金沙江沃达潜在滑坡诱发灾害链成灾过程数值模拟

在青藏高原及其周边山区,滑坡通常具有规模大、流动性强、危害严重等特点,并以灾害链的形式形成巨灾,灾害链通过时间和空间上的大幅延拓极大地增加灾害的危害性。针对滑坡-堰塞湖-溃决洪水灾害链成灾特点,根据其运动演进物理过程划分为三个阶段：滑坡运动阶段、滑坡堵江阶段、堰塞湖溃决阶段,分别研究各演进阶段物理机理、动力学模型与高效算法,各阶段之间通过数据链进行传递,进而实现滑坡-堰塞湖-溃决洪水运动演进全程计算模拟和预测。最后以金沙江沃达滑坡潜在灾害链为案例,实现了灾害链成灾全过程模拟与预测评价,研究成果对灾害链防灾减灾具有重要支撑作用。     

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链发展过程机理与模拟技术研究构想（特约稿）

青藏高原区域滑坡-泥石流-堰塞湖灾害频繁发生,灾害损失巨大,与之相关的科学研究一直是国内外研究的热点和难点。我国在堰塞湖减灾领域已经积累了丰富的实践经验,但是冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害演化过程非常复杂,涉及众多的物理力学机制和学科理论,复杂气象条件下冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖的动力形成机制、溃决冲刷及洪水演进灾害链的全过程演化分析与数值模拟方面尚需进一步研究。揭示冰碛土滑坡-泥石流-堰塞坝的链生放大机制和冰碛土堰塞湖溃决演进的动力灾变机理是实现冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害有效防控的关键,结合国内外冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖形成与溃决的相关研究现状,提出了冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害需要关注的几个重要研究方面：(1) 复杂气象条件下冰碛土力学性能演化;(2) 冰碛土滑坡-泥石流动力灾变过程与运移模型;(3) 冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖形成机理与仿真模拟;(4) 冰碛土堰塞坝冲刷溃决机理与流道拓展过程;(5) 下游河道水沙互馈作用机制与洪水演进模拟。并开展了大量前期探索和研究工作,初步揭示了冰碛土滑坡-泥石流运移与多期堵江机制,构建了能考虑水流侵蚀与溃口边坡间歇性崩塌的堰塞坝溃决演化模型,并探讨了冰碛土-滑坡-泥石流-堰塞坝灾害链演化过程模拟方法。研究结果为进一步弄清冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害链过程的复杂动力学机制、构建灾害链过程的控制性理论模型、开发全过程数值模拟系统奠定了基础,以期为冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害链的成灾机理分析提供理论依据及为非工程避险与应急处置决策提供技术支撑。     

猴子岩水库色玉滑坡涌浪灾害链CFD-DEM耦合数值模拟

滑坡涌浪是一种常见的地质灾害现象，由于滑坡体与水体之间存在复杂的流固耦合作用，使得传统的单一介质模型无法进行准确求解。为此，介绍一种基于计算流体力学方法（CFD）与离散单元法（DEM）的流固耦合模型CFD–DEM，采用计算流体力学方法（CFD）求解水体流动，采用离散单元法（DEM）模拟散粒体滑坡运动，充分利用不同计算模型的优势，对滑坡及涌浪演进过程进行数值模拟分析。首先，利用该耦合模型对Robbe–Saule开展的颗粒堆积体坍塌–涌浪试验进行了相同工况下的数值计算，从颗粒坍塌运动过程、涌浪高度演化过程等方面进行对比，结果表明模拟结果与试验结果吻合很好，验证了CFD–DEM流固耦合模型的有效性。然后，将该方法应用于四川省猴子岩水库色玉滑坡–涌浪灾害的演进过程分析，重现了该事件滑坡失稳运动、涌浪产生及传播、涌浪爬升、涌浪回流的全过程，计算结果显示：计算得到的电站进水口处涌浪高度与实测数据较为接近；色玉滑坡从失稳运动至静止堆积的持续时间约为20 s，颗粒平均速度最大达到16.12 m/s；滑坡引起的涌浪约在滑坡失稳10 s后传播到对岸，之后开始沿坡面向上爬升，最大爬升高度达到27.32 m。研究表明CFD–DEM流固耦合模型能够很好地应用于模拟山区河谷大规模滑坡涌浪灾害，可为库区防灾减灾提供高效的技术支持。     

滑坡–堵江–涌浪灾害链模拟的DEM–CFD耦合分析方法及其应用

滑坡-堵江-涌浪灾害链的演化过程涉及复杂的滑坡-河流相互作用。为了真实再现这一演进过程，本文提出了一种扩展的离散元法（DEM）与计算流体动力学（CFD）耦合数值方法，通过在局部平均DEM-CFD耦合方法中引入流体体积法（VOF）建立了一套能够描述河流自由水面演化的扩展DEM-CFD耦合数值框架，实现了对滑坡涌浪形成及传播过程的追踪；并提出了一种新的局部孔隙率计算方法即虚拟球模型，来克服网格颗粒临界尺寸比的限制，从而实现复杂地形建模要求；进一步通过多个典型算例验证其准确性和有效性。在此基础上，开展了滑坡-堵江-涌浪灾害链演化模拟，并应用至白格滑坡坝形成过程复演，深入分析了滑坡-河流动态演化过程及耦合作用机理。结果表明：所提出的方法能够准确模拟滑坡-河流相互作用；滑坡-河流-河谷地形的耦合作用驱动了灾害演化，滑坡体驱动了涌浪的传播，而河流则增加了滑坡体的动能耗散，且对其沉积过程在河流流向上产生相反影响；模拟得到的白格滑坡运移路径、沉积形态及涌浪侵蚀面积与实地调查结果吻合度较高，成功再现了2018年10月11日白格滑坡堵江事件。本文所提出的扩展DEM-CFD耦合数值方法为深入研究滑坡-堵江-涌浪灾害链演化机制提供了有力的数值工具，对于灾害预测及防灾减灾策略的制定具有一定的参考价值。     

沟谷灾害链演化模式与风险防控对策（特约稿）

沟谷灾害链是近期才引起学界关注的灾害类型,也是川藏铁路交通廊道建设和运营中面临的巨大挑战。本研究提出了沟谷灾害链的定义及组成要素,通过分析大量已发生沟谷灾害链事件,总结了沟谷灾害链的特性与类型、归纳出常见沟谷灾害链的演化模式、探讨了影响沟谷灾害链的关键物理过程,提出了沟谷灾害链的风险评估及防控对策新思路,取得了以下结论：1）沟谷灾害链由潜在孕灾体、原生灾害、次生灾害（系列）和承灾体构成,具有时间相接、空间相连、因果关联、链式演进的典型特性;根据原生灾害类型可将沟谷灾害链分为滑坡灾害链、泥石流灾害链和冰湖灾害链3个大类和11个小类,这些演化模式可以通过三个关键过程（崩塌/滑坡-碎屑流/泥石流、滑坡/泥石流堵江-堰塞湖、堰塞湖/冰湖溃决）组合得到;2）沟谷灾害链的形成包含两种模式,一是原生灾害体的物理力学性质在运动中发生改变而形成次生灾害,二是原生灾害改变次生灾害体的形成条件进而诱发次生灾害;3) 沟谷灾害链的风险评估要同时关注原生灾害的起动机制和次生灾害的链生机制,要强化潜在灾害链物源的准确识别,加强对灾种转化过程的科学认识,量化灾种转化机制和临界条件,构建灾害链全过程数值模拟评估方法,开展未来情景下沟谷灾害链的演进过程和风险评估;4）沟谷灾害链的防控研究在目前仍处于起步阶段,应在提高对沟谷灾害链科学认识的基础上,建立完善的沟谷灾害链早期识别、监测预警、模拟评估、应急处置、工程治理、应急避险和风险管理综合治理体系。     

三峡库区巫山县某崩塌体涌浪调查及计算分析

2008年11月23日,位于重庆市巫峡镇龙江村一社长江干流北岸的一山体在三峡水库蓄水及泄洪的影响下发生崩塌,激起10 m高的初始涌浪,爬坡浪对上下游一定范围内的码头、路面、航标、柑橘、灌木等造成不同程度的破坏。崩塌发生后第3 d对崩塌体的地质特征和上下游的涌浪爬坡痕迹及时进行现场调查。采用理论计算方法对崩塌体崩滑速度、入江体积、初始涌浪高度及涌浪的传播衰减、爬高进行计算,对比理论计算结果和调查数据得出:该崩塌体激起的涌浪在上游衰减速度快于下游衰减速度,且涌浪实际传播衰减过程中比计算值更早进入缓慢衰减阶段;潘家铮方法计算的初始涌浪高度及基于此而计算的传播浪爬坡高度与调查结果吻合较好,而采用守恒法计算初始涌浪高度偏低。此外,河道宽度变化、支流发育情况、走向变化等对涌浪衰减规律有较大的影响,理论计算公式中应充分考虑以上影响因素。     

山区小流域暴雨山洪灾害分区预警研究

受水沙耦合致灾作用，暴雨山洪灾害一般表现为山洪洪水灾害、山洪水沙灾害及山洪泥石流灾害三种模式，不同灾害模式的成灾特点、灾害规模、致灾指标及阈值常存在显著差异。传统暴雨山洪灾害防治预警技术的研究思路主要以“雨量-径流-成灾水位”雨水情分析为主，缺乏“雨-水-沙”变化系统研究，未充分考虑洪水泥沙耦合作用下山洪灾害易灾区的成灾特征，造成泥沙超量补给的“沟床淤积-水位陡增”型山洪灾害极易漏警。结合金沙江支流中都河小流域和岷江支流白沙河小流域山洪灾害实地调查及分析，初步表明流域内山体滑坡形成的松散体是流域水沙运动的重要泥沙补给源，从而极易诱发暴雨山洪水沙灾害和山洪泥石流灾害。采用TRIGRS模型分析中都河小流域和白沙河小流域的滑坡易发性，将滑坡低风险区划为暴雨山洪洪水灾害预警区，对具有丰富固体物源的滑坡中、高风险区，根据陡缓衔接河段泥沙易灾区判别法划分为山洪水沙灾害和山洪泥石流灾害预警区。结合4种暴雨山洪洪水灾害预警方法即洪水水位上涨率判定法、实时累积雨量法、水位-流量反推法及简易雨量站广播预警法，计算中都河小流域典型暴雨山洪灾害预警区的预警指标，以基于河床冲淤变化的洪水位上涨率法确定白沙河小流域暴雨条件下山洪水沙灾害预警区的预警水位。结果表明：TRIGRS模型划分的滑坡风险区与中都河小流域和白沙河小流域滑坡、泥石流灾害调查较为吻合；中都河小流域滑坡风险较低，沿河村落均可划为山洪洪水灾害预警区；白沙河小流域下游滑坡风险较低的沿河村落可划为山洪洪水灾害区，中、上游为滑坡中、高风险区，其中沟床陡缓坡衔接段划为山洪水沙灾害预警区、陡坡段划为山洪泥石流预警区。中都河小流域暴雨山洪灾害预警分析表明水位-流量反推法和简易雨量站广播预警法预警效果较差；洪水上涨率判定法与实时累积雨量法精度较高，对暴雨山洪洪水致灾时刻能够提前捕捉，而且能够显著提高预警处置时效性。此外，采用河床冲淤变化的水位上涨率法，白沙河小流域暴雨山洪水沙灾害预警效果较好。因此，本文构建的山区小流域暴雨山洪灾害分区预警方法具有较好的可靠性，可为山洪灾害预警提供技术支持。     

梯级大坝溃决洪水渐进增强机制数值模拟

采用一维浅水动力学模型进行梯级大坝溃决洪水的模拟.首先通过水槽实验对模型进行检验,然后将其应用于系列梯级大坝溃决洪水工况的数值模拟.系统考虑了坝高和坝间距对梯级大坝溃决洪水的影响.计算结果表明梯级大坝溃决洪水与单个坝溃决洪水相比,峰值水位显著增加或到达下游断面时间显著提前或两者都有,即显示梯级大坝溃决洪水渐进增强机制.坝高和坝间距会改变溃坝洪水的流量(水位)峰值或传播时间,但不会改变梯级大坝溃决洪水渐进增强机制.研究结果为流域防洪管理和梯级大坝防洪设计提供了理论依据.     

溃坝涌浪及其对重力坝影响的数值模拟

针对高坝库区滑坡涌浪对重力坝的影响问题,进行滑坡涌浪的产生、传播过程及其对重力坝的冲击作用特征研究.采用基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法的涌浪-坝体相互耦合模型模拟库区滑坡涌浪的全过程,研究滑块位移-时间曲线以及涌浪过程中不同时刻滑块位置与流体特征,分析涌浪冲击对重力坝坝顶位移、坝体应力的影响以及坝面冲击压力的分布规律.数值模拟结果表明:重力坝受到的库水冲击作用包括滑坡冲击库水产生的涌浪波和水体受到挤压产生的压缩波,2种作用均会导致坝踵和坝体下游折坡点出现较大拉应力,在库区滑坡对坝体影响的研究中应同时考虑涌浪波和压缩波的作用.     

滑坡涌浪高性能有限元计算软件研发

高速运动的滑坡、泥石流及冰川等入水冲击水库、湖泊、河道及海湾等封闭水域内的水体时会诱发涌浪,并由此产生大规模的灾害。为有效防止涌浪灾害,需要研究涌浪特性与规模等的预测方法。为缩短大规模涌浪分析的计算时间,需要开发基于稀疏线性方程组多核多线程并行求解器的涌浪高性能有限元计算软件。本研究中,利用Intel MKL提供的共享内存机器上实现的稀疏线性方程组求解器PARDISO,开发了涌浪高性能有限元分析程序。垂直水坝溃坝的理论解和数值计算结果,以及室内实验结果与数值计算结果的比较情况表明,研发的涌浪高性能有限元软件可以快速得到可靠的计算结果。     

堰塞体状态相关剪胀理论与坝体溃决演化规律研究构想（特约稿）

堰塞体一般在自然力作用下瞬间形成,堆积体具有空间结构复杂、坝料级配宽泛、稳定性差、易在水流冲刷下发生溃决等特点。堰塞体作为一种重大的水旱自然灾害,其安全评价和灾害预测是国内外学者关注的焦点,目前尚有很多问题需要解决,包括：（1）堆积体由天然宽级配土石料构成,表现出显著的状态相关性,缺乏正确描述这种宽级配堆石料的状态相关剪胀理论与本构模型;（2）堰塞体形成后,会受上游堰塞湖水位抬升、持续非稳定渗流、湖区滑坡涌浪、后期地震等外荷载作用的影响,缺乏稳定性评判的标准和方法;（3）堰塞体缺乏必要的洪水溢流设施,容易发生溃决,且溃决水流冲蚀过程呈明显的非线性特点,溃口水力要素指标呈强非恒定流特征,缺乏反映宽级配堰塞体材料冲蚀机理的溃决过程数学模型。为此,有必要采取现场勘查、多尺度物理模型试验、数值仿真等综合手段开展研究,揭示堰塞体外观形态、内部结构和材料宏观力学特性及其时空变异规律,提出状态相关（级配、孔隙比、应力水平）的宽级配堰塞体材料剪胀方程,建立能适应复杂应力路径的广义弹塑性本构模型与坝体极限平衡分析方法;开展大型水工模型试验和溃坝离心模型试验研究,揭示非恒定流作用下堰塞体材料的动态冲蚀特性与堰塞体溃口演化规律,建立非恒定流作用时溃口动边界条件下的挟砂水流冲蚀方程,提出考虑流固耦合的堰塞体溃决过程数学模型,实现堰塞体漫顶或渗透破坏溃坝全过程水流运动特征、坝料输移规律、溃口演化过程及结构失稳的数值模拟。综合可靠度理论与溃坝过程数值模拟方法,提出能考虑流固耦合的堰塞体渗流、变形、稳定和溃决过程的一体化数值仿真平台,构建堰塞体全生命周期安全评价与灾变模拟理论体系与方法,为提升我国堰塞体防灾减灾决策水平提供科学的理论与技术支撑。     

堰塞坝背水面坡度对溃决过程影响机理大尺度试验

堰塞坝溃决物理概化试验是当前研究堰塞坝溃决机理较为可行的方法,但在现有堰塞坝溃决试验中,由于试验坝体尺寸较小、试验上游库容不足,导致试验的溃决过程与实际堰塞坝溃决存在较大差异。为尽量克服库容的不足所带来的影响,本文采用了最大库容达380m3的大尺度堰塞坝溃决试验系统。本文以无粘性、宽级配砂砾料堰塞坝为对象开展了多组室内大尺度溃决试验来揭示堰塞坝溃决机理,并通过设置不同背水面坝坡来研究其对溃决过程的影响。通过试验发现堰塞坝溃决过程可以分为沿程冲刷、溯源冲刷、快速发展和溃口稳定四个阶段。在溃决过程中发现陡坎侵蚀和溃口两侧土体失稳坍塌是溃口快速发展的主要机理。不同背水面坡度下的沿程冲刷阶段冲蚀特征基本相似,而溯源冲刷阶段及快速发展阶段溃决过程差异显著,较大的背水面坡度使溯源冲刷阶段跌坎水流更容易得到发展,进而影响溃口处的垂向冲深及侧向发展,导致快速发展阶段更易形成垂向落差较大的陡坎洪水冲蚀。从溃决历时来看,坡度的增加使溃口发展更快、峰值流量出现时间更早,进而导致溃决历时缩短。坝顶溃口宽度及峰值流量也会随着坡度的增加而增加。在本试验还较好地重现了天然堰塞坝下游河道两岸的淤积现象,并根据堰塞坝溃决过程中的水流特点、泥沙运动及溃决完成后下游河道的地貌,初步分析了淤积区的形成机理。     

崩滑型堰塞坝危险性快速评估研究进展（特约稿）

崩滑型堰塞坝是由地震、降雨、火山喷发等自然因素诱发的崩塌、滑坡堵塞河道所形成的天然土石坝,其在世界范围内广泛分布。崩滑型堰塞坝的形成与溃决具有高突发性、突溃性和强致灾性,会严重威胁所在流域的人民生命财产安全。因此,快速开展堰塞坝危险性评估,对应急抢险救灾具有重要的现实意义。目前对堰塞坝危险性快速评估的研究主要集中在成坝可能性、稳定性、寿命和溃决洪水等四个方面。本文总结了堰塞坝成坝影响因素和成坝快速判别公式,系统阐述了堰塞坝稳定性和寿命的定义、影响因素及快速评估模型,详细归纳分析了堰塞坝溃决模式、溃坝影响因素及坝址与下游河道的洪水快速预测模型。研究表明堰塞坝的形成主要受地形条件,固体物源条件和水源条件的影响;其稳定性、寿命和溃决主要受坝体几何形态,坝体材料、结构和水文特征等方面的影响。根据影响因素所建立的评估模型在一定程度上可以快速估算堰塞坝的稳定性、寿命、溃决流量等参数,但由于信息获取不便等问题,评估结果仍然存在一定的不确定性。在此基础上,本文提出了需要进一步研究的方向：(1) 考虑不同外因（地震、降雨等）条件下滑坡、崩塌启动及运移过程大型模型试验,建立考虑关键影响因素和水土物质相互作用的成坝快速判别模型;(2) 基于物探等手段开展堰塞坝坝体材料和结构参数的快速获取研究;(3) 建立考虑能量转换与耗散的溃坝程度快速评估模型,分析残余坝体致灾危险性;(4) 构建流域堰塞坝溃决洪水演进及水库调蓄减灾分析模型,指导流域水量调度及流域范围内工程建设;(5)开展堰塞坝灾害链对全流域影响的快速动态风险评估,为堰塞坝灾害预测及应急处置提供重要参考依据。     

基于经验公式建立的滑坡泥石流坝溃口形式预测模型

为了预测滑坡泥石流坝溃决产生的洪峰流量和最大水深,本文的目标是建立滑坡泥石流坝在自然条件下首次溃决形式的经验公式模型,包括平均宽度bc和残留高Hd两个溃口形式的特征参数,从而为制订防灾减灾方案或应急预案提供科学依据。通过野外考察采集的数据以及溃决特征分析,选取影响滑坡泥石流坝溃口形式的主要因子,分别建立了坝高H、有效坝长B、堰塞湖库容W、坝体鞍部单宽体积V、内摩擦系数tan 以及上限粒径d90共6个因子与溃口形式（即溃口的平均宽度bc和残留高Hd）之间的经验关系公式。最后,将经验预测公式运用到实例进行检验,误差较小。     

金沙江白格滑坡堰塞坝溃决洪水灾害调查与致灾浅析

2018年10月10日和11月3日,西藏自治区江达县波罗乡白格村金沙江右岸同一位置先后两次发生滑坡堵江事件并形成了巨大的堰塞湖,其堰塞坝在自然泄流和人工开挖泄流槽两种处置方式后溃决。其中,第二次滑坡堰塞坝的溃决洪水给下游西藏、四川和云南3省（自治区）受灾范围内的道路、桥梁、耕地和房屋造成了巨大破坏。为了应对类似的极端、超常规、特大堰塞坝溃决洪水威胁以及相关的基础性研究需要,课题组于2018年12月21日至29日对这次金沙江白格堰塞湖溃坝洪水对下游的受灾情况进行了考察调研。考察以受灾最为严重的巴塘县巴楚河（又称巴曲河）与金沙江的交汇口为起点,直至洪水威胁基本消除的梨园水库库区为终点沿江共计488.6km的受灾河段为主。考察重点为沿岸房屋、道路、桥梁和水利基础设施等受损情况,并对溃坝洪水的最大淹没水位（洪痕）、考察时的河道水位,河道两岸堆积的泥沙及其颗粒级配,桥梁致灾水位等进行了分析,得到了一些有价值的灾情数据与成果,这些成果可为进一步的基础性研究提供一定的数据支撑。     

台风暴雨影响区域的溃坝洪水演进数值计算

针对东南沿海受台风暴雨影响流域中下游地势较低洼开阔,在台风暴雨过程中容易积水,存在大面积初始水深,出现较严重内涝的特点,建立考虑下游区域初始内涝水深的二维溃坝洪水演进数值模型.基于数字高程模型(DEM)的地形数据和矩形网格,采用有限体积法和逼近黎曼格式及逆风守恒格式求解方程,并以戌浦江流域为典型,重点分析该流域存在内涝时上游水库发生溃坝的洪水演进特点.结果表明,溃坝洪水受下游初始淹没水深的顶托,下游区域的淹没水深并不是初始淹没水深和不考虑初始淹没水深溃坝计算所得水深的简单叠加,越往下游初始淹没水深对计算结果的影响越大;如果在计算中不考虑初始淹没水深,将会明显错误地估计洪水所带来的灾害风险.     

天然河道非定常自由面流的守恒差分格式

提出了一维非定常浅水流的一种显式守恒差分格式．适用于天然河道或水库中的溃坝洪水波的传播．数值解与解析解符合较好，实际天然梯级水库的溃坝波传播的数值实验表明，计算稳定，结果合理．