導讀：研一剛入學不久，我就開始嘗試使用離散元方法研究滑坡碎屑流的動力致災過程。一開始學習的是國外的一款軟體，當時缺乏足夠的學習資料以及溝通交流的人，導致學習進度緩慢並且漸漸喪失信心。在導師的建議下，我接觸了由南京大學劉春老師團隊開發的MatDEM。
一、初識MatDEM
MatDEM使用MatLab作為操作語言。雖然當時的我並沒有學過MatLab語言，但我相信我能夠學好。原因有兩個：
一是劉春老師團隊提供了豐富的視頻和文字教程並分享了大量針對現實科研和工程問題的模擬案例，這讓初學者就有了一個大致的方向；
另一個是在MatDEM交流群裡，我能夠與廣大的學習者及開發團隊探討自己所遇到的問題，大大的提高了模型改進的效率。我從MatLab語言基礎開始學習，同時跟進熟悉MatDEM教程，很快就根據user_BoxModel1-3示例寫出了自己的模型。
當模型已經建立之後，面臨的問題就是對數據進行處理。建模畢竟只是研究的手段，最重要的還是如何對得到的數據進行分析。不少初學者認為MatDEM的後處理僅限於後處理模塊中內置的出圖選項其實這MatDEM的存儲的數據非常的完整豐富，理解這些數據的意義可以獲得很多模擬的過程參數，還可以更加靈活的顯示單元的不同屬性。
二、MatDEM模擬崩滑災害動力演化過程
接下來，筆者使用矩陣離散元軟體MatDEM，選取線彈性模型，對2017年貴州省納雍縣發生的重大崩塌災害進行了模擬。該案例首先簡單介紹了研究背景，然後具體介紹了建模步驟與設置，最後給出了模擬結果。
1、研究背景
受強烈地震、極端強降雨重現期縮短和人類工程擾動日益增強等誘發因素的影響，我國因高速遠程滑坡造成的群死群傷特大災害逐漸增加。目前，我們對於特大滑坡體運動過程中動力學特徵的認識尚且不足。因為滑坡運動過程的複雜性，數值模擬逐漸成為了其重要研究手段。
離散元法通過顆粒組合成宏觀物質並表現材料的宏觀力學行為，克服了傳統連續介質力學模型的宏觀連續性假設，適合於模擬巖體大變形、開裂等非線性行為。矩陣離散元軟體(MatDEM)採用GPU計算，大幅提高了計算效率，能夠高效地模擬大型三維崩滑災害。本文運用MatDEM模擬了2017年貴州省納雍縣「8·28」重大山體崩塌，獲得了崩塌體運動過程中的重要動力參數。
2、建模過程
參照MatDEM中的BoxModel示例，分三步建立了滑坡模型，即：初始模型堆積和重力沉積；地形輸入與材料設置與；重力平衡及數據保存。
第一步：初始模型
第一步的任務主要是確定模型箱大小以及單元半徑。這兩個參數是決定計算量大小的重要因素。對於崩滑災害的模擬，模型箱大小的選取需要考慮滑坡（崩塌）體運動可能波及的範圍。根據災害現場數據，確定模型箱大小為長1050m，寬1050m，高450m。並且綜合考慮計算能力及精度後，選取半徑為5m±1.5m。最終模型箱中共有單元約28萬個。
第二步：地形與材料設置
將數值高程信息（digital elevation model）轉為MatDEM能夠識別的excel或者txt格式的高程信息（詳見BoxModel示例）。根據災害點的地質特徵，將模型自滑源區頂部到基巖分為四層，其中由於滑源區巖體較之周圍巖體更為破碎而被單獨分為一層。（圖中layer2）。
每個底層都賦予不同的材料屬性，具體參數見下表。其中1，2層用於模擬山體上部較硬的灰巖，3層用於模擬山體下層較軟的巖石，4層是很薄的一層，用於模擬山底耕植土以及古滑坡堆積物。這些材料屬性參考了災害點周圍相似巖性巖石的實驗室測量參數並通過MatDEM中的MatsTraining示例訓練。出於提升計算速度的考慮，將4層以下的單元均設置成為不可移動的牆單元。
值得注意的是，由於強烈風化以及人工擾動等原因，源區巖石的力學性質與周圍相同巖性的巖體有著明顯的差別，但較難確定準確的數值。在數值模擬時，需要設置不同的源區材料屬性，將不同材料下的結果與現場數據進行對比，選取最符合的結果進行進一步的數據分析。本文中，在其他力學參數不變的情況下，選取了0.4，0.6，0.8這三組滑源區內摩擦係數。
第三步：重力平衡及數據保存
大型滑坡的滑動通常是由滑動面的強度降低引起的。在本次研究中，我們通過將滑源區（1層）的單元膠結全部破壞的形式使其開始運動。
在僅重力作用下，完全失去膠結的源區單元開始向下運動。時間步選擇MatDEM中默認的時間步長，即單元組成的模型中系統自振周期的1/50，並在每次完成重力平衡後保存數據。
三、模擬結果及後處理
模型在經過大約110次重力平衡之後，崩塌體運動停止。計算耗時約27h，模擬真實世界運動56.7s。
模擬結果如圖所示：
單元位移
運動單元周圍會存在因為被擾動而存在明顯位移的單元，這些單元並不參與崩塌體的運動過程，其位移大小相比崩塌體運動距離也小得多。在展示單元位移圖時，可以通過修改MatDEM數據中的d.data.showFilter的方式篩選出需要展示的單元。本文篩選出了位移大於30m的單元進行展示，結果如下：
同理，可以得到模擬的速度演化圖
以及不同內摩擦係數下的模擬結果對比
四、我的公開課
本案例介紹了如何用MatDEM軟體建立高速遠程崩塌（滑坡）模型以及對模擬結果進行簡單後處理。運用這種方法，可以對真實滑坡案例進行大型三維離散元數值模擬。值得一提的是，本次代碼均是在MatDEM軟體內置的「user_BoxModel1-3「基礎上進行修改和改進的。
2020年12月3日20時，受仿真秀平臺邀請，筆者將在2020MatDEM創新系列講座第七場公開直播《MatDEM崩塌(滑坡)災害模擬及後處理》。識別下圖即可報名。
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總之，MatDEM是一款對於初學者相對友好的離散元軟體，在劉春老師團隊提供的教學資源下（在仿真秀官網和APP可系統查看），能夠快速的入門。然而想要適應自己的研究需求做出更具針對性的模型以及後續的數據處理，我們首先應當掌握最基本的MatLab語言，特別是了解MatLab的數據類型以及結構等相關知識；其次還應當勇於提問，多多交流，許多冥思苦想無法解決的問題，但經他人點撥就能撥雲見日，迎刃而解。
非常感謝劉春老師團隊在此過程中對我的幫助。
作者：羅浩，上海交通大學碩士研究生，仿真秀訂閱用戶
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