基于Herschel-Bulkley流变模型的滑坡涌浪数值模拟方法研究

山区水库滑坡涌浪灾害严重威胁库区航运、水工建筑物及沿岸城镇的安全,针对这类次生灾害进行预测和早期防范具有重要意义。滑坡冲击水体形成涌浪的动力过程十分复杂,对其进行准确模拟一直是近年来的研究热点。本文将滑坡视为由流体化物质组成的一类连续的特殊流体,在满足连续方程和动量方程的基础上,引入Realizable k-ε紊流模型和VOF模型,采用自定义函数程序控制滑坡流变特征和底部摩擦阻力,利用有限体积法模拟了Lituya海湾滑坡涌浪运动的全过程,数值模拟得到的涌浪生成形态、速度矢量场与试验结果吻合较好。通过对库区滑坡涌浪开展三维数值模拟,定量获得了不同时刻下库区内涌浪的运动信息。结果表明,涌浪在狭窄顺直河道内传播时波高衰减缓慢,波形类似于孤立波,而在库区弯道地形影响下波幅会迅速衰减。论文研究成果可为科学制定涌浪灾害应急预案和紧急避险方案提供依据。     

库区滑坡涌浪传播及其与大坝相互作用机理研究

库区滑坡涌浪可能危及大坝及下游安全,基于流体动力学的滑坡涌浪数值模拟可获得完整的分析数据,将成为研究滑坡涌浪与大坝作用过程的重要手段。本文以某大坝上游约1300 m的3#变形体滑坡涌浪为研究对象,建立库区三维滑坡涌浪数值模型,并通过水工物理模型试验对其模拟精度和有效性进行了验证。研究结果表明,数值模拟得出的涌浪高度变化、水面起伏过程与水工物理模型试验结果基本一致,数值模拟能反映滑坡涌浪传播及其与大坝相互作用的整个过程。最后基于数值模拟获得的数据,分析了滑坡涌浪与大坝作用过程,以及坝面动水头与坝前涌浪高度的变化关系。分析认为,库区水体反复震荡、叠加而形成的涌浪对下游沿岸安全危害可能更大,大坝坝顶及下游有必要采取避险措施;最大动水头小于涌浪高度,若采用静力方法计算分析坝体稳定应力,其结果偏于安全。     

一种改进的滑坡涌浪动力学模型

滑坡涌浪是库区最常见的自然灾害之一,为了对库区滑坡涌浪的灾害范围进行更加准确、高效的模拟,基于Sassa滑坡运动模型、COMCOT海啸模型及其开源有限差分程序、流体力学建立了流动性滑坡涌浪动力学模型。为了使模型能更好地反映滑坡涌浪的实际运动,模型考虑了滑坡涌浪的强烈耦合作用力、波浪破碎等因素对滑坡涌浪运动的影响,并通过龚家方滑坡涌浪案例验证了模型的有效性。模拟结果表明:①模拟得到滑坡的运动过程、堆积体形态、涌浪的产生、传播、爬坡与野外观测情况基本吻合;②由于岸边波能集聚,涌浪的岸边爬坡波高比河道内的波高更高;③爬坡波高在沿程递减的同时也存在波动,这与观测点的具体地形条件有关。由于模拟结果与野外观测情况相符,因此可将该模型应用于类流体滑坡涌浪的模拟,该模型的模拟结果可为类流体滑坡涌浪灾害防治工作提供参考依据。     

库区滑坡涌浪试验研究综述

在对库区滑坡涌浪资料统计和分析的基础上,概述了库区滑坡涌浪典型实例及其危害。深入研究了已有的滑坡涌浪模拟技术和计算方法,并进行了分析评价。由于滑坡产生的涌浪特征与滑坡体本身的几何参数、运动方式、滑坡角度等众多因素有关,且不是单纯的线性关系,因此,从整体能量的角度考虑,提出了库区滑坡涌浪的实验室分类模拟方法。可为滑坡涌浪物理模型试验提供系统和完整的技术支撑。     

库区滑坡涌浪三维数值模拟分析

针对某水库库区的3#变形体滑坡涌浪问题,采用三维数值模拟方法分析库区滑坡涌浪传播过程,研究网格尺寸对数值分析计算精度的影响,同时建立1∶280的水工物理模型进行验证,并与潘家铮法计算的涌浪高度进行对比。结果表明:数值分析计算精度与模拟网格尺寸、涌浪剧烈程度及涌浪传播距离有关;三维数值分析和物理模型试验得到的涌浪高度变化曲线的趋势基本一致,涌浪传播至坝前时,各种方法得到的坝前涌浪高度误差较小,数值分析结果可作为大坝安全影响的评价依据。3#变形体形成的涌浪在第4次波峰（t=151 s）时超过坝顶超高约8.37 m,仅占最大坝高的3.3%,且过流量有限,不会对大坝安全构成威胁。     

狭窄型水库不同滑速滑坡对涌浪特性及工程影响

为了阐明狭窄型库区滑坡涌浪的生成特性和传播特性,明晰在狭窄水域中滑坡体入水速度对涌浪特性的影响和工程的危害,以羊曲水电站狭窄库区中的1^#变形体为例,采用三维数值模拟方法分析库区滑坡涌浪的产生、发展和传播全过程,同时建立1∶200水工物理模型进行验证,进一步论证滑坡体滑速对工程的危害。结果表明：数值模拟与物理模型试验涌浪时程线基本一致,试验在滑坡发生地和坝前测得的涌浪高度与模拟结果吻合良好。在狭窄水域中,首波波高随滑速的增大而减小,并且在波列中首波的波高不一定最大。此外,首波向大坝传播过程中没有发现明显的衰减,但其对总漫坝水量的贡献很小,漫坝流量峰值出现的时刻明显晚于首波到达坝前的时刻。     

库区滑坡涌浪数值模拟方法研究进展

对近年来库区滑坡涌浪涉及的边坡失稳、滑动、涌浪产生和传播这4个阶段研究中采用的数值模拟方法的研究进展和发展趋势进行了综述,重点归纳总结了边坡滑动过程以及涌浪产生过程的数值模拟方法的研究成果,指出滑坡涌浪从库区边坡失稳到涌浪传播是一个完整连续的过程,今后需要在目前各个阶段独立研究的基础上融合固体力学和流体力学两类学科中的相关研究方法,建立库区滑坡涌浪全程数值模拟方法,实现滑坡涌浪的全过程模拟。     

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。     

考虑阻力作用的碎石土滑坡涌浪数值模拟方法研究

滑坡涌浪是库区水灾害的风险来源之一,开展涌浪预测研究对提升航道安全,减小近岸洪水风险具有重要的工程应用价值,但滑坡体入水形成涌浪的动力过程十分复杂,目前对其进行准确模拟仍是棘手的问题。基于等效流体假设,将非均质的碎石土滑坡视为连续的特殊流体,通过自定义函数编写滑坡体沿滑动面运动的摩擦阻力程序,利用Realizable k-ε湍流模型与VOF法建立了碎石土滑坡涌浪数值模拟模型。研究结果表明：该方法可较好地模拟碎石土滑坡体水下运动与堆积形态,且获得的涌浪波幅精度较高;阻力模型中摩擦系数与内摩擦系数同滑坡体的变形速率分别成反比关系,而湍流阻力系数增大仅能减缓滑坡后缘的变形速率。研究成果可为定量评估碎石土滑坡涌浪灾害风险、制定库区涌浪灾害紧急避险预案提供参考。     

滑坡涌浪的数值模拟

推导了用于模拟滑坡涌浪的DIF方程,并采用非规则网格有限体积法和显式MacCormack预测-校正数值方法求解该方程,建立了滑坡涌浪数值模型。利用新滩滑坡涌浪原型观测资料对数值模型进行了验证。模拟的涌浪首浪高度、涌浪爬坡及涌浪的沿程传播规律与原型观测资料吻合较好。研究了计算结果的可视化及进一步分析了滑坡涌浪灾害,此研究成果可用于滑坡涌浪灾害的预报和防治。     

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。     

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。     

窄深河谷近坝库岸滑坡涌浪特性及传播规律

大比尺水工模型试验可获得更接近原型的相似现象,对窄深河谷近坝库区可能发生的整体大体积滑坡工况进行试验研究,结合三维数值模型分析滑坡次生涌浪的产生、传播和消散特性。研究结果表明:数值模型计算的浪高、相位与试验结果基本一致,库区涌浪类型属于有限水深波,波能沿水深方向均有分布;涌浪产生区附近非线性较强,受窄深地形影响,波高在传播过程中快速衰减,坝肩处涌浪叠加出现瞬时越浪;试验中涌浪近场波形只观测到弱非线性振荡波;试验范围内块体模型冲击动能转化率为2%~19%,滑块动能转化率与相对体积、相对厚度呈正相关,与滑块入水弗劳德数呈负相关;低频波受地形影响较大,在岸坡浅水区域出现波能的暂时集中,谱峰值增大,随时间推移库区水域高频波增多。对于窄深河谷中的大体积滑坡次生涌浪,尽管首浪波能受高陡边坡影响,传播至坝前时波高已明显削减,但坝前最大浪高往往由涌浪反射叠加形成,在首浪到达之后仍存在翻坝风险。     

基于浅水波方程的滑坡涌浪分析研究

随着水电工程的不断发展,库区滑坡稳定性及涌浪灾害链是影响水库安全运行的重要因素之一。同时,滑坡涌浪问题也一直以来是地质灾害领域研究的热点和难点问题之一。从二维浅水波方程基本理论出发,从滑坡动力学及入水产生涌浪全过程的数值模拟方法进行系统分析,并在此基础上以贵州省索风营水电站近坝库区的卞家寨滑坡潜在的涌浪过程进行模拟分析。基于野外地质勘探成果,构建滑坡体的三维地质结构模型及库区和大坝模型。通过数值计算分析,涌浪产生的洪水虽然产生漫坝,但是持续时间短、峰值较小,加之大坝为重力坝,因此对大坝不会造成严重的危害,对下游河道产生较大洪水灾害的可能性不大。     

雅砻江流域滑坡涌浪对库区的影响

以雅砻江流域的水文站滑坡体作为研究对象,研究其在锦屏水电站三期蓄水后滑坡体滑动失稳对于库区的影响。采用经典的Fluent软件进行数值模拟,依托VOF方法跟踪自由液面流场,借助动网格技术与UDF程序结合来模拟滑坡体的滑动,通过对河道切面施加探针提取涌浪高程数据,将数值模拟的结果同潘家铮院士的涌浪经验公式计算结果进行对比分析,同时对探针数据进行时域分析、涌浪特征点的涌浪振幅值拟合分析、流场分析。分析结果显示,Fluent软件在模拟滑坡涌浪的形成、传播、消散方面表现突出,能够准确模拟涌浪变化情况,通过与理论公式计算结果比较发现,初始涌浪、对岸涌浪、坝址涌浪高度的误差在10%以内,滑坡涌浪能量衰减,在空间上和时间上都符合指数分布规律。模拟分析结果表明,水文站滑坡体失稳导致的涌浪不会对坝体造成漫堤等严重后果。     

散体滑坡涌浪形成与传播的物理模拟试验研究

滑坡入水淹没率是影响滑坡涌浪生成和传播的重要因素。采用正交试验开展散体滑坡涌浪室内模拟试验研究,探讨了滑体规模、速度与水深条件对涌浪波形特征的影响。取得如下研究成果:①滑体完全入水激发涌浪,首浪具有较大波幅,波前平缓、波后较陡,且波形关于竖直和水平轴对称,呈“匍匐”态传播;未完全入水滑坡涌浪初始波峰明显,形态尖突,无明显波谷,波形关于竖直轴对称。②建立了基于单宽体积比R和弗劳德数Fr的波形分类方法,将涌浪分为类斯托克斯波、类椭圆余弦波(或类孤立波)和涌波3种波形,界定了基于R-Fr关系的波形边界方程。③构建了基于R参数的最大波幅预测模型,选取4个涌浪案例验证了模型的可靠性。研究结果对探究深水与浅水区滑坡涌浪的预测具有参考意义。     

滑坡涌浪传播及翻坝过程数值模拟

将滑坡体概化为滑块,并给定其水下运动规律,利用UDF自定义函数对Fluent进行二次开发,模拟了滑块入水产生的涌浪性质,并分析了涌浪首浪传播及翻坝过程。仿真结果表明:若将滑坡概化为滑块,在给定水下运动形式下,产生的涌浪性质与孤立波类似,即涌浪只影响水面以下一定范围,对水底影响不大;涌浪顺水流方向的运动对动压起主要贡献;首浪在传播过程中涌浪波幅会减小而波宽会增大,且波高沿着传播方向其衰减速率在逐渐变小;滑块排挤的库区水体体积小于自身体积;小体积的滑坡对大库容的水库影响程度很小。对比分析不同体积滑坡激发涌浪翻坝的过程发现,滑块体积越大,激发的涌浪传播速度越快,高度越高,形成的翻坝流量越大,对下游的危害性越大。     

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。     

某电站库区典型滑坡涌浪 传播数值模拟

选择某水电站近坝段的一个典型滑坡体作为研究对象,对天然河道建立数学模型进行涌浪传播过程的数值模拟,得到了涌浪沿河道传播衰减规律和涌浪淹没范围。结果表明涌浪传至坝址处一定高度时,不会对坝体安全产生破坏性影响,为库区移民和防灾减灾提供了参考依据。     

乐昌峡库区鹅公带滑坡体滑坡涌浪爬高研究

在对乐昌峡水库鹅公带滑坡体滑坡涌浪水力模型试验和有关文献的滑坡涌浪浪高、涌浪波传播及反射计算方法分析的基础上,结合乐昌峡库区的特点,对狭窄河道库区的滑坡涌浪初始浪高计算及其对岸山坡涌浪爬高计算方法的边界条件进行了探讨,该文的计算结果与模型试验成果较吻合。