狹窄型水庫不同滑速滑坡對涌浪特性及工程影響

2023-11-13 01:58:22賀翠玲李鵬峰荊海曉萬克誠段軍邦

水資源與水工程學報 2023年5期

關鍵詞：模型

賀翠玲, 李鵬峰, 張智, 荊海曉, 萬克誠,4, 段軍邦

(1.陜西省水生態環境工程技術研究中心, 陜西西安 710065; 2.中國電建西北勘測設計研究院有限公司,陜西西安 710065;3.西安理工大學, 西北旱區生態水利國家重點實驗室, 陜西西安 710048; 4.國家能源水電工程技術研發中心高邊坡與地質災害研究治理分中心, 陜西西安 710065; 5.黃河上游水電開發有限責任公司, 青海西寧 810000)

1 研究背景

庫區滑坡涌浪是一種破壞性極高的次生災害,高速失穩體可在庫區產生巨大的涌浪,傳播至壩前可能會翻越壩體,甚至會造成壩體潰決,對擋水建筑物及庫區居民造成嚴重威脅[1-3]。歷史上發生過較大的滑坡涌浪事故,如:1958年美國阿拉斯加州的Lituya Bay滑坡,涌浪波最大爬坡高度達到524 m[4];1963年意大利瓦伊昂水庫滑坡造成約2 000人死亡[5];我國三峽庫區也是滑坡涌浪災害發生較多的區域,據不完全統計,三峽庫區共監測到滑坡3 028處,其中2003年7月13日千將坪滑坡產生的涌浪波在對岸爬高超過30 m,在庫區傳播距離超過10 km,造成了巨大的經濟損失[6-8]。因此,滑坡涌浪生成過程、涌浪波在庫區演變及岸坡爬坡過程的精準預測對防止水庫漫壩、降低滑坡涌浪災害至關重要。

為了對滑坡涌浪災害問題進行預警和風險評估,眾多學者針對滑坡涌浪生成過程和浪高預測開展了細致的研究。黃智敏等[9]模擬了樂昌峽水庫鵝公帶滑坡體不同滑速工況對浪高、漫壩水量及動水壓強的影響;中國水利水電科學研究院提出浪高預測中的主導因素為滑坡體入水的速度和滑坡體的方量,并以此假設為基礎建立了浪高預測公式[10];潘家錚[11]根據條分滑坡體提出了計算滑坡涌浪初始浪高的方法,后續有學者用潘家錚方法和水科院經驗公式法論證了坡腳壓腳措施對降低涌浪高度的效果[12];Clous等[13]基于能量轉換,研究了散粒體滑坡產生的涌浪波波能問題;Evers等[14]基于理論分析研究了涌浪波在時間和空間上的脈沖性,探討了涌浪波在傳播過程中的震蕩危害;曹婷等[15]利用物理模型試驗研究了滑坡體形狀對涌浪爬高的影響;肖莉麗等[16]針對三峽庫區滑坡涌浪問題建立了1∶200的物理試驗模型,研究了近源區多因素對首浪高度的影響;黃錦林等[17]建立了1∶150的樂昌峽水庫物理模型,研究了滑坡體滑速對涌浪特性的影響,并將實驗結果與多個經驗公式進行了對比;馬鑫磊等[18]比選了在20多個典型滑坡涌浪實際災害評價中用到的國內外主流滑坡涌浪浪高預測方法,并指出了主流評價方法的不足;黃宇云等[19]應用三維流體模擬軟件Fluent,假定長嶺皮水庫滑坡體為顆粒流,研究了滑坡體不同體積與壩址最大浪高的關系。

綜上所述,現有研究主要針對寬廣水域或無壩河段的滑坡涌浪問題,對于狹窄型河道水庫而言,其涌浪生成、傳播甚至于爬坡的影響因素更加復雜,因此寬廣水域滑坡涌浪規律未必能反映出近壩庫區狹窄河道的滑坡涌浪規律。此外,流體動力學三維數值模擬軟件Flow Hydro在滑坡涌浪問題研究中的應用性能也需進一步研究和評價。因此,本研究針對黃河羊曲水電站狹窄庫區1#變形體失穩后不同滑速產生的涌浪災害問題,基于Flow Hydro模擬軟件分析庫區滑坡涌浪的產生、發展和傳播過程,進一步探討了滑坡入水速度對涌浪特征的影響以及對工程的危害,以期為大壩的安全提供技術支撐。

2 數值模型及驗證

羊曲水電站位于青海省海南藏族自治州興?？h與貴南縣交界處的黃河干流上,屬黃河上游水系。工程規模為一等大(1)型工程,壩頂高程為2 721 m,防浪墻高度為1.2 m,水庫正常蓄水位為2 715 m[20]。通過地質調查發現,H1滑坡體位于距壩軸線約1.2～2.0 km的壩前左岸,1#變形體位于壩址上游左岸,其上游側邊界與H1滑坡相鄰,下游邊界距壩址約750 m,變形體平面上呈不規則扇形,前緣寬度為710 m,后部較窄部位寬度約為100 m,變形體平均厚度為25 m,體積約為500×104m3,該變形體具有明顯的強傾倒層和滑移拉裂層。滑坡體所處位置庫區狹長,其上游和壩前河道寬廣,具有傳播方向上的二維特征和傳播變形方向上的三維特征。因此,本研究建立基于Flow Hydro的三維數學模型。

2.1 數值模型原理

滑坡涌浪問題涉及復雜的流體和固體強耦合過程以及流體飛濺和固體破碎變形。因此,流體的基礎三維特性通過求解三維Navier-Stokes方程獲得,在此基礎上進一步耦合紊流RNG模型來實現流體復雜變形的模擬[21],流體表面識別采用改進的VOF(volume of fuid)技術[22],其控制方程如下。

連續性方程:

(1)

動量方程:

(2)

式中:u、v、w分別為x、y、z方向的速度,m/s;Ax、Ay、Az分別為x、y、z方向的水流面積,m2;t為時間,s;ρ為水體的密度,kg/m3,模型材料屬性默認加載值為1 000 kg/m3;p為壓強,Pa;RSOR為源項;VF為單元網格體中流體的體積分數,水氣交界面取值為0.5,(Gx,Gy,Gz)為作用在單位質量流體微元的重力,N; (fx,fy,fz)為作用在單位質量流體微元的黏性力,N;Uw=(uw,vw,ww)為源項的速度,m/s;us,vs,ws為相對速度,m/s。

紊流模型為RNG模型:

DiffT-εT

(3)

式中:DiffT為紊流擴散項;PT為紊流動能產生項;GT為浮力產生項;kT為紊流動能;εT為紊流耗散項。

對于滑坡與水體的流固耦合過程,只要能夠準確描述滑坡體運動過程,將該過程體現在網格上,通過VOF在網格上識別固體區就可實現滑坡體與水體的耦合。因此選用Flow Hydro中穩定性和精度最為突出的GMO(general moving object)模型來描述滑坡運動,由每個時刻網格的變化來逐步更新滑坡體的位置,采用VOF法捕捉每個時刻的水氣交界面、固液交界面及固氣交界面[23-24]。

2.2 數值模型建立

研究范圍的選取和模型網格的劃分需要考慮計算成本、計算精度及區域內浪高干擾等多方面因素,本研究中涌浪模型下游側選取到羊曲水電站壩下游,只要不影響波浪在壩身的爬高即可;上游側選取到羊曲水電站壩上游地形開闊區域,該區域可以使得波浪盡可能衰減,減小反射波對觀測值的干擾;左、右岸范圍包含滑坡體即可。按照上述原則建立的滑坡涌浪三維數值模型區域及邊界條件如圖 1所示。圖 1中具體的模型范圍為:1#變形體上游側邊界向上游延伸1 km,下游至羊曲水電站大壩;左岸沿河地形模擬至3 000 m高程,右岸模擬至2 800 m高程。模型網格設計方案中,沿x方向(寬度方向)寬度為1 500 m,沿y方向(長度方向)長度為3 600 m,沿z方向(高度方向)高度為450 m;網格尺寸在x方向和y方向為5.0 m,z方向為2.5 m,網格總數為4 860×104。在邊界條件設置方面,左岸、右岸、上游及河床底部均設置為墻邊界(Wall),下游設置為開邊界,漫壩水體自由出流(Outflow),大壩頂部設置通量面,用來監測漫壩水體通量,頂部邊界設置為大氣壓(Pressure=0)。

2.3 數值模型驗證

為了對數值模型進行驗證,本研究按重力相似準則設計建立幾何比尺為1∶200的物理模型,根據《水電水利工程滑坡涌浪模擬技術規程》(DL/T 5246—2010)相關要求[25],模型滑坡體滿足幾何相似和塊體的比重相似,河道和岸坡滿足阻力相似。圖2為本研究所建立的羊曲水電站滑坡涌浪試驗模型;圖3為模型試驗觀測設備布置圖。滑坡體通過不同尺寸的混凝土塊組合模擬,滑車通過多鉸鏈的剛板組合實現;涌浪時程變化數據的記錄采用CBG03智能浪高儀,沿程總共布置16個浪高儀(Ob1～Ob16);滑坡體下滑速度、滑坡區域涌浪爬高及建筑物前涌浪爬高采用高速攝像機采集,漫壩水量使用量筒測量。

在1#變形體滑坡體積為100×104m3、滑坡啟動高程為2 755 m(試驗入水速度為14.05 m/s)、水庫正常運行水位為2 715 m條件下,進行數值模擬和模型試驗觀測,為了實現數值模擬與模型試驗中滑坡體的相似性,模擬時將滑坡體切分成小塊。選取滑坡處(浪高儀Ob8)和壩前(浪高儀Ob3)兩個測點,通過涌浪浪高模擬數據與試驗實測數據比較來驗證數值模型的準確性,圖4為該兩個測點涌浪浪高時程變化的模擬值與試驗值對比。從圖4可以看出,兩個測點的涌浪浪高和相位基本一致,首波和次生波的模擬值與試驗值吻合精度高,而尾波吻合精度較差。分析其原因:由于模型試驗的實際入水速度為14.05 m/s,與目標速度或者數值模擬給定的入水速度15 m/s有偏差,這兩種速度的差異會反映到后續涌浪浪高和波長上;此外,數值模型上游區域未做消波處理,而物理模型試驗中在上游加設了溢流堰來防止反射波的影響,各因素疊加導致后續波的擬合效果較差。但后續涌浪浪高較小,對建筑物的影響相對于首波和次生波來說可以忽略。綜合分析認為,該數值模型計算精度滿足要求,可用于后續研究。

3 結果分析與討論

在水庫位為正常運行水位2 715 m條件下,分析討論1#變形體滑坡方量為100×104m3的矩形斷面分別以5、10、15、20、25、30及35 m/s的入水速度剛性整體下滑時產生的初始涌浪高度及對岸坡和建筑的影響?；掠坷藬抵的M工況見表1。

表1 羊曲水電站庫區滑坡涌浪數值模擬工況

圖5為工況4(入水速度為20 m/s)滑坡涌浪流場變化過程云圖。由圖 5可觀察到,1#變形體所處位置的庫區水面較為狹窄,滑坡體入水使得大部分水體被直接推向對岸,僅有少部分水體形成首波向上、下游河道傳遞(圖5(b));滑坡體坍塌后的岸坡形成空缺,使水體開始后潰,后潰水體反射再次生成次生波(圖5(c));起初滑坡體推向對岸的水體在重力作用下從對岸岸坡跌落,再次形成涌浪繼續向上、下游傳播(圖5(d))。李世貴[6]、鄧成進等[26]通過研究發現,滑坡入水產生涌浪后,波浪場呈半圓曲線向遠端傳遞,但本研究中的涌浪生成過程具有明顯的狹窄庫區特性,地形嚴重影響了涌浪波的生成以及波場的反射和傳播,因而無明顯的圓形曲線傳播規律。

圖6為各工況滑坡處Ob8測點水面波浪高度(相對于庫水位2 715 m的浪高)時程線模擬結果。由圖 6可知,首波的波峰高度并不一定是最大的,某些情況下次生波的波峰高度最高,這是由于滑坡產生的波浪與對岸反射波疊加所致,在該過程中,涌浪波表現出明顯的震蕩性[27]。隨著滑坡體滑速的增大,首浪浪高呈減小的趨勢,這雖然與常規二維水槽試驗的結果不同,但與模型試驗觀測結果一致[28]。分析產生這一結果的原因可歸納為兩個方面:一方面隨著滑坡體速度的增大,能量傳遞到對岸岸坡導致涌浪爬坡高度增加,而縱向擴散減小;另一方面如果滑坡體速度過大,則首波傳遞到測點時涌浪并未成形,還在發展過程中。由圖6還可看出,波速隨著滑坡體滑速的增大而增大,滑速為35 m/s時形成的滑坡涌浪最先傳播到測點,滑速為5 m/s時的滑坡涌浪最后傳播到測點。各工況波峰高度均在壩頂高程附近,如果涌浪在傳播過程中衰減較小,就有可能發生漫壩。

圖7為工況4壩前區域9個時刻的波場云圖。由圖7可以看出,該工況下會發生多次波散射,波場復雜。由于波反射和疊加作用,某些位置的波高可能高于入射波。圖8為各工況壩前中部Ob3測點水面波浪高度(相對于庫水位2 715 m的浪高)時程線模擬結果。由圖8可知,首先,各滑速生成的涌浪波在從Ob8測點傳至Ob3測點過程中并沒有出現大幅度衰減(與圖 6對比分析)。其次,各工況的首波波高并非最大,最大波高為120～125 s出現的第4個波峰,這是由于壩前區域的多次波反射所致。此外,幾乎所有工況生成的涌浪波均會出現漫壩現象,漫壩位置主要在左、右壩肩處。

圖9為各工況溢洪道進口(壩左)、壩中及電站進水口(壩右)處的次生涌浪浪高變化規律。從圖 9中可以看出,當滑坡體入水速度從5 m/s增加到10 m/s時,壩前浪高明顯增大;當入水速度在10～35 m/s之間時,浪高保持緩慢增加趨勢。工況1～7建筑物前浪高大小排序如下:溢洪道進口處(壩左)>電站進水口處(壩右)>壩中,壩前水面呈兩端高中間低的態勢。

圖10為各工況滑坡涌浪引起的漫壩流量時程線。由圖10可以看出,所有工況都會發生多次漫壩,與前述壩前浪高分析一致。首波對漫壩流量的貢獻很小,漫壩流量的第一個峰值出現時刻在100 s左右,但是首波到達壩前的時刻約為40 s,其時間差距較大,這表明滑坡生成的涌浪波首波不一定是決定災害等級的關鍵性指標,涌浪波后續的傳播和散射也非常重要,在實際工程中必須進行準確預測。圖11為各工況漫壩水量統計結果。圖11表明,漫壩水量隨著滑坡入水速度的增大而增加。