一种碎屑流滑坡模型的制作方法及数值模拟方法

1.本发明涉及碎屑流滑坡模型，特别涉及一种碎屑流滑坡模型的制作方法及数值模拟方法。


背景技术：

2.地震发生时，地震波产生的加速度可形成边坡上的动剪应力，造成本就固结度极低的松散堆积体产生滑动，并且由于高边坡所形成的堆积体滑坡具有高度的流动性，其致灾范围可达数千米，造成的人员伤亡和财产损失极其严重。因此如何对堆积体高边坡的滑坡致灾范围影响机理进行分析，并开展相关的防灾减灾风险预测，成为了一项亟待解决的重大科学问题。
3.目前研究针对地震作用下堆积体高边坡失稳致灾主要有震害调查、基于室内常规剪切试验的理论分析与数值模拟、和碎屑流斜槽试验等几种方法。但是由于地震难以有效预测，震害调查主要为灾后抗震救灾工作提供依据；常规边坡物理模型试验如振动台试验受限于模型盒，难以考虑地形对堆积体滑动致灾结果的影响。
4.目前已有的少数堆积体高边坡物理模型针对排土场这种人工松散堆积体，或采用台阶式堆积体，在室内研究碎屑流滑坡致灾特征，但其堆积体材料并非在地形基础上自由堆积形成。另外，碎屑流斜槽试验采用简单斜面，难以复刻松散堆积体高边坡的地表。
5.基于室内常规剪切试验的理论分析与数值模拟，模型尺度较为单一，难以形成系统性分析。在堆积体滑坡的离散元数值模拟方面，虽然众多科技工作者尝试复现堆积体滑坡的致灾效果，但是当前计算机无法满足真实堆积体粒径条件，学者们为了预测滑坡致灾范围，通常进行简单简化，导致缺少合理的数值模拟过程，更缺乏合理的验证。
6.综上，针对堆积体高边坡失稳所导致的大范围致灾风险，现有技术难以在试验中考虑地形对松散堆积体滑动致灾的影响，存在工程尺度碎屑流滑坡致灾范围预测方法不足的关键问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种碎屑流滑坡模型的制作方法及数值模拟方法。
8.为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种碎屑流滑坡模型的制作方法，包括以下步骤：（1）建立碎屑流滑坡三维实体模型：首先根据地质数据，通过离散光滑插值法建立实际的地质三维模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型；利用计算机软件采用布尔运算将地质三维模型切割出堆积体高边坡斜截面基底模型，切割角度为10~70度；利用计算机软件建立缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表面模型并存为3d打印机能识别的格式文件，各缩小比例一致且为1:100~1:1000；（2）缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表
模型的制作：将打印粉料送至3d打印机送料仓，将步骤（1）中的格式文件传送至控制模块，分别打印出缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型薄片；（3）堆积体高边坡模型的合成制作：对步骤（2）中的缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型表面进行涂胶，然后在缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型的表面薄覆一层过渡面，所述过渡面的厚度为1~3mm；并用步骤（2）中的缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片作为堆积体高边坡模型的顶部边界；将堆积体在过渡面和缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片之间堆积，并用缩小尺度的滑坡前的地表模型覆盖在缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片的外表面。
9.所述3d打印机能识别的格式文件为stl文件或obj文件。
10.所述利用计算机软件采用布尔运算将地质三维模型切割出堆积体高边坡斜截面基底模型为，利用计算机设计软件，以地质三维实体模型上地表的最低点为散射面，切割出顶面为固定切割角度斜截面，斜截面的下部形成堆积体高边坡基底。
11.所述过渡面选用滑面土或堆积土铺设形成。
12.步骤（2）中缩小尺度的滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型薄片均选用塑质材料打印。
13.所述碎屑流滑坡模型包括仿真物理模型和对照物理模型；所述仿真物理模型的制作具体为：步骤（2）中缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型选用打印粉料为仿真材料，仿真材料由质量比为8~9:6~8:1~2:1的细砂、滑体粉、膨润土和叶腊组成；步骤（3）中的堆积体选用为现场获取的松散堆积土；所述对照物理模型的制作具体为：步骤（2）中缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型选用打印粉料为对照材料，对照材料由质量比为8~9:6~8:1~2:1的玻璃颗粒、滑体粉、膨润土和叶腊组成；步骤（3）中的堆积体选用为塑料颗粒或玻璃颗粒；塑料颗粒形状为球形、方形、四面体、圆柱形中的任意一种或几种；玻璃颗粒形状为球形、方形、四面体、圆柱形中的任意一种或几种。
14.一种基于碎屑流滑坡模型制作方法的数值模拟方法，包括以下步骤：（s1）堆积体高边坡动力试验：利用碎屑流滑坡模型的制作方法分别制作仿真物理模型和对照物理模型，获得对应的堆积体高边坡模型后，分别取下对应的缩小尺度的滑坡前的地表模型，开展振动台试验，观察不同的堆积体粒径、不同颗粒形态对试验结果的影响，并获得相应的试验参数数据；（s2）堆积体高边坡振动台试验模拟：根据仿真物理模型和对照物理模型以及实地现场实验获取的参数构建堆积体高边坡三维离散元模型, 并开展堆积体高边坡振动台试验模拟，模拟不同材料、不同颗粒形态的振动台试验，分析结果，并与步骤（s1）中获得的试验参数数据相互验证，评估高边坡三维离散元数值模型的可靠性；(s3)多尺度震动致灾滑坡模拟：完成高边坡三维离散元数值模型可靠性验证后，开展由小及大的多尺度高边坡三维离散元模拟，加载地震波形成的动剪应力，观察不同尺度下碎屑流滑坡的启动、滑动过程以及致灾结果，根据多尺度高边坡三维离散元模拟的数值模拟结果，研究滑坡机制和影响因素；(s4)工程尺度碎屑流滑坡数值模拟: 开展不同放大比例的离散元模拟调试直至
达到真实工程尺度，完成堆积体高边坡受地震形成碎屑流滑坡致灾范围影响机理分析，并与工程实际滑坡资料进行对比，验证所提出数值模拟方法用于预测工程尺度滑坡致灾的可靠性。
15.所述离散光滑插值法采用itascad软件；所述三维离散元模拟采用pfc3d软件。
16.所述步骤（s2）中所述堆积体高边坡三维离散元模型采用无粘结或弱粘结本构作为细观本构模型，以适应堆积体的松散性。
17.所述振动台试验模拟采用三向六自由度模拟地震振动台。
18.所述多尺度高边坡三维离散元模拟为模型尺寸1:100至1:1000的三维离散元数值模拟。
19.本发明所具有的有益效果为：通过确定的堆积体底部和顶部界面，将堆积体分为高边坡基底、过渡界面 、地表，并分别制作各部位，进一步降低了打印难度，建立了完全复刻地表的堆积体高边坡室内缩尺模型，在后期分析中可充分考虑地形和堆积体流动性对堆积体滑动致灾范围的影响，更贴近于工程实际，满足当前对碎屑流滑坡致灾范围预测的应急防灾需求, 可为快速制定滑坡应急防灾预案提供技术支撑。
20.基于建立的完全复刻地表的堆积体高边坡室内缩尺模型，同时建立同等尺度的数值模拟，可充分评估验证数值模拟的结果的可靠性和有效性，结果也更准确。
21.开展多尺度松散堆积体滑坡三维离散元模拟，同时加载地震波形成的动剪应力，研究动剪应力条件下松散堆积体滑坡致灾范围影响因素的跨尺度敏感性，直至放大到真实工况尺度，并根据工程实际滑坡资料验证数值模拟可靠性，解决从室内试验小尺度到工程尺度的模拟方法，为堆积体高边坡工程实际防灾减灾问题的解决提供有效支撑。
附图说明
22.图1为构建碎屑流滑坡的模型图以及数值模拟方法流程图；图2为本发明碎屑流滑坡前的结构示意图；图3为本发明碎屑流滑坡前的侧面结构示意图；图4为地质三维实体模型堆积体高边坡基底切割示意图；图5为碎屑流滑坡前的地表结构示意图；图6为碎屑流滑坡后的地表结构示意图；图7为构建堆积体高边坡三维离散元模型的方法流程图；图8为碎屑流滑坡数值的模拟示意图；图9为实际滑坡灾害发生后的航拍示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明进一步描述实施例1如图1所示，一种碎屑流滑坡的模型制作方法，包括以下步骤：（1）建立碎屑流滑坡三维实体模型：首先根据地质数据，通过离散光滑插值法建立
实际的地质三维模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型；如图4所示,利用计算机软件采用布尔运算将地质三维模型切割出堆积体高边坡斜截面基底模型，切割角度为30度；利用计算机设计软件建立缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表面模型并存为3d打印机能识别的格式文件，所述3d打印机能识别的格式文件为stl文件，各缩小比例一致且为1:1000；所述利用计算机软件采用布尔运算将地质三维模型切割出堆积体高边坡斜截面基底模型为，利用计算机设计软件，以地质三维实体模型上地表的最低点为散射面，切割出顶面为固定切割角度斜截面，斜截面的下部形成堆积体高边坡基底；（2）缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型的制作：将打印粉料送至3d打印机送料仓，将步骤（1）中的格式文件传送至控制模块，分别打印出缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型薄片,如图2、图3、图5所示,即为所打印的碎屑流滑坡前的结构示意图，如图6所示，即为所打印的碎屑流滑坡后的地表结构示意图；（3）堆积体高边坡模型的合成制作：对步骤（2）中的缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型表面进行涂胶，然后在缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型的表面薄覆一层过渡面，所述过渡面的厚度为1mm；并用步骤（2）中的缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片作为堆积体高边坡模型的顶部边界；将堆积体在过渡面和缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片之间堆积，并用缩小尺度的滑坡前的地表模型覆盖在缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片的外表面；所述过渡面选用滑面土铺设形成。在本实施例中，碎屑流滑坡模型的制作方法步骤（1）中所述离散光滑插值法采用itascad软件。
24.在本实施例中，碎屑流滑坡模型的制作方法中所述的3d打印机采用三维印刷工艺。
25.在本实施例中，碎屑流滑坡模型的制作方法中所述碎屑流滑坡模型包括仿真物理模型和对照物理模型；仿真物理模型的制作或对照物理模型的制作均采用碎屑流滑坡模型的制作方法；仿真物理模型的制作具体为：步骤（2）中缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型选用打印粉料为仿真材料，仿真材料由质量比为8:6:1:1的细砂、滑体粉、膨润土和叶腊组成；步骤（3）中的堆积体选用为现场获取的松散堆积土；步骤（2）中打印滑坡前、后的地表模型打印粉料均选用塑质材料；对照物理模型的制作具体为：步骤（2）中缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型选用打印粉料为对照材料，对照材料由质量比为8:6:1:1的玻璃颗粒、滑体粉、膨润土和叶腊组成；步骤（3）中的堆积体选用为塑料颗粒或玻璃颗粒；塑料颗粒形状为球形、方形、四面体、圆柱形中的任意一种或几种的组合；玻璃颗粒形状为球形、方形、四面体、圆柱形中的任意一种或几种的组合。提供一种基于碎屑流滑坡模型的制作方法的碎屑流滑坡模型的数值模拟方法，包括以下步骤：（s1）堆积体高边坡动力试验：利用碎屑流滑坡模型的制作方法分别制作仿真物理模型和对照物理模型, 获得对应的堆积体高边坡模型后，分别取下对应的缩小尺度的滑坡前的地表模型，开展振动台试验，观察不同的堆积体粒径、不同颗粒形态对试验结果的影响，并获得相应的试验参数数据；
（s2）堆积体高边坡振动台试验模拟：根据仿真物理模型和对照物理模型以及实地现场实验获取的参数构建堆积体高边坡三维离散元模型, 并开展堆积体高边坡振动台试验模拟，模拟不同材料、不同颗粒形态的振动台试验，分析结果，并与步骤（s1）中获得的试验参数数据相互验证，评估高边坡三维离散元数值模型的可靠性；(s3)多尺度震动致灾滑坡模拟：完成高边坡三维离散元数值模型可靠性验证后，开展由小及大的多尺度高边坡三维离散元模拟，加载地震波形成的动剪应力，观察不同尺度下碎屑流滑坡的启动、滑动过程以及致灾结果，根据多尺度高边坡三维离散元模拟的数值模拟结果，研究滑坡机制和影响因素；(s4)工程尺度碎屑流滑坡数值模拟：开展不同放大比例的离散元模拟调试直至达到真实工程尺度，完成堆积体高边坡受地震形成碎屑流滑坡致灾范围影响机理分析，并与工程实际滑坡资料进行对比，验证所提出数值模拟方法用于预测工程尺度滑坡致灾的可靠性。
26.在本实施例中，数值模拟方法步骤（3）中所述离散元模拟采用pfc3d软件；所述离散光滑插值法采用itascad软件。
27.在本实施例中，数值模拟方法步骤（2）中所述堆积体高边坡三维离散元模型采用无粘结或弱粘结本构作为细观本构模型，以适应堆积体的松散性。
28.在本实施例中，数值模拟方法步骤（2）中所述振动台试验结果与步骤（1）中获得的试验参数数据相互验证，主要是地震波的工程尺度模拟加载方法、颗粒模型的可靠性和体积-重量法。
29.在本实施例中，数值模拟方法中所述多尺度高边坡三维离散元模拟为模型尺寸1:100至1:1000的三维离散元数值模拟。
30.具体实例丽水市莲都区雅溪镇里东村某边坡，滑坡区属低山丘陵地貌，地势西高东低，呈倾斜状，瓯江水系小安溪的小支流由北东向南西从滑坡前缘穿过，河流宽5～15m，河底高程为197.00m。滑坡前缘高程为202.8～206.20m，滑坡后缘高程在332.0m左右，相对高差126.0～130.0m，附近居民区一带高程约为199.80m；坡面呈阶梯状，地形坡度角一般为25～40
°
，前缘坡度角为40～50
°
的陡坡，滑坡后缘地形坡度角为30～40
°
，滑坡前缘坡脚切坡形成高2～4m，坡度约80～90
°
，较陡。滑坡两侧有小冲沟微地貌发育。滑体物质组成主要为碎石土，由碎块石与粉质粘土、粉土组成，黄褐色、灰褐色，稍密，稍湿，碎块石母岩成分为晶屑凝灰岩，多呈棱角状和次棱角状，含量40～60%，粒径多为10～50cm，间夹少量粒径1～3m左右的块石，充填物质为粉质粘土、粉土等。
31.一种碎屑流滑坡的模型制作方法，包括以下步骤：（1）建立碎屑流滑坡三维实体模型：首先根据丽水市莲都区雅溪镇里东村某边坡的地质数据，通过采用itascad建立实际的地质三维模型和滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型，利用计算机软件采用布尔运算将地质三维模型切割出堆积体高边坡斜截面基底模型，切割角度为80度，利用计算机设计软件建立1:1000的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表面模型，并存为3d打印机能识别的格式文件，所述3d打印机能识别的格式文件为stl文件；所述利用计算机软件采用布尔运算将地质三维模型切割出堆积体高边坡斜截面基底模型为，利用计算机设计软件，以地质三维实体模型上地表的最
低点为散射面，切割出顶面为固定切割角度斜截面，斜截面的下部形成堆积体高边坡基底；（2）缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型的制作：将打印粉料送至3d打印机送料仓，将步骤（1）中的格式文件传送至控制模块，分别打印出缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型薄片；3d打印机采用三维印刷工艺；（3）堆积体高边坡模型的合成制作：对步骤（2）中的缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型表面进行涂胶，然后在缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型的表面薄覆一层过渡面，所述过渡面的厚度为1mm；并用步骤（2）中的缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片作为堆积体高边坡模型的顶部边界；将堆积体在过渡面和缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片之间堆积，并用缩小尺度的滑坡前的地表模型覆盖在缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片的外表面；所述过渡面选用滑面土铺设形成；碎屑流滑坡的仿真物理模型的制作具体为：步骤（2）中缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型选用打印粉料为仿真材料，仿真材料由质量比为8:6:1:1的细砂、滑体粉、膨润土和叶腊组成；步骤（3）中的堆积体选用为现场获取的松散堆积土；步骤（2）中打印滑坡前、后的地表模型打印粉料均选用塑质材料；对照物理模型的制作具体为：步骤（2）中缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型选用打印粉料为对照材料，对照材料由质量比为8:6:1:1的玻璃颗粒、滑体粉、膨润土和叶腊组成；步骤（3）中的堆积体选用为塑料颗粒或玻璃颗粒；塑料颗粒形状为球形、方形、四面体、圆柱形中的任意一种或几种；玻璃颗粒形状为球形、方形、四面体、圆柱形中的任意一种或几种。
32.一种基于碎屑流滑坡模型的制作方法的碎屑流滑坡模型的数值模拟方法，包括以下步骤：（s1）堆积体高边坡动力试验：利用碎屑流滑坡模型的制作方法分别制作仿真物理模型和对照物理模型, 获得对应的堆积体高边坡模型后，分别取下对应的缩小尺度的滑坡前的地表模型，开展振动台试验，观察地震波、堆积体级配、不同颗粒形态对试验结果的影响，并获得相应的试验参数数据，如下表所示：堆积体粒径与安全系数的关系颗粒形态参数表（s2）堆积体高边坡振动台试验模拟：如图7所示，根据仿真物理模型和对照物理模型以及实地现场实验获取的参数构建堆积体高边坡三维离散元模型, 并开展堆积体高边
坡振动台试验模拟，模拟不同材料、不同颗粒形态的振动台试验；(s3)多尺度震动致灾滑坡模拟：基于s2的初步数值模拟，进一步开展由小及大的多尺度高边坡三维离散元模拟，加载地震波形成的动剪应力，观察不同尺度下碎屑流滑坡的启动、滑动过程以及致灾结果，根据多尺度高边坡三维离散元模拟的数值模拟结果，研究滑坡机制和影响因素，如下表所示：滑坡影响因素及机制(s4) 工程尺度碎屑流滑坡数值模拟：以1：1的比例进行滑坡数值模拟，完成堆积体高边坡受地震形成碎屑流滑坡致灾范围影响机理分析，具体的模拟结果如图8所示，经测量分析，结果为,滑坡体主要沿原坡表的东南方向滑动,所产生的最大危险距离为270m；根据测量结果，为确保人民群众的生命财产安全，建议居民生活区、工业和商业区及交通设施等设在300m以外的区域，并在危险区内采用种树、设置隔离带等方式，确保其对群众的安全生活无影响。
33.实际上，该地区于2012及2015年均发生了滑坡灾害，根据滑坡后的遥感影像，如图9所示，此为2015.11于灾后拍摄的影像，滑坡致灾范围与模拟出的致灾范围距离一致，本发明所提出的模型和方法对快速预测地质灾害的可靠性较好。
34.工作原理：通过预处理虚拟三维地质模型，然后采用3d打印进行辅助的方法，构建用于研究基于真实地形的缩尺室内边坡物理模型，具体采用在虚拟滑坡地质模型基础上使用斜截面切割（布尔运算），使的坡底和地表分别打印，实验随后开展,首先获得此滑坡物理模型的进一步试验数据，然后开展同尺度的离散元模拟，用试验数据对离散单元法模拟进行验证（提出体积-重量法模拟滑坡体）。最后，将离散元数值模型通过比例放大至工程尺度，并根据工程实际滑坡资料研究跨尺度模型的可靠性。据此，完成基于真实地形的跨尺度松散堆积体高边坡失稳致灾方法和技术的提出和可靠性验证。
35.同时，考虑地震波动剪应力的存在，通过所提出室内物理模型的振动台试验来实现，并据此展开室内试验尺度和大尺度数值模拟，前者就室内试验进行验证，后者通过已发生的实际滑坡进行验证。
36.实施例2本发明的实施例2，与实施例1不同之处在于，碎屑流滑坡的模型制作方法步骤（1）中模型存为obj的格式文件，切割角度为70度，缩小比例为1:100；碎屑流滑坡的模型制作方法步骤（2）中过渡面的厚度为3mm；碎屑流滑坡的模型制作方法步骤（3）中所述过渡面选用堆积土铺设形成；碎屑流滑坡的模型制作方法中所述的3d打印机采用逐层堆积工艺；在本
实施例中，碎屑流滑坡模型的制作方法中所述碎屑流滑坡模型包括仿真物理模型和对照物理模型；仿真物理模型的制作或对照物理模型的制作均采用碎屑流滑坡模型的制作方法；仿真物理模型的制作具体为：步骤（2）中缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型选用打印粉料为仿真材料，仿真材料由质量比为9:8:2:1的细砂、滑体粉、膨润土和叶腊组成；步骤（3）中的堆积体选用为现场获取的松散堆积土；步骤（2）中打印滑坡前、后的地表模型打印粉料均选用塑质材料；对照物理模型的制作具体为：步骤（2）中缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型选用打印粉料为对照材料，对照材料由质量比为9:8:2:1的玻璃颗粒、滑体粉、膨润土和叶腊组成；步骤（3）中的堆积体选用为塑料颗粒或玻璃颗粒；塑料颗粒形状为球形、方形、四面体、圆柱形中的任意一种；玻璃颗粒形状为球形、方形、四面体、圆柱形中的任意一种。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本实用新到型和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
38.如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，如没有另外声明，上述词语并没有特殊的含义。
39.最后应说明的是：不同的碎屑流滑坡模型可根据本专利的碎屑流滑坡模型的制作方法设计原理，设计制作，上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种碎屑流滑坡模型的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）建立碎屑流滑坡三维实体模型：首先根据地质数据，通过离散光滑插值法建立实际的地质三维模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型；利用计算机软件采用布尔运算将地质三维模型切割出堆积体高边坡斜截面基底模型，切割角度为10~70度；利用计算机软件建立缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表面模型并存为3d打印机能识别的格式文件，各缩小比例一致且为1:100~1:1000；（2）缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型的制作：将打印粉料送至3d打印机送料仓，将步骤（1）中的格式文件传送至控制模块，分别打印出缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型、滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型薄片；（3）堆积体高边坡模型的合成制作：对步骤（2）中的缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型表面进行涂胶，然后在缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型的表面薄覆一层过渡面，所述过渡面的厚度为1~3mm；并用步骤（2）中的缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片作为堆积体高边坡模型的顶部边界；将堆积体在过渡面和缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片之间堆积，并用缩小尺度的滑坡前的地表模型覆盖在缩小尺度的滑坡后的地表模型薄片的外表面。2.根据权利要求1所述的一种碎屑流滑坡模型的制作方法，其特征在于，所述过渡面选用滑面土或堆积土铺设形成。3.根据权利要求1所述的一种碎屑流滑坡模型的制作方法，其特征在于，所述步骤（2）中缩小尺度的滑坡前的地表模型、滑坡后的地表模型薄片均选用塑质材料打印。4.根据权利要求1所述的一种碎屑流滑坡模型的制作方法，其特征在于，所述碎屑流滑坡模型包括仿真物理模型和对照物理模型；所述仿真物理模型的制作具体为：步骤（2）中缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型选用打印粉料为仿真材料，仿真材料由质量比为8~9:6~8:1~2:1的细砂、滑体粉、膨润土和叶腊组成；步骤（3）中的堆积体选用为现场获取的松散堆积土；所述对照物理模型的制作具体为：步骤（2）中缩小尺度的堆积体高边坡斜截面基底模型选用打印粉料为对照材料，对照材料由质量比为8~9:6~8:1~2:1的玻璃颗粒、滑体粉、膨润土和叶腊组成；步骤（3）中的堆积体选用为塑料颗粒或玻璃颗粒；塑料颗粒形状为球形、方形、四面体、圆柱形中的任意一种或几种；玻璃颗粒形状为球形、方形、四面体、圆柱形中的任意一种或几种。5.一种基于权利要求4所述一种基于碎屑流滑坡模型的制作方法的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：（s1）堆积体高边坡动力试验：利用碎屑流滑坡模型的制作方法分别制作仿真物理模型和对照物理模型，获得对应的堆积体高边坡模型后，分别取下对应的缩小尺度的滑坡前的地表模型，开展振动台试验，观察不同的堆积体粒径、不同颗粒形态对试验结果的影响，并获得相应的试验参数数据；（s2）堆积体高边坡振动台试验模拟：根据仿真物理模型和对照物理模型以及实地现场实验获取的参数构建堆积体高边坡三维离散元模型, 并开展堆积体高边坡振动台试验模拟，模拟不同材料、不同颗粒形态的振动台试验，分析结果，并与步骤（s1）中获得的试验参
数数据相互验证，评估高边坡三维离散元数值模型的可靠性；(s3)多尺度震动致灾滑坡模拟：完成高边坡三维离散元数值模型可靠性验证后，开展由小及大的多尺度高边坡三维离散元模拟，加载地震波形成的动剪应力，观察不同尺度下碎屑流滑坡的启动、滑动过程以及致灾结果，根据多尺度高边坡三维离散元模拟的数值模拟结果，研究滑坡机制和影响因素； (s4)工程尺度碎屑流滑坡数值模拟: 开展不同放大比例的离散元模拟调试直至达到真实工程尺度，完成堆积体高边坡受地震形成碎屑流滑坡致灾范围影响机理分析，并与工程实际滑坡资料进行对比，验证所提出数值模拟方法用于预测工程尺度滑坡致灾的可靠性。6.根据权利要求5所述的一种基于该碎屑流滑坡模型的数值模拟方法，其特征在于，所述离散光滑插值法采用itascad软件；所述三维离散元模拟采用pfc3d软件。7.根据权利要求5所述的碎屑流滑坡模型的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤（s2）中所述堆积体高边坡三维离散元模型采用无粘结或弱粘结本构作为细观本构模型，以适应堆积体的松散性。8.根据权利要求5所述的碎屑流滑坡模型的数值模拟方法，其特征在于， 所述振动台试验模拟采用三向六自由度模拟地震振动台。9.根据权利要求5所述的碎屑流滑坡模型的数值模拟方法，其特征在于，所述多尺度高边坡三维离散元模拟为模型尺寸1:100至1:1000的三维离散元数值模拟。

技术总结
本发明公开了一种碎屑流滑坡模型的制作方法，包括建立碎屑流滑坡三维实体模型、堆积体高边坡斜截面基底与地表的制作和堆积体高边坡模型的合成制作,同时提供了基于该碎屑流滑坡室内模型的三维数值模型，包括验证三维数值模型可靠性的堆积体高边坡动力试验、多尺度的堆积体高边坡三维离散元模拟和碎屑流滑坡致灾范围影响机理分析。本发明通过确定的堆积体底部和顶部界面，将堆积体分为高边坡基底、过渡面、地表，并分别制作各部位，进一步降低了打印难度，建立了完全复刻地表的堆积体高边坡室内缩尺模型，据此开展工程尺度滑坡致灾范围的预测，在后期分析中可充分考虑地形和堆积体流动性对堆积体滑动致灾范围的影响，更贴近于工程实际，满足当前对碎屑流滑坡致灾范围预测的应急防灾需求,可为快速制定滑坡应急防灾预案提供技术支撑。案提供技术支撑。案提供技术支撑。


技术研发人员：张敏 陈文超 杨风威 杜朋召 张芳 温森 游慧杰
受保护的技术使用者：河南大学
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/15