，得出了泥石流威胁区范围和速度场分布．研究结果对泥石流沟口的工程设计和当地居民生活区的选址具有科学的指导意义．徐江[14]等首先利用图形建模软件RHINO建立上卓沟三维沟谷模型，泥石流流变模型选用宾汉流体模型，在合理确定各计算参数及边界条件的基础上应用CFX对上卓沟泥石流进行了三维数值模拟，得到了流速等流场数据．将所得流场数据导入ANSYS软件进行泥石流与拦挡结构的双向流固耦合分析，得到泥石流在沟谷内的运动规律及拦砂坝的应力和位移．

王秀丽[15-18]等将轻质高强、耐腐蚀性较好的碳纤维复合材料（CFRP）与索网结合，提出一种加强型柔性索网体系．通过九组静力拉伸试验，并运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟，研究CFRP材料对筋材静力性能的影响，冲击荷载作用下单索、组合索以及索网在粘贴碳纤维布后的动力响应，探讨碳纤维布对柔性索网抗冲击性能的影响，并与无碳纤维布的情况进行对比分析．为使透水型拦挡坝更有效地拦截泥石流中的大块石，结合拱结构的受力特点，设计出一种钢拱结构，利用ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟，用钢球模拟泥石流大块石，分别对钢拱结构的两种坝体类型的三个典型部位进行大块石冲击下的动力响应模拟，从结构的应力、冲击力、位移三个方面进行对比分析．为了提高拦挡坝的抗冲击能力，提出一种带连续防撞墩的新型泥石流拦挡坝，利用ANSYS/LS-DYNA对泥石流大块石冲击新型坝和重力式拦挡坝进行了数值模拟，分别得出了新型坝和重力坝的冲击动力响应并进行对比分析．在常规的重力式泥石流拦挡坝基础上，提出了一种带钢支撑的钢-砼组合式拦挡结构，采用流固耦合分析方法，将CFX与ANSYS相结合，在Workbench运行环境下，对常规的重力坝与新型的带支撑的拦挡坝进行了数值模拟计算及对比分析，探究了支撑布置范围、支撑高度、支撑间距等对结构极限抗冲击承载力的影响及其规律，验证了新型结构的优越性．任根立[19-20]等针对柔性网变形性好和钢管混凝土抗冲击性能良好的优点，提出十字型网状结构，用来抗击泥石流灾害中的块石冲击．利用有限元软件ANSYS LS-DYNA进行数值模拟，得到该结构在不同冲击速度、不同冲击网直径、不同冲击物质量和不同冲击高度条件下的动力响应．张万泽[21]等利用ANSYS Explicit Dynamics软件对不同的荷载作用位置下，桩间距、排间距不同的“品”字形桩林结构进行了块石冲击下的动力响应模拟和分析，对结果总结分析得出桩间距、桩排间距、荷载作用位置对桩林结构破坏形式的影响．李斌[22]等利用有限元软件ANSYS对翼墙型拦挡坝在泥石流整体冲击力作用下进行了数值模拟计算，分析了拦挡坝的变形和受力特征．最后结合拦挡坝的数值模拟计算结果，为保证拦挡坝的长期有效性，对其进行了结构设计优化，研究成果可为相似泥石流防治工程提供借鉴．苏洁[23]等针对常见的泥石流拦挡结构被冲击破坏的问题，提出了柔性石笼拱拦截坝新技术．柔性石笼拱以石笼为主要材料，砌筑成拱形，上游面铺设废旧轮胎防冲垫层，拦截泥石流．利用ANSYS LS-DYNA软件，分析了柔性石笼拱结构对泥石流冲击的动力响应．

2.3 地震中的应用

数值模拟在地震地质灾害研究中主要应用于分析应力演化过程，预测地震风险和地震引起的次生灾害．尹建华[24]等选取昆明防灾减灾中心大楼观测台阵捕获的三次中远场小震记录作为研究对象，对比ANSYS结构数值模拟和观测值之间在时程以及谱特性等方面的响应差别，证明了在弹性范围下二者结果具有较好的一致性．刘振[25]等开发了地应力场模拟自动化系统，将地质建模与地应力求解置于同一个平台环境下，利用三维地质建模技术构建地下岩体模型，展现地层之间的相互接触关系，并进行有限元求解得到三维地应力场分布．该系统能够提高建模效率、降低建模误差、简化材料参数设置，从而提高了地应力场建模自动化水平．李梦萍[26]等以地震、地质、测井等资料为基础，通过构造演化及断层落差法，分析渤南洼陷断层的分布及活动特征，为数值模拟提供地质模型．运用ANSYS软件对渤南洼陷古近纪早中期构造应力场进行有限元数值模拟．

吴立新[27]等基于玛多地震主震及余震的三维空间分布特征，依据断层走向与倾角的分段变化构建了江错断层的三维精细模型，并顾及GNSS速度场，采用黏弹性本构关系，依据库仑破裂准则，利用ANSYS有限元计算并分析了江错断层面上的应力演化过程．推测巴颜喀拉块体东南区域可能是未来发震的高风险区．王朝令[28]等采用ANSYS软件对隧道地震波场进行数值模拟，研究了频散、阻尼与吸收边界等数值模拟的相关技术．针对介质吸收，比较了数值模拟中有无阻尼的时间记录和波场快照，对比了实例中不同网格长度与频散的关系，最后对隧道地震预报进行了实例计算．算例表明，采用ANSYS软件可以有效地模拟隧道复杂地质条件下全波场的激发传播过程．

丁梓逸[29]等基于Drucker-Prager准则，采用有限元强度折减法对地震荷载下土质滑坡的稳定性进行计算，分析了不同地震荷载频率和幅值对滑坡动态响应特性的影响规律．梁健伟[30]等针对地震作用下的边坡稳定性分析，基于反应谱理论，提出了一种同时考虑了地震动力特性的动态分析方法，采用ANSYS分析地震作用下的边坡模态和反应谱，结合FLAC3D计算弹塑性变形下的边坡稳定性，得出不同工况下边坡稳定性安全系数．孙峰[31]通过物理模型实验和数值模拟实验，分析了在地震荷载作用下不同土体强度抗滑桩支护滑坡的响应过程，利用ANSYS软件，结合强度折减动力分析法，总结并建立了嵌固深度与土体强度设计值凝聚力、内摩擦角的相互作用计算模型和经验判别式．汪精河[32]等以成兰铁路某山岭隧道浅埋偏压段为研究对象，采用ANSYS软件研究了地震波入射角度对浅埋偏压隧道地震反应的影响．倪振强[33-34]等以地震作用下的非贯通节理岩质斜坡为研究对象，利用ANSYS软件建立数值模型．结果表明，地震作用下非贯通节理岩质斜坡的稳定系数受结构面的长度、密度、贯通率、展布方向等因素影响．以汶川地震中的某不稳定斜坡为研究对象，利用ANSYS建立数值模型，研究其地震作用下的动力响应．李鹏[35]等梳理了成层地基非一致地震反应的一维化时域算法和波动输入理论，完善非一致地震反应场地的三维数值模拟技术，据此建立地基—地下隧道系统纵向动力反应数值模型．通过编制FORTRAN辅助程序并借助有限元软件ANSYS实现上述动力模型的数值计算技术，数值算例验证了其精度和有效性．

2.4 火山中的应用

数值模拟在火山地质灾害研究中主要应用于演化机制方面．杨少华[36]等构建了二维高精度数值对比模型，在其他因素完全相同的情况下，考察会聚方向的差异对俯冲角度的影响，提出了台湾—吕宋双火山弧另一种可能的演化机制，有助于推进对该双火山弧和该俯冲系统的理解．李振新[37]等总结了地球物理、岩石学和地球化学、数值模拟等常用的研究手段及其适用范围，探讨了岩浆储库模型对岩浆过程、火山喷发和地壳生长等科学问题带来的新的认识和挑战．马晗瑞[38]等通过岩石化学分析手段及地球物理数值模拟方法，分析深部构造对长白山火山岩浆起源和深源地震发震机制的影响，认为长白山火山岩浆起源于地幔源区，并与太平洋板块深部俯冲有关；西太平洋板块深部脱水，产生陆内火山岩浆；俯冲板块的深部脱水产生的裂隙（断裂）可能是长白山区深源地震发震原因，且深源地震与火山作用有一定关联性．谭忠健[39]等采用有限元数值模拟方法对火山活动引起的岩石热膨胀裂缝进行定量预测．结合热力耦合分析火山通道对周缘裂缝发育的影响，确定了火山对井漏风险的影响范围．盛俭[40]等通过二维热力学耦合的数值模型对海洋板块俯冲的动力学过程进行模拟，分析了海洋板块俯冲对远离海沟的陆内火山的深部温压条件、速度场、岩浆补给量等的影响，探讨了太平洋板块对长白山天池火山活动影响的可能性及方式．段文涛[41]等利用有限元软件ANSYS WORKBENCH对火山活动岩浆冷却过程及其对围岩的热扰动过程进行了数值模拟，模拟计算了上地壳岩浆房和上中地壳岩浆房两种情景下长白山天池火山千年大喷发对温度场的可能影响．

3 结语

地质灾害的演化形成、危害及防治研究等一直是学术界的热点问题．近年来，基于计算机技术发展起来的数值模拟在我国地质灾害研究中的各个领域得到广泛应用，取得了一些重要的成果．数值模拟在滑坡地质灾害研究中主要应用在滑坡稳定性分析和破坏机理分析；在泥石流地质灾害研究中主要应用于泥石流的运动规律、影响范围、流拦挡结构和材料的性能研究；在地震地质灾害研究中主要应用于分析应力演化过程预测地震风险和地震引起次生灾害研究；在火山地质灾害研究中主要应用在演化机制方面．基于计算机技术的数值模拟在未来我国地质灾害研究中将会发挥重要作用，需要加大相关数值模拟软件开发力度，以实现高效率的科学研究．

[1] 左力艳，杨建锋．我国突发性地质灾害调查监测进展、成效与未来趋势[J]．中国矿业，2023，32（增刊2）：7-12．

[2] 王钊杰．基于ANSYS的组合结构缓冲包装缓冲性能试验与仿真模拟分析[D]．兰州：兰州交通大学，2023．

[3] 魏林宏，蔡元峰．数值模拟在地球科学研究中的应用现状与展望[J]．矿物学报，2021，41（6）：679-684．

[4] 郭长宝，倪嘉伟，杨志华，等．川西大渡河泸定段大型古滑坡发育特征与稳定性评价[J]．地质通报，2021，40（12）：1981-1991．

[5] 陈毓，周西华．黑山露天矿内排土场边坡稳定分析及治理措施[J]．煤矿安全，2019，50（12）：231-233，238．

[6] 张旭，周绍武，龚维强，等．金沙江乌东德库区必油照滑坡稳定性分析[J]．人民长江，2019，50（1）：124-129．

[7] 张会远，管巧艳，骆晓阳，等．管道穿越滑坡下静力学与数值模拟对比分析[J]．煤田地质与勘探，2017，45（1）：85-89，94．

[8] 李甜，李正媛，樊俊屹，等．降雨对滑坡的影响与基于ANSYS的滑坡数值模拟研究[J]．大地测量与地球动力学，2017，37（1）：106-110．

[9] 常治国，陈亚军，马力，等．排土场坐落-滑移式滑坡机理及数值模拟分析[J]．煤炭技术，2017，36（1）：160-162．

[10] 叶生春，秦洲，刘燕鹏．隧道施工对古滑坡体稳定性的影响分析[J]．公路，2016，61（4）：256-260．

[11] 彭岩岩，汪虎，解毅，等．南芬露天铁矿边坡稳定性有限元分析[J]．矿冶工程，2015（1）：10-13．

[12] 赵峥，刘铁骥，陈亮，等．基于Fluent强震区王家沟泥石流运动特征研究[J]．灾害学，2021，36（2）：208-212．

[13] 胡佳武，李桥，黄健．基于CFX的克枯沟泥石流动力学特性分析[J]．人民长江，2020，51（7）：26-32．

[14] 徐江，朱彦鹏．上卓沟泥石流流动特性及流体—结构流固耦合数值模拟研究[J]．水利学报，2015，46（增刊1）：248-254．

[15] 王秀丽，周磊．泥石流冲击作用下CFRP加强型柔性索网体系动力响应分析[J]．兰州理工大学学报，2021，47（1）：136-143．

[16] 王秀丽，韩志平，李文侠，等．泥石流大块石冲击下钢拱拦挡坝的抗冲击性能[J]．兰州理工大学学报，2017，43（4）：116-121．

[17] 王秀丽，冉永红，李俊杰．带连续防撞墩的新型泥石流拦挡坝抗冲击性能分析[J]．防灾减灾工程学报，2017，37（3）：474-480．

[18] 王秀丽，李俊杰，马肖彤．基于CFX-ANSYS流固耦合的新型带支撑泥石流拦挡坝抗冲击性能分析[J]．安全与环境学报，2015，15（6）：101-105．

[19] 任根立，王秀丽．泥石流块石冲击下钢绞线网组合结构的动力响应模拟研究[J]．安全与环境工程，2019，26（5）：85-93．

[20] 任根立，王秀丽，毕贵权，等．十字型网状结构在泥石流块石冲击下的动力响应数值模拟[J]．中国科技论文，2019，14（10）：1096-1104．

[21] 张万泽，黄海峰，孔伟，等．泥石流大块石冲击作用下桩林结构的破坏形式及其优化分析[J]．科学技术与工程，2018，18（4）：15-22．

[22] 李斌，赵阳，龙建辉．翼墙型拦挡坝在泥石流防治中的应用研究：以塘房沟泥石流治理为例[J]．自然灾害学报，2017，26（6）：129-135．

[23] 苏洁，周成，陈生水，等．石笼拱柔性拦截坝新技术及其数值模拟[J]．岩土工程学报，2015（2）：269-275．

[24] 尹建华，冀昆，崔建文，等．基于中远场小震结构台阵观测数据的地震响应分析[J]．震灾防御技术，2018，13（4）：911-920．

[25] 刘振，吴耕宇，杨博，等．基于CreatarXModeling的地应力场模拟自动化系统研究[J]．科学技术与工程，2017，17（15）：19-25．

[26] 李梦萍，戴俊生，王硕，等．渤南洼陷古近纪早中期应力场数值模拟及其与断层发育的关系[J]．地质科技情报，2017，36（4）：42-48．

[27] 吴立新，卢菁琛，毛文飞，等．基于断层倾角分段变化的玛多地震发震断层构造应力场演化数值模拟分析[J]．地球物理学报，2022，65（10）：3844-3857．

[28] 王朝令，刘争平，黄云艳，等．隧道地震预报波场的有限元数值模拟[J]．吉林大学学报（地球科学版），2014（4）：1369-1381．

[29] 丁梓逸，王宇栋，吴兴贵，等．基于ANSYS有限元强度折减法的土质滑坡地震响应特性研究[J]．工业建筑，2023，53（增刊2）：576-582．

[30] 梁健伟，陈海啸，戴旭明，等．基于反应谱分析的边坡动力响应与地震稳定性数值模拟[J]．科学技术与工程，2021，21（28）：12210-12217．

[31] 孙峰．地震中土体强度对抗滑桩变形和嵌固深度的影响[J]．人民长江，2016，47（14）：64-68．

[32] 汪精河，周晓军，刘建国，等．地震波斜入射下浅埋偏压隧道动力响应数值分析[J]．兰州大学学报（自然科学版），2016，52（4）：455-459，465．

[33] 倪振强．地震作用下岩质斜坡破坏机制研究[J]．长江科学院院报，2015，32（10）：96-100．

[34] 倪振强，史存鹏，韩涛．地震滞后滑坡的破坏机理及防治措施研究[J]．长江科学院院报，2015，32（9）：63-68．

[35] 李鹏，宋二祥．隧道纵向非一致地震反应的三维数值分析[J]．地震工程与工程振动，2014，34（增刊1）：274-280．

[36] 杨少华，李海兵，潘家伟，等．台湾-吕宋双火山弧的可能成因：菲律宾板块北西向加速运动[J]．地质学报，2022，96（8）：2917-2926．

[37] 李振新，张少兵．地壳中的岩浆储库[J]．矿物岩石地球化学通报，2023，42（5）：1017-1027，964．

[38] 马晗瑞，盛俭，杨清福．深部构造对吉林省东部火山与深震活动影响[J]．灾害学，2018，33（1）：44-48．

[39] 谭忠健，邓津辉，张向前，等．基于热力耦合分析的火山热膨胀型裂缝定量表征[J]．地球科学，2023，48（7）：2665-2677．

[40] 盛俭，廖杰，李永义，等．太平洋板块俯冲对长白山天池火山的影响[J]．地球物理学报，2018，61（11）：4396-4405．

[41] 段文涛，黄少鹏，唐晓音，等．利用ANSYS WORKBENCH模拟火山岩浆活动热扩散过程[J]．岩石学报，2017，33（1）：267-278．

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

王亚东（1994-），男，内蒙古呼伦贝尔人，研究实习员，硕士，从事地质工程、岩土工程研究．E-mail：374137564@qq.com