水库滑坡涌浪传播有限元数值模拟

库岸滑坡涌浪危害巨大,正确预测库区可能的滑坡涌浪非常重要,是工程可行性论证的重要内容之一。将浅水控制方程应用于滑坡涌浪数值模拟,控制方程采用简便且具有较高精度的两步Taylor-Galerkin方法进行求解。通过算例对数值模型的应用进行验证,结果表明,涌浪产生后将以入水点为源点迅速向四周推进并不断衰减,且随传播距离的增加浪高降幅逐渐减小。计算的涌浪高度及水位变化规律与实测资料吻合得很好,并将滑坡涌浪的沿程传播过程可视化。研究结果表明,文中方法模拟滑坡涌浪传播是有效可行的,可用于滑坡涌浪灾害的预测和防治。     

一种流动性滑坡涌浪动力学模型

滑坡涌浪是入水滑坡引起的一种次生灾害,其致灾范围远大于滑坡的运动区域,准确预测其演化过程是防治这类灾害的关键。现有预测模型多将滑体简化为刚体,而实际滑坡多表现出流态运动的特征。为更合理地描述滑体和涌浪的耦合运动,将滑体视为流态物质,在此基础上推导了滑坡与水体耦合运动的控制方程,利用有限差分法对控制方程求解,建立了一种可模拟流动性滑坡涌浪演化过程的动力学模型。使用该模型对三峡库区的龚家方滑坡涌浪的演化过程进行模拟,将模拟所得河道纵截面处的最大浪高值与实测值进行对比,结果表明最大浪高值出现在滑坡的主滑动方向,且最大浪高沿纵截面两侧快速衰减,模拟结果与实测吻合。     

基于SPH-DEM流-固耦合算法的滑坡涌浪模拟

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法和离散单元法(DEM),并基于达西渗透试验原理,提出一种SPH-DEM耦合算法用于处理宏观尺度下离散体与流体之间的相互作用问题,并基于该流-固耦合方法采用FORTRAN语言建立滑坡涌浪数学模型。模拟了块体滑坡问题,并与试验数据进行对比以验证该耦合方法的有效性。模拟分析了离散体滑坡产生涌浪以及涌浪传播的过程,分析比较了数值模拟得到的最大涌浪高度与经验公式结果间的关系。研究表明:采用该耦合方法模拟水下块体滑坡问题得到的结果与试验数据吻合良好;模拟离散体滑坡涌浪问题时,较清晰地反映了滑坡体对水的排挤到涌浪的产生过程、水在滑坡体中的渗透过程和滑坡体与水耦合作用发生变形的过程;不同公式分析方法得到的最大涌浪高度之间均有一定差别,算例中滑坡体受重力作用沿倾斜坡面滑动入水过程更接近于潘家铮法的垂直运动模式,因此,模拟结果与之最为接近。     

基于离散单元法的滑坡堆积及其涌浪计算

采用离散单元法对水库库岸边坡的动态破坏过程进行了研究,给出了计算流程并开发了相应的软件。介绍了离散单元法的基本原理,分析了常用的计算滑坡速度方法的不足及用离散单元法的优势,基于离散单元法提供的块体运动信息并结合波动方程模拟了滑坡体滑入水库时所激起的涌浪。此外,采用离散单元法研究了滑坡的堆积形状。通过算例验证了方法的可行性与程序的正确性。算例结果表明：块体在坡面上运动时,用离散单元法计算得到的块体的速度和能量法与潘家铮法一致,且更方便、更高效;由于涌浪的叠加,多个块体所激起的涌浪高度比单个块体的涌浪高一些,这表明在进行涌浪分析时,考虑多块体的涌浪叠加效应是至关重要的,滑坡的堆积形状为滑坡的灾害评估提供了依据。通过自行开发的离散单元法软件模拟了块体的滑动和涌浪的产生及其传播过程,其模拟结果为研究边坡的滑动破坏的启动、破坏过程及滑坡的风险评价提供了新的思路。     

水库库岸滑坡引起的初始涌浪计算

为了解决水库库岸滑坡引起的初始涌浪高度问题,从滑坡涌浪的形成机制着手,把滑坡引起的涌浪分为体积涌浪和冲击涌浪两部分,并根据体积守恒原理、明槽中扰动波的传播速度及块体水下运动的位移公式求出了两者的计算式,体积守恒原理用于解决滑坡的入水体积与涌浪高度的关系,水流连续性原理用于解决传播的波速与波高的关系,黏滞力公式用于解决块体水下运动的位移与速度的关系。文章以新滩滑坡为例对初始涌浪高度进行了计算,得出了滑坡入水过程中初始涌浪高度先增后减以及它与滑坡速度的变化不一致的规律。     

龚家方4号斜坡涌浪数值模拟分析

对于库区滑坡来说,不能只考虑滑坡体本身造成的灾害,还要考虑滑坡体引起的涌浪灾害,为了研究滑坡涌浪的传播、衰减规律,在Geo-wave软件的技术上,二次开发形成FAST软件。以三峡库区龚家方4号斜坡为研究对象,分别在175、156、145 m的库水位条件下,在长约23 km、宽约10.4 km的区域内进行涌浪数值模拟,获得涌浪传播模拟数据。经过模拟软件数据处理模块的计算分析,形成了分析涌浪传播规律的一系列图件。对不同水位下涌浪模拟的计算结果进行对比分析发现,随着库水位的下降,滑坡产生的最大涌浪值和在对岸的爬高值都有增长的趋势,但其对航道存在威胁的时间逐渐变短。模拟区各位置的最大波高空间分布形态具有中间内凹、两翼沿岸坡延伸的特征。涌浪传播的急剧衰减区基本分布在涌浪源附近1 km的范围内,涌浪源处的波高越大,单位距离内的涌浪下降高度也越大。由于涌浪在岸边有叠加、壅高现象,建议航道内船只经过地质灾害点附近时应沿江中心快速通行。     

三峡库区龚家方残留危岩体爆破清除形成的涌浪野外监测与分析

三峡库区龚家方斜坡2008年11月23日发生崩塌后,其后缘残留大量危岩体,严重威胁长江航道安全。当地政府决定对其进行人工清除,以消除隐患。作者建立了一种以高清摄像机和高频水位计为主的简易涌浪野外观测方法,用以监测爆破产生碎屑流形成的涌浪。以2011年1月17日爆破清方事件为例,文章展示了野外设备安装和监测到的滑坡涌浪过程。监测分析表明,该次爆破碎屑流入水速度约为31 m/s,入水体积约250 m3;产生的涌浪较小,为波群形态,初始涌浪可表达成2个简单三角函数的叠加。该涌浪应急监测方法简便、易行、有效,所得监测数据可为滑坡涌浪研究提供宝贵的野外原始资料;方法可为地质环境条件类似地区的滑坡涌浪简易或应急监测提供借鉴。     

基于改进的FAST模型的千将坪滑坡涌浪研究

千将坪滑坡是三峡库区支流浅水区滑坡产生涌浪的典型案例,但对大范围、长距离的水动力过程和涌浪灾害分析研究成果较少。基于浅水区滑坡涌浪物理实验的推导公式,更新了FAST涌浪计算系统,构建了相应的涌浪源数值模型,在已有的滑坡涌浪灾害快速评价系统程序中新构建了浅水区滑坡涌浪源数值模型,开展了千将坪滑坡涌浪研究。数值计算区域为18.6 km×11.8 km,包括千将坪滑坡附近的长江干流及支流。计算结果显示,千将坪滑坡产生的最大浪高为38.8 m,最大爬高为36.7 m。最大涌浪空间分布显示大于1 m涌浪的河道长约10.5 km,大于2m涌浪的河道长约9.3 km,大于3 m涌浪的河道长约8 km。大于1 m的波浪影响范围主要集中在青干河和锣鼓洞河,涌浪在河道中传播受地形影响而有快速衰减或放大效应。与多源数据对比表明,涌浪爬高数值相差为±2 m,相关性系数达0.97。建立的涌浪数值模型具有消耗计算资源少、计算速度快、计算结果精度较好等优点。基于水波动力学的浅水区滑坡涌浪源模型将可用于水库区支流或干流浅水区滑坡产生的涌浪问题研究,为大范围长距离滑坡涌浪灾害预测预警提供重要技术支撑。     

滑坡速度计算及涌浪预测方法探讨

滑坡滑动速度的计算是涌浪预测的基础。在考虑滑坡入水条块受水阻力的基础上,对计算滑速的美国土木工程师协会推荐公式和运动方程方法进行改进,并以三峡库区秭归县下土地岭滑坡为例,计算了滑坡下滑过程中的平均速度及各条块的加速度、速度,对比分析了考虑水阻力前后加速度、速度大小、变化规律,并计算了滑坡下滑激起的初始涌浪高度。结果表明,考虑滑坡入水条块所受的水阻力,更符合滑坡运动过程中的实际受力情况。且水阻力对于滑坡运动的加速度、速度有较大影响,没有考虑水的阻力时,随着入水条块的增多,加速度先增大后减小,且变化趋势不会反弹;考虑水阻力后,由于水阻力大小和滑坡速度及坡面的迎水面积均相关,在两种因素综合作用下,加速度有可能在出现减小趋势后再增大。     

基于粒子图像测速技术的滑坡-涌浪两相运动分析系统

滑坡-涌浪灾害威胁沿河两岸居民生产生活安全和航道安全。当前尚缺乏同步提供流固两相运动矢量的相关物理试验分析系统,以深刻分析滑坡-涌浪产生机制。文章提出了基于流固两相识别的粒子图像测速（PIV）技术和试验实现方法。利用2560×1024像素的工业相机,该PIV技术可实现在3 m×1.5 m视窗下最小1.17 mm的空间分辨率和0.01 s内最小0.117 m/s的观测速度。同时,提出了与该系统方法有关的误差来源和克服相关问题的解决方法。利用相关硬件设施示范性构建了滑坡-涌浪两相运动观测平台,并编制了专门的解算软件。对三维柱体颗粒崩塌、二维柱体颗粒崩塌及其涌浪和水下崩塌-涌浪进行了展示性试验,取得了良好效果。该系统可以揭示广泛的岩土体及水体运动全过程,具有很好的应用前景;将为滑坡-涌浪及相关动力学领域研究提供强有力的研究工具。      

水库库岸滑坡涌浪的传播与爬高研究

基于流体力学明渠非恒定流的连续性方程、运动方程和沿程水头损失理论,把滑坡涌浪衰减过程分为急剧衰减和缓慢衰减两个阶段来考虑,并认为急剧衰减阶段的涌浪的衰减符合指数衰减规律,缓慢衰减阶段符合明槽水流的沿程水头损失规律,结合初始涌浪高度对涌浪沿岸的传播高度及爬坡高度进行了计算。以新滩滑坡为例对涌浪的传播及爬坡高度进行了计算,得出了滑坡涌浪衰减先快后慢以及传播3 km时的涌浪高度只有初始涌浪高度的30 %以及传播10 km时涌浪高度只有初始涌浪高度的13 %的规律。     

散粒体滑坡涌浪运动特征与能量转化规律研究

滑坡涌浪灾害造成的伤亡和损失一般远超滑坡灾害本身,已引起广泛关注。针对该类灾害的预测评价一直是研究的难点,精细刻画滑坡涌浪运动特征和能量转化规律是解决问题的关键和前提。因此,以天然碎石模拟散粒体滑坡,建立缩尺的矩形水槽滑坡涌浪三维物理试验模型,研究滑坡体积、速度和水深对堆积体形态和涌浪特征的影响以及滑体与水体能量转化规律。研究结论包括：（1）滑体通过冲击、挤压和抬升水体形成涌浪的特征受滑体规模和形态影响显著;厚度大且速度快的滑体趋向产生非线性过渡波,厚度小且速度低的滑体一般产生非线性震荡波;（2）基于试验提出的体积效应和速度效应揭示了一定水深的涌浪规模与滑坡体积和速度呈正相关规律,水深效应则解释了一定波能的涌浪在波形和速度上的分布差异,结果表明浅水比深水工况涌浪高度平均高出67%、波速平均高出51.17%;(3)基于试验的数值反演总结了滑体势能与波能转化率为1.00%～3.07%,由于三维试验中滑体与水体在水平和环向的扩散造成更多能量耗散,相较二维试验转化率较低。通过探讨散粒体滑坡运动过程和首浪产生、传播及爬高特征,揭示滑体-水体能量转化基本规律,研究成果对滑坡涌浪防灾减灾工作具有一定...     

易贡滑坡-碎屑流-堰塞坝溃坝链生灾害全过程模拟与动态特征分析

为研究易贡滑坡-堰塞坝溃坝链生灾害的动力学特征,基于遥感影像数据建立三维数值模型,运用DAN3D和FLOW3D对易贡滑坡-碎屑流-堰塞坝溃坝全过程进行模拟研究。运用DAN3D模拟滑坡-碎屑流过程,得到滑坡碎屑堆积分布特征及速度变化规律,滑坡持续时间300 s,平均速度35 m/s。基于DAN3D获得的滑坡碎屑堆积分布建立等比例堰塞坝模型,运用FLOW3D模拟溃坝后洪水演进过程,得到洪水演进过程水流特征变化规律,通麦大桥处洪峰流量130 000 m3/s与实测值接近。对易贡滑坡灾害链全过程的模拟和动态特征分析可为高山峡谷区类似的滑坡-堰塞坝溃坝链生灾害风险评价提供参考。     

库岸斜坡失稳及其涌浪灾害风险分析

库岸斜坡失稳及其引发涌浪问题是库岸斜坡灾害的重要研究部分,开展库岸斜坡失稳及其涌浪灾害风险分析研究对指导库岸斜坡防灾减灾具有重要意义。以湖南省麻阳县大水冲水库滑坡为例,探讨库岸斜坡失稳引发涌浪灾害的分析方法,采用Geostudio软件进行10年和50年一遇5日累积降雨的滑坡稳定性模拟分析,绘制滑坡影响范围内建筑物风险变化图和室内人员风险变化图。总结了在最危险工况下,大水冲水库滑坡总经济风险为249.3万元,室内人员的风险值达到27.8,并有产生翻坝的可能,但对沟口居民和水库坝体破坏的风险低。     

水库库岸滑坡的运动过程分析及初始涌浪计算

从地面运动和水下运动2个阶段对水库库岸滑坡的受力特征进行了分析, 用牛顿定律和运动学基本原理求解滑坡地面运动的加速度和速度, 且把地面运动的末状态作为水下运动的初始状态, 用流场阻力公式和粘滞力公式求解滑坡水下运动的时间与速度, 并运用动量定理对其初始涌浪高度进行了计算.以三峡库区新滩滑坡为例, 采用条分方法, 计算出各条块入水速度、水下运动的时间及其激起的涌浪高度值, 得出了地面运动过程中滑坡速度值先增后减及水下运动过程中滑坡速度与时间呈反正切型关系的规律, 并认为涌浪高度变化与条块的高度变化具有较强的关联性.      

基于物理模拟试验的滑坡涌浪波幅预测研究综述

滑坡涌浪是海洋、水库和河道中重要的灾害类型,对大坝及沿岸居民的生命和财产造成严重威胁。涌浪波波幅是一个滑坡涌浪灾害评价的重要参数,物理模拟试验是涌浪波主要的研究方法之一。本文基于近几十年来滑坡涌浪物理模拟试验的研究成果,归纳了国内外滑坡涌浪试验的主要滑体模型和水体模型,分析了块体模型和散体模型的参数特征,探讨了水体模型中二维模型试验和三维模型试验的河道特征。结合滑坡模型和水体模型,总结分析了影响滑坡涌浪波幅的控制参数,梳理了不同试验条件下所建立的最大波幅和波高的预测模型。     

基于Fluent数值模拟的冰湖涌浪分析 ——以西藏聂拉木县嘉龙错为例

冰湖溃决洪水或泥石流（GLOF）是青藏高原主要灾害之一,其形成的灾害链对人民的生命财产安全造成了严重的威胁,其中冰崩导致的冰湖溃决是GLOF的主要灾害形式,但由于其发生位置偏远、间隔时间长、随机性强,导致实地观测资料缺乏,冰崩入湖形成的涌浪机理和过程仍不清晰,而涌浪的规模是GLOF造成下游灾害大小的最主要因素。为分析冰湖涌浪的产生、沿程传播过程和对冰碛坝的爬坡高度,以西藏聂拉木县嘉龙错为例,采用有限体积法,基于流体计算软件Fluent,模拟了嘉龙错补给冰川发生冰崩导致冰湖涌浪的过程。结果表明：数值模拟能较好地对涌浪的产生、规模、沿程传播和对岸爬坡过程进行再现,涌浪初始高度随着冰湖水深、冰体入湖速度和冰体厚度的增加而增大,涌浪高度增加趋势随着冰体入湖速度和冰湖水深的增加而增大,随着冰体厚度的增加而减小。     

三峡水库库岸滑坡涌浪物理模型试验

三峡水库自2003年开始蓄水以来, 库岸滑坡变形明显加剧, 滑坡变形不仅造成建筑物破坏, 高速滑坡滑入水库还会产生很大的涌浪, 其潜在的危害性远远超过滑坡本身.2003年7月13日发生在三峡库区的千将坪滑坡就是由水库蓄水诱发所致, 滑坡最高涌浪达到39 m, 在水库传播达30 km之远, 涌浪造成了人员伤亡与财产损失.为了更好地研究水库滑坡涌浪特征和传播规律, 以三峡库区重大科研项目为依托, 采用室内大型物理模拟实验手段, 对三峡库区滑坡涌浪开展了深入研究.通过对三峡库区已经开展勘探的潜在滑坡的地质资料进行统计分析, 按照正交试验设计方法, 制定了包含滑坡规模、入水速度、滑动面倾角、水深、岸坡坡角等综合影响因素的试验方案, 以三峡库区白水河滑坡上下游河道为原型, 建立了1∶200比例尺的河道物理模型, 采用试验控制系统、试验量测系统开展了滑坡涌浪三维物理模型试验.通过细致的物理模型实验, 得到了不同试验条件下的三峡库区滑坡涌浪物理模型实验观测数据.分析滑坡涌浪形态变化, 明确了滑坡最大首浪的含义.在此基础上, 以国内外经典的Noda和潘家铮提出的滑坡涌浪公式为基础, 基于试验量测数据, 提出了三峡库区滑坡涌浪计算公式.最后以三峡库区正在变形的白水河滑坡为例进行了滑坡涌浪预测研究, 预测了滑坡最大首浪高度和沿水库传播的涌浪衰减规律.      

库岸滑坡涌浪经验估算方法对比分析

分别介绍了3种常用的库岸滑坡涌浪经验估算方法--美国土木工程学会推荐方法、潘家铮方法和水科院经验公式法。针对乐昌峡水库鹅公带古滑坡体滑坡涌浪预测问题,采用3种常用经验估算方法,并构建几何比尺1:150的物理模型,对设计洪水位和正常蓄水位条件下滑坡体不同滑速所产生的涌浪进行计算和测试。通过滑坡入水点对岸山坡涌浪爬高、坝前涌浪爬高和B3测点涌浪高度结果的对比分析,发现3种常用经验估算法计算结果差异较大,其中潘家铮方法与模型试验结果最为接近。通过对计算结果差异的进一步分析,推荐在采用经验估算法进行库岸滑坡涌浪预测时选择潘家铮方法,此外,还解释了物理模型试验中所出现的一些现象,可供库岸滑坡涌浪预测参考。     

基底侵蚀对高速流动性滑坡运动性影响的模拟分析

高速流动性滑坡运动距离远,破坏性强。这类滑坡在运动过程中常裹挟大量的松散物质,导致滑坡的体积和致灾范围增大,该现象被称为基底侵蚀效应。以往的研究指出基底侵蚀效应对这类滑坡的运动性有显著的影响,但却很少有研究考虑其对滑体性质的影响,以及如何对其进行量化。因此,本文基于动量守恒原理建立了考虑基底侵蚀效应的滑坡运动模型,利用有限差分法求解,并依据滑坡的侵蚀深度来计算侵蚀导致的滑坡性质变化。利用改进的模型对陕西泾河南岸的西庙店滑坡进行模拟分析。结果表明,滑坡运动可分为启动加速阶段（0~5 s）和运动减速阶段（5~14 s）。在启动加速阶段,基底侵蚀程度低,对滑体运动的影响较弱。而在运动减速阶段,基底侵蚀效应降低了滑带土强度,对该滑坡的运动产生了明显的促进作用,致使其发生远程运动。此外,对比考虑和不考虑基底侵蚀两种工况的模拟结果还发现,考虑这种影响时,模拟所得的运动范围及地形与实测吻合良好,而未考虑时模拟所得运动范围明显偏小。因此,本文的模型可对这类滑坡的运动过程进行更为有效的模拟。