山區庫岸滑坡涌浪翻壩三維數值模擬研究

明　唯，　田　忠

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

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山區庫岸滑坡涌浪翻壩三維數值模擬研究

明唯，田忠

(四川大學 水力學與山區河流開發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值模擬結果進行了驗證。采用驗證后的模型模擬了山區水庫滑坡涌浪的形成、傳播、翻壩現象，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。滑坡體初始速度為零。

3數值模型的試驗驗證

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。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，到達水槽底部時停止。數值模擬中計算模型和物理參數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果進行對比。如圖1、2所示，點代表試驗數據，實線代表模擬結果。

圖1　時間t=1.5 s時數值模擬和試驗結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的數值模擬和試驗結果隨時間變化水深曲線對比圖

通過分析對比發現：計算結果與試驗結果基本一致，整體吻合較好。該數值模型可用于模擬滑坡涌浪問題。

4山區河流庫岸滑坡的數值模擬

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。滑坡所在位置為“V”型河谷，兩岸對稱，岸坡為22°緩坡。滑坡體平面形態呈橢圓狀，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，利用規則矩形網格進行空間離散，網格大小為20 m×20 m×10 m。在FLOW-3D中導入河道地形數據，采用FAVOR技術進行三維建模，真實模擬了水庫區地形地貌。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試驗結果分析

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

圖3　山區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，沿滑坡面高速下滑，勢能轉換成動能，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。隨著滑坡體繼續下滑，原有水體的空間被滑坡體所占據，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。滑坡在水下繼續下滑，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，迅速向對岸及上下游推進。在傳播過程中，由于地形變化而發生的反射、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。向對岸傳播的涌浪碰到回落的涌浪后相互作用，使水流高度紊動。

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，隨后發展至整個壩頂，最后在右壩肩處出現較大的翻壩流量。首浪產生后，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結語

筆者在FLOW-3D中實現了庫岸滑坡引起涌浪直至翻壩整個動態變化過程的數值模擬，重現了滑坡涌浪產生-傳播-翻壩的整個過程，克服了傳統滑坡涌浪產生、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：

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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