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摘要
堰塞体是由崩塌、滑坡、泥石流、冰碛等形成的结构松散的堆积体,且多由宽级配无黏性土组成,易在上游水位抬升过程中产生渗透破坏,从而导致溃决,对下游居民财产与生命安全造成严重威胁。基于离散元和流体动力学(CFD–DEM)相耦合的数值模拟方法是研究堰塞体渗透破坏过程及颗粒冲蚀规律等的有力工具,但CFD–DEM耦合计算方法需要不断地交互计算及数据传递,导致计算量大,计算速度较慢。基于堰塞体颗粒材料在渗透破坏过程中的受力特征,在分析渗透破坏过程中流体对颗粒作用力的基础上,利用加速度场与拖曳力的简化形式表征流场作用力,提出一种简化的渗透破坏离散元快速模拟方法。该方法可以将堰塞体颗粒在渗流场中所受的作用力,直接以加速度场的方式施加在DEM模块中,减少了传统CFD–DEM耦合方法中的双模块交互迭代所需要的计算量,从而在保留CFD–DEM耦合方法计算效果的基础上,有效提升计算效率。最后,针对宽级配无黏性堰塞体土料,利用简化后的理想不连续级配颗粒模型,对比CFD–DEM耦合方法计算结果,对本文所提出的快速模拟方法的合理性和有效性进行了验证。结果表明:在试样细颗粒流失量随运行时步的变化值与变化趋势方面,简化模拟方法与CFD–DEM耦合方法基本一致,流失量误差不超过3.4%,这表明了本文所提简化模拟方法的可靠性;当对某一具体的堰塞体颗粒采取简化模拟方法进行模拟时,误差的具体量值可能会发生变化。计算速度方面,快速模拟方法在本文模拟中的运行速度约为CFD–DEM耦合模拟方法的3.5倍,且当颗粒数量越多时,简化模拟方法的计算速度提升越明显。
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单位中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司; 流域水循环模拟与调控国家重点实验室; 中国水利水电科学研究院; 中国地质大学（北京）
