山區(qū)庫岸滑坡涌浪翻壩三維數(shù)值模擬研究

明　唯，　田　忠

(四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都　610065)

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山區(qū)庫岸滑坡涌浪翻壩三維數(shù)值模擬研究

明唯，田忠

(四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都610065)

摘要：以往對滑坡涌浪的研究較多地關注其形成過程和傳播規(guī)律，而對翻壩模式的研究尚為欠缺。將滑坡涌浪形成、傳播、翻壩三個階段作為整體研究對象，運用FLOW-3D模擬了實際地形中滑坡入水生成涌浪、涌浪傳播至壩前并造成翻壩的整個物理過程，全面分析了滑坡涌浪的翻壩規(guī)律，以期為庫岸滑坡災害預防提供參考。

關鍵詞：庫岸滑坡;涌浪;翻壩;數(shù)值模擬;FLOW-3D

1概述

在前人研究的基礎上，筆者利用流體計算軟件FLOW-3D模擬了山區(qū)庫岸滑坡涌浪的形成、傳播和翻壩整個過程。利用Heinrich[6]的滑坡涌傳播和翻壩整個過程。利用Heinrich[6]的滑坡涌浪試驗對數(shù)值模擬結(jié)果進行了驗證。采用驗證后的模型模擬了山區(qū)水庫滑坡涌浪的形成、傳播、翻壩現(xiàn)象，包括：(1)滑坡入水，初始涌浪生成；(2)涌浪在傳播、反射、折射規(guī)律影響下的衰減和變形；(3)傳播至壩前，水面壅高、直至翻壩的整個過程。

2控制方程和邊界條件

2.1控制方程

滑坡涌浪為復雜的流固耦合問題。固體需滿足牛頓第二定律，流體控制方程為基于連續(xù)性方程和不可壓縮黏性流體運動的Navier-Stokes方程。

2.2初始條件和邊界條件

計算域的底部及四周側(cè)壁為固壁無滑移邊界條件，無流體通過壁邊界。上部為壓強邊界條件，液體壓強等于大氣壓強，自由面上的法向速度為零且滿足在液體與氣體的交界面上的應力平衡條件。初始時刻，水面未受到滑坡體擾動，為靜止水面?；麦w初始速度為零。

3數(shù)值模型的試驗驗證

筆者利用1992年Heinrich的物理模型試驗做為參考標準，用以驗證數(shù)值模擬的可靠性。

Heinrich(1992)的滑坡涌浪試驗在長20 m，寬0.55 m，高1.5 m的水槽中進行?；瑝K大小為0.5 m×0.5 m的楔形滑塊，不考慮滑塊的變形和破壞。斜坡坡度為45°，水深0.4 m。初始時刻滑塊下表面剛好在靜止水面上，為水上滑坡?；瑝K在重力作用下自由下滑，到達水槽底部時停止。數(shù)值模擬中計算模型和物理參數(shù)的選取與模型試驗相同。

分別提取時間t=1.5 s時的自由液面高程和距離斜坡坡腳處水平距離x=4 m處水深隨時間的變化過程與模型試驗結(jié)果進行對比。如圖1、2所示，點代表試驗數(shù)據(jù)，實線代表模擬結(jié)果。

圖1　時間t=1.5 s時數(shù)值模擬和試驗結(jié)果的自由液面高程對比圖

圖2　距離滑坡入水處水平距離x=4 m的數(shù)值模擬和試驗結(jié)果隨時間變化水深曲線對比圖

通過分析對比發(fā)現(xiàn)：計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，整體吻合較好。該數(shù)值模型可用于模擬滑坡涌浪問題。

4山區(qū)河流庫岸滑坡的數(shù)值模擬

4.1工程概況與模型設置

所選水庫平均水深為98 m。受水庫蓄水和降雨影響，河谷左岸距壩址450 m處有一滑坡體失穩(wěn)?；滤谖恢脼椤癡”型河谷，兩岸對稱，岸坡為22°緩坡。滑坡體平面形態(tài)呈橢圓狀，中部及后緣較厚，前緣較薄，總體積約為11×104m3?；麦w最低點距離水面20 m，重心距水面約100 m。計算域為上游2 000 m及壩后100 m范圍，利用規(guī)則矩形網(wǎng)格進行空間離散，網(wǎng)格大小為20 m×20 m×10 m。在FLOW-3D中導入河道地形數(shù)據(jù)，采用FAVOR技術(shù)進行三維建模，真實模擬了水庫區(qū)地形地貌。大壩上游面鉛直。計算中不考慮滑坡體及岸坡的變形，模型均采用剛體材料。

4.2試驗結(jié)果分析

運用FLOW-3D軟件建立滑坡涌浪三維翻壩數(shù)值計算模型，用以模擬庫岸滑坡引起涌浪直至翻壩的動態(tài)變化過程。滑坡發(fā)生后水面變化情況見圖3。

圖3　山區(qū)水庫庫岸滑坡翻壩過程示意圖

初始時刻，水面靜止；隨后滑坡體失穩(wěn)，沿滑坡面高速下滑，勢能轉(zhuǎn)換成動能，當滑坡體前緣接觸水面時，水面受到擾動，滑坡體將其攜帶的動能傳遞給周圍水體，液面受到力的作用而具有較高的初速度。隨著滑坡體繼續(xù)下滑，原有水體的空間被滑坡體所占據(jù)，水面壅高。另一方面，具有初速度的水體擠壓周圍水體，迅速向周圍傳播，擾動范圍變大，水體獲得更大的速度。滑坡體繼續(xù)下滑，壅高的水體沿著滑坡邊緣上爬，在坡肩處形成波峰，涌浪在滑坡的推動下向外傳播。因滑坡體輪廓縱向較長且左邊距水面較近，滑坡右側(cè)涌浪的形成與傳播在時間上稍有滯后，涌浪以近似一個變形的橢圓向外傳播。

滑坡體完全沒于水中后，在滑坡后面形成了一個凹陷的空腔，水體倒灌回空腔。水體在慣性力的作用下，以較高的速度在滑坡岸沖高并回落?；略谒吕^續(xù)下滑，對水面仍有較大的擾動。最終滑坡體在阻力的作用下靜止于河谷底部。涌浪波峰高度不斷增大，隨后首浪形成。

涌浪形成后，以入水點為圓心，迅速向?qū)Π都吧舷掠瓮七M。在傳播過程中，由于地形變化而發(fā)生的反射、折射、繞射等造成波浪變形及衰減。首浪分別在8 s、10 s時傳播至壩址和對岸。涌浪正向傳播至對岸，以較大速度爬高并回落，最大爬坡高度達15 m左右。向?qū)Π秱鞑サ挠坷伺龅交芈涞挠坷撕笙嗷プ饔?，使水流高度紊動?/p>

涌浪斜向傳播至壩前、受到大壩的阻攔后波浪變陡，波峰水質(zhì)點的速度增大并迅速壅高。壩前水面涌高近10 m并導致水流漫壩，翻壩首先開始于左壩肩，隨后發(fā)展至整個壩頂，最后在右壩肩處出現(xiàn)較大的翻壩流量。首浪產(chǎn)生后，還有次浪生成，但波高明顯減弱，翻壩量及對岸爬高都明顯減小。涌浪在庫區(qū)傳播及反射的作用下使庫水面反復震蕩，隨后逐漸靜止。

5結(jié)語

筆者在FLOW-3D中實現(xiàn)了庫岸滑坡引起涌浪直至翻壩整個動態(tài)變化過程的數(shù)值模擬，重現(xiàn)了滑坡涌浪產(chǎn)生-傳播-翻壩的整個過程，克服了傳統(tǒng)滑坡涌浪產(chǎn)生、傳播、翻壩“單獨、定值”研究模式的不足，期望該計算成果對大壩的設計及滑坡涌浪災害預防提供參考。

參考文獻：

[1]Edward Noda.Water waves generated by landslides[J].Journal of the Waterways,Harbors and Coastal Engineering Division,1970,96(4):35-855.

[2]Rudy Slingerlang,Barry VoightPaolo.Evaluating hazard of Landslide-Induced water waves[J].Journal of the Waterway Port Coastal and Ocean Division 1982,108(4):502-512.

[4]哈秋舲，胡維德.水庫滑坡涌浪計算[J].人民黃河，1980，2(2)：30-36.

[5]宋新遠，邢愛國，陳龍珠.基于FLUENT的二維滑坡涌浪數(shù)值模擬[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，59(3)：90-94.

[6]P.Heinrich.Nonlinear water waves generated by submarine and aerial landslides[J].J.Waterway,Port,Coastal,Ocean Eng,1992,118(3):249-266.

(責任編輯：李燕輝)

明唯(1989-)，女，河南安陽人，在讀碩士研究生，研究方向：滑坡涌浪數(shù)值模擬；

田忠(1977-)，男，湖南保靖人，副研究員，博士，研究方向：工程水力學、山區(qū)水庫滑坡涌浪翻壩機制.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0073-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV22

收稿日期:2015-12-20