山區(qū)庫(kù)岸滑坡涌浪翻壩三維數(shù)值模擬研究

明　唯，　田　忠

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都　610065)

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山區(qū)庫(kù)岸滑坡涌浪翻壩三維數(shù)值模擬研究

明唯，田忠

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610065)

摘要：以往對(duì)滑坡涌浪的研究較多地關(guān)注其形成過(guò)程和傳播規(guī)律，而對(duì)翻壩模式的研究尚為欠缺。將滑坡涌浪形成、傳播、翻壩三個(gè)階段作為整體研究對(duì)象，運(yùn)用FLOW-3D模擬了實(shí)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(gè)物理過(guò)程，全面分析了滑坡涌浪的翻壩規(guī)律，以期為庫(kù)岸滑坡災(zāi)害預(yù)防提供參考。

關(guān)鍵詞：庫(kù)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(chǔ)上，筆者利用流體計(jì)算軟件FLOW-3D模擬了山區(qū)庫(kù)岸滑坡涌浪的形成、傳播和翻壩整個(gè)過(guò)程。利用Heinrich[6]的滑坡涌傳播和翻壩整個(gè)過(guò)程。利用Heinrich[6]的滑坡涌浪試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。采用驗(yàn)證后的模型模擬了山區(qū)水庫(kù)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(gè)過(guò)程。

2控制方程和邊界條件

2.1控制方程

滑坡涌浪為復(fù)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(yùn)動(dòng)的Navier-Stokes方程。

2.2初始條件和邊界條件

計(jì)算域的底部及四周側(cè)壁為固壁無(wú)滑移邊界條件，無(wú)流體通過(guò)壁邊界。上部為壓強(qiáng)邊界條件，液體壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)，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(yīng)力平衡條件。初始時(shí)刻，水面未受到滑坡體擾動(dòng)，為靜止水面。滑坡體初始速度為零。

3數(shù)值模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

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

Heinrich(1992)的滑坡涌浪試驗(yàn)在長(zhǎng)20 m，寬0.55 m，高1.5 m的水槽中進(jìn)行。滑塊大小為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(shí)刻滑塊下表面剛好在靜止水面上，為水上滑坡。滑塊在重力作用下自由下滑，到達(dá)水槽底部時(shí)停止。數(shù)值模擬中計(jì)算模型和物理參數(shù)的選取與模型試驗(yàn)相同。

分別提取時(shí)間t=1.5 s時(shí)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(shí)間的變化過(guò)程與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如圖1、2所示，點(diǎn)代表試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線代表模擬結(jié)果。

圖1　時(shí)間t=1.5 s時(shí)數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果的自由液面高程對(duì)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(yàn)結(jié)果隨時(shí)間變化水深曲線對(duì)比圖

通過(guò)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)：計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(kù)岸滑坡的數(shù)值模擬

4.1工程概況與模型設(shè)置

所選水庫(kù)平均水深為98 m。受水庫(kù)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)。滑坡所在位置為“V”型河谷，兩岸對(duì)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。滑坡體最低點(diǎn)距離水面20 m，重心距水面約100 m。計(jì)算域?yàn)樯嫌? 000 m及壩后100 m范圍，利用規(guī)則矩形網(wǎng)格進(jìn)行空間離散，網(wǎng)格大小為20 m×20 m×10 m。在FLOW-3D中導(dǎo)入河道地形數(shù)據(jù)，采用FAVOR技術(shù)進(jìn)行三維建模，真實(shí)模擬了水庫(kù)區(qū)地形地貌。大壩上游面鉛直。計(jì)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(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)用FLOW-3D軟件建立滑坡涌浪三維翻壩數(shù)值計(jì)算模型，用以模擬庫(kù)岸滑坡引起涌浪直至翻壩的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。滑坡發(fā)生后水面變化情況見圖3。

圖3　山區(qū)水庫(kù)庫(kù)岸滑坡翻壩過(guò)程示意圖

初始時(shí)刻，水面靜止；隨后滑坡體失穩(wěn)，沿滑坡面高速下滑，勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，當(dāng)滑坡體前緣接觸水面時(shí)，水面受到擾動(dòng)，滑坡體將其攜帶的動(dòng)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(dòng)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(dòng)下向外傳播。因滑坡體輪廓縱向較長(zhǎng)且左邊距水面較近，滑坡右側(cè)涌浪的形成與傳播在時(shí)間上稍有滯后，涌浪以近似一個(gè)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(gè)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。滑坡在水下繼續(xù)下滑，對(duì)水面仍有較大的擾動(dòng)。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(diǎn)為圓心，迅速向?qū)Π都吧舷掠瓮七M(jìn)。在傳播過(guò)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(shí)傳播至壩址和對(duì)岸。涌浪正向傳播至對(duì)岸，以較大速度爬高并回落，最大爬坡高度達(dá)15 m左右。向?qū)Π秱鞑サ挠坷伺龅交芈涞挠坷撕笙嗷プ饔茫顾鞲叨任蓜?dòng)。

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(diǎn)的速度增大并迅速壅高。壩前水面涌高近10 m并導(dǎo)致水流漫壩，翻壩首先開始于左壩肩，隨后發(fā)展至整個(gè)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(duì)岸爬高都明顯減小。涌浪在庫(kù)區(qū)傳播及反射的作用下使庫(kù)水面反復(fù)震蕩，隨后逐漸靜止。

5結(jié)語(yǔ)

筆者在FLOW-3D中實(shí)現(xiàn)了庫(kù)岸滑坡引起涌浪直至翻壩整個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)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(gè)過(guò)程，克服了傳統(tǒng)滑坡涌浪產(chǎn)生、傳播、翻壩“單獨(dú)、定值”研究模式的不足，期望該計(jì)算成果對(duì)大壩的設(shè)計(jì)及滑坡涌浪災(zāi)害預(yù)防提供參考。

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[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(zé)任編輯：李燕輝)

明唯(1989-)，女，河南安陽(yáng)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(xué)、山區(qū)水庫(kù)滑坡涌浪翻壩機(jī)制.

作者簡(jiǎn)介:

文章編號(hào):1001-2184(2016)02-0073-03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7;TV22

收稿日期:2015-12-20