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Erosion-driven earth dam failure: A two-phase multi-state smoothed particle hydrodynamics model

光滑粒子流体力学 流出 流变学 流入 机械 岩土工程 膨胀的 腐蚀 水位下降(水文) 物理 流量(数学) 边值问题 泥石流 粒子(生态学) 压缩性 宾汉塑料 边界(拓扑) 粒状材料 压力(语言学) 地质学 可塑性 计算机模拟 峡谷 产量(工程) 土力学 碎片 屈服面 内腐蚀 幂律 水流动力 流动条件 瞬态(计算机编程) 数学模型
作者
Li J,Yang Zhou,Rui Pang,Bin Xu,Jun Liu
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:38 (7)
标识
DOI:10.1063/5.0333946
摘要

Earth dam failures are typically triggered by overtopping, involving complex soil–water interactions and progressive structural collapse. Empirical and semi-empirical models provide efficient estimates of breach parameters and outflow hydrographs, but they usually offer limited resolution of the local stress state, rheological transition, and morphology evolution during overtopping-induced erosion. In this study, a graphics processing unit-accelerated two-dimensional, two-phase dam failure numerical model has been developed based on the Drucker–Prager yield criterion and weakly compressible smooth particle hydrodynamics. Combined with the Herschel–Bulkley–Papanastasiou (HBP) rheological model, the two-dimensional framework represents the yield-stress and strain-rate-dependent behavior of yielded soil during overtopping erosion. Stable inflow boundary conditions are established to simulate overtopping-induced erosion, entrainment, and subsequent transport of yielded soil particles by the water flow. Different failure modes of earth dams with different power law indexes are simulated. By comparing with experimental data, it can be observed that the model captures the key physical phenomena of scour thickening and “headcut” on the downstream slope. A transition in the modeled mechanical response of the eroded soil at the soil–water interface is identified, where the material changes from an unyielded state governed by the Drucker–Prager criterion to a yielded flow state described by the HBP model. Furthermore, the study findings indicate that the migration of fine particles and the rheological evolution of yielding soil during the erosion process lead to a reduction in the strength of earthen dams, which in turn accelerates the expansion of breaches.
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