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.      

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。     

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。     

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。     

库区城镇滑坡涌浪风险评价与减灾研究

强烈的人类工程扰动和水库蓄水作用导致地质灾害高易发区的水库城镇大多存在滑坡涌浪风险;以往灾难性案例较多,危害巨大.本文构建了以潜在涌浪源调查、变形破坏研究、涌浪危险性分析、脆弱性调查、风险评价和减灾对策分析等六个步骤为主的山区水库城镇滑坡涌浪风险评价技术框架流程.以三峡库区巫山县城为例,遴选离县城最近的龙门寨危岩体进行技术示范.该柱状危岩体体积约30.4×104 m3,当前处于欠稳定—基本稳定状态.颗粒-流体耦合数值模型分析显示在145 m和175 m水位工况下危岩体崩塌将分别产生最大约17.9 m和11.6 m的涌浪.巫山县城密集的码头船只和频繁的旅游船是主要承灾体.旅游船只暴露涌浪中的概率为3.4×10-4/a,超过可接受风险限值.景区码头和古城码头因涌浪而导致的潜在直接经济损失大(超过200万),县城各大码头趸船人员具有高—极高风险.针对当前案例,讨论了四种具体减灾方案.相关研究可为山区水库城镇防灾减灾提供技术支撑和借鉴.     

滑坡崩塌涌浪计算方法研究

基于地质灾害涌浪计算公式和局部水头损失理论,建立了地质灾害涌浪公式计算体系。该算法充分考虑了不同滑坡崩塌造成的涌浪效应、不同区域涌浪衰减的差异性和自然河道的沿程水头损失与局部水头损失问题; 大量采用地形参数进行计算,客观性强。以龚家方崩滑体产生涌浪为例进行了计算,其计算结果与实际调查值相关性非常高。结果显示:龚家方崩滑体产生最大涌浪高度为33.45m,急剧衰减区内平均100m下降4m、平缓衰减区内平均100m下降0.11m和在峡谷区向宽谷区传播时有扩大衰减效应的规律。     

清江水布垭库区大堰塘滑坡涌浪分析

2007年6月15日位于水布垭水库巴东县清太平镇的大堰塘滑坡发生滑动,激起高达50 m的巨大涌浪,造成了沿岸的人员伤亡。为了解决大堰塘滑坡引起的涌浪问题,把滑坡引起的涌浪分为体积涌浪和冲击涌浪两部分。根据体积守恒原理及块体水下运动的位移公式求出了初始涌浪的计算公式。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,对其涌浪的传播和爬坡进行了深入探讨,并与实际调查结果进行了对比分析,该成果对水库库岸滑坡的涌浪传播的研究具有一定的参考意义。     

基于水波动力学模型的棺木岭危岩体涌浪数值分析

以棺木岭危岩为研究对象,在分析危岩体变形破坏的基础上,运用水波动力学模型进行危岩体在145 m、175 m水位条件下的滑坡涌浪模拟。结果显示:145 m条件下最大涌浪高度为24.2 m,最大爬高为19.9 m,1m以上涌浪高度的河道长约5.4 km;175 m条件下最大涌浪高度为23.3 m,最大爬高为14.5 m,1 m以上涌浪高度的河道长约6.6 km。在九畹溪河道上,涌浪的波高严重不均衡,下游涌浪强度明显高于上游。在长江河道上,涌浪波以九畹溪口为扰动点,向上下游衰减,衰减近似平缓。随着库水位的下降,危岩体形成的最大涌浪高度增大,而涌浪危害的范围逐渐减小。     

单体库岸滑坡及其次生涌浪灾害风险分析

水库滑坡次生涌浪灾害是库水运营过程中重要的灾害类型,开展滑坡及其次生涌浪灾害风险分析,能够合理确定并评价滑坡及其次生涌浪灾害对生命及财产的影响程度,从而为采取经济有效的减灾应急措施提供理论依据和技术支持.以三峡库区万州区塘角1号滑坡为例,探讨不同库水位降雨组合工况下,考虑空间差异性的单体滑坡危险性分析方法;确定滑坡次生涌浪灾害影响范围;完善滑坡及其次生涌浪灾害承灾体易损性评价方法;绘制最危险工况下塘角1号滑坡及其次生涌浪灾害经济风险和人口风险分布图,得出:塘角1号滑坡最危险工况为库水位175~145 m+3日100 mm降雨.在该工况下,塘角1号滑坡及其次生灾害总经济风险为2 239万元;坡体上室内人口总风险为0.55人.研究成果以期为指导该类滑坡减灾防灾提供思路和依据.      

三峡库区龙门寨危岩体崩塌产生涌浪研究

长江两岸高耸的危岩体对航道、沿岸居民带来巨大安全隐患。大宁河属于长江一级支流,龙门寨危岩体位于大宁河上,距离巫山县城仅1 km。利用FLOW-3D软件,模拟了145 m、175 m两种水位工况下龙门寨危岩体崩塌产生涌浪过程和涌浪传播过程。模拟结果表明,涌浪在145 m水位工况下最大浪高约为17.9 m,175 m水位工况下最大浪高约为11.6 m;在巫山县的五个码头处,两种水位工况最大涌浪爬高分别约为10.9 m、3.8 m;根据涌浪高度,对大宁河进行危险分区,145 m水位工况下极高危险区长度约4.4 km,很高危险区长度约1.9 km;175 m水位工况下极高危险区长度约3.0 km,很高危险区长度约1.0 km。研究结果有助于防控龙门寨危岩体潜在涌浪灾害危害,保障大宁河航道和巫山县码头安全,同时也为三峡库区滑坡涌浪灾害提供了预警依据。      

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。     

黄河三峡库区滑坡诱发的涌浪预测方法

黄河三峡库区的涌浪灾害风险不容忽视,经验公式是宜优先考虑的涌浪快捷评价方法.对黄河三峡焦家崖头2012年2月7日的黄土滑坡和涌浪进行调查,分析了黄土滑坡及涌浪的特征.采用9种涌浪经典计算公式,计算了涌浪的初始浪高、对岸爬高等特征参数.与调查结果对比表明,采用美国土木工程师协会推荐法、水科院算法、Huber and Hager模型和潘家铮算法获取的焦家崖头黄土滑坡诱发的涌浪特征参数均接近实际,其确定的校正系数分别为2.14、1.92、0.6和0.66,对比考虑安全性和经济性后推荐采用潘家铮算法预测黄河三峡的涌浪.     

水库滑坡涌浪风险研究现状和灾害链风险管控实践

滑坡作为水库库区主要地质灾害类型之一,其风险研究一直是近年来的研究热点.水库滑坡涌浪的产生使滑坡灾害的影响范围由滑坡源本身扩散到上下游数千米,极大地扩大了滑坡风险的承灾体类型与数量以及灾害损失程度.因涉及交叉学科领域,滑坡涌浪风险评估是滑坡风险灾害链评价的难点与前沿课题.本文综合了前人近几十年来的研究成果,首先从危险性...     

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。     

滑坡涌浪影响因素研究

滑坡涌浪问题是近水滑坡灾害链上的一个重要的研究内容,长期以来一直是滑坡界、水电工程领域研究的难点和热点。特别是一些灾难性的滑坡涌浪事故的发生,使人们越来越认识到涌浪作为近水岸滑坡灾害链上的一个重要派生灾害。本文运用耦合的欧拉与拉格朗日(CEL)算法采用多种正交数值试验的方法研究了滑坡体形状、滑坡体前缘形态、滑坡体体积、滑面摩擦角及水面宽度等对滑坡涌浪的影响。通过研究发现:对于同体积的滑体而言,楔形体的滑体形成的涌浪最大,且楔形体的前缘角度越大形成的涌浪高度越高,这种影响在近场范围内影响更为显著; 滑坡体的体积对涌浪高度影响较大,随着体积的增加浪高呈现明显的增加趋势; 在相同条件下,滑面的摩擦系数越大所形成的涌浪高度越小; 由于受到阻挡作用,随着水面宽度的减小,涌浪高度呈现增高的趋势,尤其是涌浪爬坡高度有明显的增加。     

库区滑坡的次生灾害分析与研究——以藕塘滑坡为例

滑坡除直接成灾外,还会产生次生灾害,滑坡体落入江河中,可形成巨大涌浪,造成较大的危害。涌浪高度除受滑速、失稳体积、水深等重要因素的影响外,波浪的形成还要受水库地形、库面宽度、滑坡入库过程的持续时间以及滑坡体的宽度等因素的影响,尤其在峡谷地区更为显著,且波浪在传播过程中,还受到河谷两岸的阻碍、往返的折射以及波群的相互干扰或迭加等影响。以藕塘滑坡为例,在滑波局部失稳情况下采用潘家铮涌浪算法,计算和预测滑体冲入库区后的滑速和造成的涌浪高度,并且考虑了地震作用和滑坡前缘泡在水中所产生的阻力。     

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。     

崩塌落石产生涌浪的流固耦合运动分析

库区崩塌落石以直接打击和涌浪的形式威胁航道安全。三维流体力学与固体力学耦合分析崩塌落石产生的涌浪是目前该领域的研究热点和未来发展方向。以三峡库区巫峡剪刀峰河道为例,利用Flow-3D首次建立了一个k-ε湍流模型和GMO碰撞模型的流固耦合模型,假定的落石体积为1.2×10⁴ m³。流固耦合分析结果显示:运动物体在陆地斜坡上进行弹跳、翻滚、滑动;进入水体后,其运动受水体严重影响,运动物体将一部分能量传递给水体,能量传递率约为6.54%;水体获得了能量,最大涌浪达到10 m,但衰减很快,至河道中心线时浪高2.4 m,至对岸边浪高为0.89 m。根据涌浪高度大小进行了航道预警分区,建议将预警区北航道线南移350 m左右,航道内涌浪风险将大大降低,航道安全度得到提高。     

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。