基于FLUENT的狭长型水库滑坡涌浪研究

滑坡涌浪是水库库区岸坡岩土体失稳下滑冲击库区水体而产生波浪的现象。大规模的滑坡可使库区产生巨大的涌浪,传播至坝前甚至会翻越大坝造成坝体溃决,严重威胁下游城市居民生命财产安全。以长岭皮水库为例,采用FLUENT软件模拟其库尾渣土填埋场发生不同规模滑坡所激起的坝址处最大浪高,并与潘家铮方法、中国水科院经验公式法和美国土木工程协会推荐方法等经验公式的计算结果对比;分析了滑坡体入水横断面形态及入水角度对滑坡涌浪高度的影响,发现涌浪最大浪高与滑坡体入水临水面面积呈线性正相关,并与入水角度呈非线性先负相关后正相关;提出了滑坡涌浪不漫顶的滑坡体临界体积。不同滑坡工况下的计算结果可为长岭皮水库库尾滑坡涌浪灾害预防提供参考。     

滑坡涌浪对坝面冲击压力的影响因素研究

库区边坡在强震、暴雨等作用下发生的滑坡失稳破坏会对挡水大坝形成巨大的涌浪冲击作用。本文针对库区滑坡涌浪对坝面的冲击压力问题,采用光滑粒子水动力学(SPH)方法研究了涌浪生成传播过程以及坝面涌浪冲击压力的分布形式,分析了滑坡体宽度、入水速度以及库区水深等因素对滑坡涌浪波高、坝面冲击压力的影响。结果表明,随着滑坡体宽度的增加,最大浪高降低,但是稳定波高增加,坝面冲击压力增大;随着滑坡入水速度的增加,波浪高度增加,但当入水速度增加到一定程度后,坝面冲击压力变化不明显;随着库区水深的增加,首浪高度降低,坝面最大冲击压力以及距离水面的相对作用位置基本不变。     

滑坡涌浪下斜坡波压力经验估算方法的对比

斜坡波压力计算公式经验性较强,计算公式种类繁多。为了探讨经验公式在预测滑坡涌浪对斜坡作用力的适用性问题,构建几何比尺为1∶70的滑坡涌浪三维物理模型,试验研究了不同工况时滑坡涌浪最大波与有效波下斜坡作用力的变化规律,采用3种常用的斜坡波压力经验公式,对比分析了滑坡涌浪下滑坡入水点正对岸斜坡波压力大小、作用点位置及分布特性。结果表明,3种经验公式计算结果有较大的差异,基于试验结果,路基公式经修正后可用于预测滑坡涌浪下斜坡波压力大小;向金公式经修正后可用于预测滑坡涌浪破碎作用点位置;波压力在斜坡上的分布趋势与苏联公式是一致的。     

水库滑坡涌浪爬坡特征试验研究

由滑坡引起的涌浪灾害不仅严重威胁航运安全,还会冲毁码头、大坝等水工建筑物并造成沿岸居民生命财产的损失。采用物理模型试验的方法对散粒体滑坡涌浪的爬坡特性开展了研究。试验结果表明：影响涌浪爬坡高度的主要因素有滑坡入水速度、滑坡体规模、滑动面倾角、水深、传播距离和爬坡角度等;当涌浪远场传播形态类似椭圆余弦波或孤立波时,涌浪爬坡高度较高,岸坡处水流紊动剧烈,涌浪对岸坡的破坏能力也最强。根据试验结果还建立了近岸坡处涌浪最大波幅计算模型,并结合经典波浪爬坡经验公式推导出了新滑坡涌浪爬坡高度计算公式。以长江新滩滑坡为例,验证了新涌浪爬坡高度计算公式的精度。研究结果能为实际工程中可能存在的滑坡涌浪爬坡灾害范围预测和涌浪避险方案制定等提供一定参考。     

库岸滑坡涌浪首浪高度试验研究

滑坡体的几何特征以及滑坡发生的空间特征直接影响滑坡入水时涌浪的产生及其传播情况,而首浪高度是滑坡涌浪灾害评估的重要指标。为探究各滑坡特征因素对首浪高度的影响规律,使用弯曲河道型水库物理模型进行了试验研究。分析滑坡涌浪的影响因素,利用正交试验法拟定试验方案测得首浪高度数据,然后对试验结果进行方差和极差分析,再结合已有计算公式得到首浪高度的无量纲计算公式,采用多元线性回归方法分别进行线性函数、幂函数、指数函数的公式拟合,并以龚家方滑坡为例验证了公式的准确性。结果表明:河道水深和滑坡体厚度对首浪高度影响最为显著;幂函数形式的首浪高度经验公式拟合程度最好;将滑坡体形状概化为偏长形的长方体时,运用经验公式计算的结果更为准确。研究成果可供滑坡涌浪灾害治理及预防研究参考。     

复杂河道边界对滑坡涌浪周期的影响

滑坡涌浪对涌浪生成和传播区域可能造成巨大影响。河道型水库滑坡涌浪受河道边界的作用会产生波浪叠加。为研究河道边界对滑坡涌浪周期的影响规律,借助长江三峡库区万州某河段与原型一致的物理模型,基于FLOW-3D计算流体力学软件建立三维滑坡涌浪数值模型,给出了数值求解、网格划分和边界条件设置方法,并经物理模型试验对建立的三维数学模型进行一致性较好的验证。按照滑坡体入水点位于河道直线段、弯道凸岸顶点、弯道凹岸顶点3种工况,模拟分析复杂河道边界对滑坡涌浪周期的影响规律,绘制波谱强度与频率关系图,得出不同岸坡坡度、弯道凹岸平面曲率、凹岸圆弧角度、凸岸圆弧角度对涌浪周期的影响规律。     

窄深河谷库岸滑坡坝前涌浪特性及浪高影响因素

为研究窄深河谷中近坝库区发生整体大方量失稳时次生涌浪在坝前区域的涌浪特性及影响因素,依托1:100物理模型开展窄深河谷近坝库区滑坡涌浪模型试验,研究坝前区域有较大越浪风险的坝肩测点的首浪高度和最大浪高,重点对比分析入水方量、入水速度对首浪高度和最大浪高的影响规律;并以量纲分析为基础,通过非线性回归分析得到坝肩位置的浪高预测公式。结果表明：坝前各点涌浪变化趋势相近,坝前区域的最大浪高几乎都出现在右坝肩的位置,具有更大的翻坝风险;在试验工况范围内,首浪高度随入水方量的增加有明显增加;滑块方量比入水速度对浪高的影响更大,且首浪高度比最大浪高对方量变化、入水速度变化的敏感性更高;坝前区域右坝肩的首浪高度、最大浪高对滑块宽度(方量)变化的平均敏感度系数分别为0.858、0.358,对入水速度变化的平均敏感度系数分别为0.217、0.115。依据试验成果拟合的浪高预测公式：首浪高度预测一致性较好,其预测误差低于3%;最大浪高波动随机性较大,预测误差小于15%。     

不同规模滑坡入水诱发涌浪灾害特征差异性分析

针对不同规模滑坡入水产生的涌浪开展三维数值分析,分析不同规模滑坡入水诱发涌浪灾害特征,如涌浪高度、涌浪速度、对岸爬高等,探讨不同规模滑坡入水引发涌浪对大坝的影响。利用FLOW-3D数值模拟方法对滑坡失稳过程、涌浪形成及传播、涌浪爬升、涌浪回流的全过程进行模拟分析。结果显示：310万m³滑坡入水产生涌浪在对岸最大爬高为54.5 m,坝前涌浪高度为6.69 m,涌浪在右岸坝肩处有小范围漫坝;80万m³滑坡入水产生涌浪在对岸最大爬高为26.00 m,坝前涌浪高度为5.38 m,涌浪对大坝安全无影响。结果表明：310万m³滑坡入水诱发涌浪与80万m³滑坡入水诱发涌浪相比,致灾性较强。     

V形挡板式透空堤后的波高分布数值分析

该文基于有限体积法开源软件OpenFOAM,求解不可压缩流体的连续方程和Navier-Stokes方程,建立了V形挡板式透空堤的波浪透射、绕射和越浪的三维数值波浪水池模型。控制体采用三维长方体,结构物周围进行了网格加密。在将数值计算结果与实验结果比较后验证了数学模型的准确性基础上,对60°夹角V形挡板式透空堤后的波高分布进行数值模拟,分别计算了竖板顶部高出静水面时仅有透浪和竖板顶部位于静水面时透浪加越浪情形下,相对水深d/L对V形挡板式透空堤后波高分布的影响。计算结果表明:仅有透浪情形,相对水深对V形挡板式透空堤后的比波高分布有较大的影响,V形挡板式透空堤对较短周期的波浪有较好的掩护效果。对比竖板相对入水深度t/d相同时仅有透浪和透浪加越浪情形,可见竖板顶部的越浪量主要影响堤后竖板附近区域的波高分布。     

波浪正向入射对斜坡作用的研究

本文通过大量的室内试验深入研究了波浪正向入射时,光滑斜坡上最大波压力的变化趋势,拟合出的变化规律与前苏联规范公式基本吻合,而且对两者的差别也作了合理的解释。同时,首次找出了最大波压力随波长变化的初步规律。     

弯曲河道型库岸滑坡涌浪传播及其与大坝的相互作用

库岸滑坡是一种常见地质灾害,如果无法及时预测而出现下滑,则滑坡入库后很可能诱发涌浪,危及河道交通或附近水利设施安全。以弯曲型河道滑坡入库诱发涌浪为研究对象,基于Flow-3D模拟弯曲河道型库岸滑坡涌浪传播过程及其与下游水利设施——大坝相互作用。为了检验水工物理模型试验的有效性和精度,在相关库岸滑坡涌浪研究基础上构建了三维滑坡涌浪数值模型。研究表明：三维数值模拟和水工物理模型试验结果吻合较好,主要体现在涌浪水面高度变化和传播过程。同时,分析不同水深和下滑坡角条件下大坝和滑坡涌浪相互作用过程,得出最危险的水深条件和入射角度,通过工程实例验证分析得出最大动水头小于涌浪高度水头且沿水深有一定程度的折减,则采用最大涌浪爬高水位静力方法计算分析坝体应力,其结果偏安全。     

分叉型库盘变形及对特高拱坝变形性态的影响

由弹性理论推导了特高拱坝在库水压力作用下引起的库岸边坡表面横河向水平位移计算公式;利用有限元数值仿真方法模拟了分叉河道的库盘库型,开展了库型因子对库盘基岩和大坝变形的敏感性分析。理论分析和数值计算结果表明:库水位和岸坡坡角是谷幅收缩的主要影响因素,河道分叉处到坝前距离和库水位是影响库盘变形和坝体变形的显著因素;随着高程增加,库水面以下横河向岸坡变形先向两岸方向增大,然后一直减小,直至转向河谷方向,而库水面以上岸坡一直向河谷方向变形。     

澜沧江某库区滑坡涌浪物理模型试验

为研究水库滑坡涌浪特征及传播规律,以澜沧江某水电站上游河道为模型,采用正交试验方法设计试验组次,制定了包括滑坡体规模、入水速度、水深、河面宽度的影响因素的试验方案,采用试验控制系统、量测系统开展了滑坡涌浪三维物理模型试验;以量纲分析为基础,借鉴了潘家铮涌浪公式的相关物理量结合方法,基于试验数据,采用多元回归分析法给出了最大首浪经验公式并拟合出了沿程传播浪的回归方程。结果表明:试验拟合推导的方程预测梅里石4^#滑坡在不同失稳工况下最大首浪高度为90.37 m;坝前涌浪高度最大值为15.09 m。其成果可为滑坡体涌浪灾害预警及水电大坝安全保障提供依据。     

椭圆余弦波对V形防波堤绕射波浪力的解析计算

应用椭圆余弦波理论,给出了V形薄壁防波堤的浅水波绕射理论解,对现有Airy微幅波理论进行了有效拓展。通过对V形防波堤的浅水波浪力进行试算,揭示了椭圆余弦波对防波堤的作用规律。计算结果表明:椭圆余弦波理论计算的V形防波堤的最大无量纲波浪力明显大于相同浅水条件下Airy微幅波理论的对应结果,该方法有效拓展了无限长直立薄壁堤的反射波理论。此外,浅水波入射角、V形堤张角和防波堤臂长与水深比等参数的变化均将对V形堤的波浪作用产生相关影响,而V形堤的实际绕射波浪力幅值将随浅水波特征参数值的增大而增大。     

滑坡涌浪近远场划分及其水波特性分析

滑坡涌浪是一种危害较大的次生灾害,会对人民的生命财产安全造成重大威胁。为探究滑坡涌浪在不同场域的涌浪水波特性,及时发现危害并采取防范措施,对滑坡涌浪全程进行数值模拟。通过CFD软件FLOW-3D建立滑坡涌浪数值模型,并将其模拟精度与有效性,与经典滑坡涌浪试验进行验证。对比结果表明数值模拟涌浪首浪高度与物理模型试验结果一致性较好,数值模拟能反映滑坡涌浪传播的整个过程。基于数值模型,制定关于滑坡体密度、滑坡体体积及滑坡体初始入水特征的27组数值模拟试验。结果表明:近场涌浪回弹及首波波谷出现时间与滑坡体密度呈负相关;近场涌浪首波势能占全程涌浪势能的70%左右;远场涌浪周期约为滑坡体水下运动时间的2倍;通过涌浪势能给出了特定条件下距滑坡体入水点22 m处为远场涌浪波起始位置。研究成果为滑坡涌浪灾害的预警和防治提供一定的参考,可避免发生更大灾害,减少损失。     

岩质滑坡涌浪对三峡库区岸坡的冲刷模型试验

为了解岩质滑坡涌浪对三峡库区岸坡的冲刷破坏情况,以万州港为原型,设计岩体滑坡涌浪物理模型试验,分析了不同滑坡体体积和滑面倾角情况下滑坡涌浪对库区3种不同粒径岸坡的冲刷深度和静水面上下15 m岸坡整体的冲刷特性。试验结果表明:岸坡最大冲刷深度与滑坡体宽度及厚度呈正相关关系;滑坡体体积较大时,岸坡冲刷深度在滑坡体滑面倾角为40°时最大,滑坡体体积较小时,岸坡冲刷深度在滑坡体滑面倾角为60°时最大;岸坡需防护范围为静水面上下7 m,在静水面和岸坡接触的部位需重点防护。根据试验数据,给出了计算岸坡最大冲刷深度的经验公式。