Comsol多物理场仿真软件在滑坡数值模拟中的运用

摘    要：滑坡地质灾害由于其成因机制特殊，涉及水与岩土体之间作用，有关能模拟流-固耦合的软件相对较少。而Comsol作为一款多物理场仿真软件，其“多孔弹性”接口很好的做到了达西定律与固体力学的耦合，对于评估流体导致岩土体的变形有很大的优势。基于此，文中以某实际滑坡案例为基础，利用Comsol多物理场数值模拟软件对滑坡进行了流-固耦合计算，获取了滑坡的变形破坏机理及特征。

关键词：Comsol多物理场仿真软件;流-固耦合;滑坡;

引言

Comsol多物理场仿真软件，涉及电气、结构、声学、流体、传热等各个学科领域，对流-固耦合计算有天然的优势。对于针对滑坡问题中流-固耦合计算他有专门的计算接口“多孔弹性”接口，该接口主要对达西定律与固体力学进行了耦合。多孔塌陷模型主要描述了多孔介质中流体与基体变形之间的相互作用，基体中流体的变化将产生流体压力或同等水头。因此在模拟水对岩土体作用时，其所采用的本构方程具有极大的优势。

西南某滑坡处于浅层变质岩区域，该区域年降雨充沛，基岩裂隙十分发育。因此，地下水较为发育，滑坡区内可见多出下降泉。研究区内主要分布岩性较为单一，为粉砂质泥岩，是地下水主要赋存介质。经实地调查，该滑受地下水影响明显，因此有必要进行流-固耦合计算。基于此，文中选用Comsol多物理场仿真软件对该滑坡进行了流固耦合计算，分析了地下水对滑坡的作用特征与机理[1]。

一、软件介绍

COMSOL Multiphysics是一款通用的多物理场耦合仿真软件，内部提供完全耦合的多物理场和单物理场建模功能、仿真数据管理，可用于工程、制造和科学研究的绝大多数领域。涉及电磁、结构&声学、流体&传热、化工等四个大专项，下含结构力学模块、岩体力学模块、多孔介质流模块、地下水流模块、管道流模块、波动光学模块、射线光学模块、等离子体模块、半导体模块等36个模。内置耦合物理场外，还可自定义物理场方程以进行多物理场耦合分析[2,3]。

流固耦合理论及控制方程[4]

一般固体变形控制方程主要由三个方程构成：应力平衡方程、几何变形方程、本构方程。具体方程如下：

其张量形式如下：

当涉及渗流场耦合时，考虑流固耦合的张量形式如下：

其中，

E：弹性模量；G：剪切模量；v：泊松比；Fi和ui(i=x,y,z）：体力在位移i方向的分量；P：孔隙水压力；α：有效应力系数，取值范围0≤α≤1。可由实验得到，也可由公式近似计算，如式1-6

式中，K’和K分别为破碎岩体有效体积模量和岩石的原始体积模量。

渗流场方程

由流体质量守恒方程和Darcy定律得：

式中：

式中：

εv—为体积应变；I—介质的孔隙率；βl—孔隙流体的体积模量（Pa);t—时间（s);k—连续介质固有的渗透率（m2）；μl—流体的动力粘性系数（Pa.s）；ρl—流体密度（kg/m2);g—重力加速度（m/s2）。

二、计算及结果分析

1．计算

根据滑坡的实际情况，选取一个具有代表性的剖面（图1）。通过现场试验并结合根据工程地质手册（第五版）获取了模拟所需岩土体参数如下（表1）。

图1 计算模型 

表1  

考虑到滑坡所处区位的实际情况，对滑坡进行了流-固耦合分析后获得了流固耦合前滑坡渗流场分布、空隙水压力分布、应力云图、总位移云图以及流固耦合后应力云图及位移云图（图2～图7）。

图2 渗流场及空隙水压力分布

图3 流固耦合前应力分布

图4 初始位移分布（右）

图5 流固耦合后应力分布

图6 流固耦合后位移分布

图7 等效塑性应变区

2．结果分析

通过计算后发现，斜坡流固耦合计算前由图2-3可知，斜坡最大位移分布于斜坡较陡位置，其中斜坡后缘位移最大约0.004m，因滑坡所在位置后缘存在少量崩塌，与实际较为符合。进行流-固耦合计算后由图2-4可知，在地下水作用下斜坡整体出现了较大位移，最大位移发生在斜坡坡脚位置约0.02m。对比图2-5等效塑性区分布可以发现，流固耦合计算后斜坡坡脚发生了较大塑性应变，导致了斜坡坡脚出现破坏，诱发了滑坡。

由此说明地下水对斜坡的作用集中在斜坡坡脚。地下水在对斜坡坡脚作用过程中软化了岩土体，弱化了岩土体的物理力学性质，降低了斜坡抗滑力，最终诱发了滑坡，与滑坡实际情况基本符合。

三、结论

1．针对滑坡案例中流-固耦合计算过程中，Comsol多物理场仿真数值软件具有很好的计算优势。可以清晰反映出在地下水作用下，斜坡应力分布、位移分布以及塑性应变区的分布。

2．地下水对斜坡的作用，主要集中在斜坡坡脚，对坡脚产生较高孔隙水压力，软化岩土体的物理力学性质，降低斜坡抗滑力。

3．通过对比滑坡实际变形破坏特征后发现，Comsol数值计算结果与实际基本符合。因此在针对滑坡问题中流-固耦合分析具有较大的优势。

参考文献

[1] 李柯柯，徐颖，李金宝等.基于COMSOL的多孔介质热-流-变形耦合数值模拟[J].当代化工，2022,51(02):441-445.

[2] 尹红球，陈滔.基于COMSOL Multiphysics软件的回采工作面开挖模拟模型优化[J].煤炭技术，2020,39(11):50-52.

[3] 李金峰，刘尚校.基于COMSOL开发的煤矿承压水上开采数值模拟软件[J].内蒙古煤炭经济，2018(21):16+22.

[4] 吕亚东.复杂条件下填方与地质环境互馈作用机理研究[D].贵州大学，2022.

文章来源：中国水运