庫區滑坡涌浪爬高研究現狀與展望

摘 要：在對庫區滑坡涌浪資料的整理分析基礎上，概述典型庫區滑坡涌浪實例及其災害。滑坡涌浪會給庫區周圍居民的生命財產安全帶來極大威脅，為了更好地防治滑坡涌浪災害，該文從滑坡涌浪爬高方面出發，對近年來滑坡涌浪在物理模型實驗和數值模擬研究進展進行綜述，在物理模型實驗方面，研究者們通過調整不同的參數，如滑坡形狀、斜度、體積等，模擬滑坡涌浪的爬高過程，并得出一些重要的結論。在數值模擬方面，研究者們通過建立數學模型，采用數值方法計算滑坡涌浪的運動和爬升過程。這種方法可以很好地理解滑坡涌浪的動力學行為，并預測其爬高過程。未來應該繼續深入研究影響滑坡涌浪爬高行為的因素，以期取得更多的突破和進展。

關鍵詞：滑坡涌浪；爬高；物理模型實驗；數值模擬；綜述

中圖分類號：P642.22 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0115-04

Abstract： Based on the collation and analysis of the data of surge landslides in the reservoir area， this paper summarizes the typical examples of landslide surges and their disasters in the reservoir area. The landslide surge will bring great threat to the life and property safety of the residents around the reservoir area. In order to better prevent the landslide surge disaster， this paper starts from the aspect of landslide surge climbing， this paper summarizes the research progress of landslide surge in physical model experiment and numerical simulation in recent years. In physical model experiment， researchers simulate the climbing process of landslide surge by adjusting different parameters， such as landslide shape， slope， volume and so on， and some important conclusions are drawn. In the aspect of numerical simulation， researchers establish mathematical models and use numerical methods to calculate the movement and climbing process of landslide surges. This method can well understand the dynamic behavior of landslide surge and predict its climbing process. In the future， we should continue to study the factors that affect the climbing behavior of landslide surge， in order to make more breakthroughs and progress.

Keywords： landslide surge; climbing; physical model experiment; numerical simulation; summary

隨著經濟的快速發展，中國在水利水電工程領域實現了迅猛發展。特別是高壩建設技術，已經逐步趨于成熟，并開始在全球范圍內占據領先地位。目前，我國已經成功建造了超過五百座中大型水庫，其中不乏世界級的重要水利工程，例如三峽、錦屏、白鶴灘和烏東德等。這些高壩建成后形成的大型水庫，在降雨、地震及水庫水位變化等多種因素的影響下會產生庫岸滑坡，從而導致涌浪的產生。滑坡涌浪作為一種由滑坡體滑入水中引發的次生災害，其破壞力往往遠超滑坡本身，經常會對周圍居民、沿岸建筑物以及設備設施造成極大損失，甚至是慘痛的災難性后果。每年全世界有數百人因為滑坡涌浪而喪失生命。1963年10月9日，意大利的瓦伊昂水庫因為蓄水操作導致左岸約2.7億 m3的巖土體失穩并滑入庫區，由此產生的涌浪在對岸攀升了大約250 m的高度，漫過壩頂超100 m，摧毀大壩壩體內所有設備設施，在1分鐘左右的時間造成約3 000人死亡[1]；1971年3月，秘魯的奧德斯由于巖石崩塌而形成的滑坡涌浪，在數秒鐘內吞沒了丘加礦區400～600人，同時損壞了大量設施設備[2]；1985年6月，長江三峽庫區新灘鎮北岸由于巖崩而造成約3 000萬m3的滑坡體沖入長江，形成的滑坡涌浪在對岸的爬高為49 m，導致2人失蹤，8人受傷，10人死亡[3]；在2009年7月，由于持續降雨的影響，瀾滄江上的小灣水電站遭遇了一次嚴重的滑坡涌浪事故，其中約有100萬m3的土體滑入了瀾滄江中。這次滑坡產生了超過30 m高的涌浪，不幸造成了14人失蹤[4]。表1中詳細列出了我國歷史上的典型滑坡涌浪災害案例。

表1 我國典型滑坡涌浪災害實例

產生滑坡涌浪的過程是復雜的，按照其發展變化，主要分為3個階段：產生、傳播、爬高。在第一階段，即涌浪的起始階段，滑坡體在眾多因素的共同影響下開始滑動，其原本具有的較高勢能轉變為動能，當這些動能沖擊水面時，便形成了能量巨大的涌浪。這些涌浪能夠迅速破壞附近的建筑和設施設備，給社會造成巨大損失[5]。第二個階段是涌浪的傳播階段，相較于涌浪的產生階段，其破壞力更大，影響的范圍更廣，由于能量傳遞作用，導致河道中的庫水位會瞬間上升，產生水位差而形成壓力差，同時還會混雜水體回流以及波浪疊加等現象，導致涌浪流動不均勻而增大破壞力。涌浪的傳播不僅會對沿岸的建筑物和船舶造成威脅，還會對大壩壩面和庫區岸坡產生極強的沖刷，使其穩定性降低。第三個階段是涌浪的爬高階段，對于狹窄的河道，涌浪爬高階段的破壞力高于前兩個階段[6]。涌浪爬高一旦超過大壩，會給沿岸居民的生命安全帶來極大的威脅，更嚴重是會沖刷大壩，影響壩體結構穩定安全，給沿岸的居民和建筑物帶來極大的危害。目前，對于滑坡涌浪爬高研究的系統梳理較少，本文基于以往物理模型實驗和數值模擬，對滑坡涌浪爬高的研究成果進行了總結并提出展望。研究成果將豐富滑坡涌浪研究體系，提高后續研究的有效性與針對性。

1 物理模型實驗

Mueller等[7]基于物理模型實驗造出了脈沖波列，并研究了在爬坡角度β為18.4、45和90°時，滑坡涌浪首波的爬高和漫壩過程。Synolakis[8]對孤立波爬高進行了研究，提出了非破碎波理論的近似解，并做了大量實驗來進行比較，結果表明非線性理論能夠較好地預測孤立波的爬高。然而，Synolakis提出的近似解僅適用于爬坡角度β為2.9°。Evers等[9]研究了在爬坡角度β為10～90°范圍內脈沖波的爬高，發現現有的預測方程得出的理論值與實際結果相比偏小。Lo等[10]針對斜坡上的單、雙孤立波的爬高和反射過程，發現第一波產生的反射強度會影響第二波的爬高高度，第二波的爬高高度隨第一波的分離時間而變化。彭勇等[11]研究了在斜坡上多個孤立波的爬高和相互作用規律，實驗結果表明第二個孤立波與第三個孤立波的爬高放大系數與相鄰的波峰間距有關，同時根據實驗結果提出了等波幅三孤立波在緩坡上的爬坡經驗公式。汪洋等[12]根據流體力學方程、非恒定流的連續性方程和沿程水頭損失理論，以新灘滑坡為例對滑坡涌浪的爬坡高度進行計算。殷坤龍團隊[13]運用正交試驗法，綜合考量了滑坡體量、滑動面角度、岸邊坡度、水深和入水速度等多個因素對滑坡涌浪產生的影響。他們以三峽庫區的白水河滑坡事件為原型，構建了一個按1∶200縮小比例的河道物理模型，通過實驗研究，他們成功推導出了適用于三峽庫區滑坡涌浪爬高的計算公式[13]。S？覸levik等[14]研究者基于透水性泥沙斜坡的分析，根據實驗結果建立了孤立波爬高的經驗公式。Fuchs團隊[15]利用二維水槽的實體模型實驗，深入探究了孤立波在傳播過程中的特性及其爬坡行為。McFall等[16]則利用三維物理實驗手段，構建了以鵝卵石作為滑體材料的物理實驗模型，以此來研究孤立波的爬高現象，其物理模型如圖1所示，通過此裝置來研究孤島以及水平滑道下的滑體運動和滑坡涌浪爬坡規律。Liyanage等[17]研究人員探討了在不同的波高、水深和斜坡角度條件下滑坡涌浪的爬坡特性，通過進行實驗并結合現有的實驗數據與模型分析，構建了一個用于預測孤立波爬升高度的模型。

2 數值模擬研究

Titov研究團隊[18]采用了有限差分法來求解非線性方程組，以此構建了孤立波在斜坡上破碎并爬升的數值模型，為了解決數值穩定性問題，他們對邊界條件進行了調整，盡管如此，波浪破碎位置的數值模擬結果仍顯示出振蕩現象。Grilli等[19]運用邊界元方法對孤立波的傳播行為及其爬升高度進行了研究，該模型能夠模擬水體粒子運動的垂直分布，但是在處理波浪破碎時產生的射流與自由表面的碰撞時，計算過程會中斷，因此該模型無法計算孤立波在岸邊的最大爬升高度。黃波林團隊[20]運用水動力學模型，并融合地理信息系統（GIS）技術，共同研發了滑坡涌浪災害的快速評估系統軟件，簡稱FAST，該系統能夠根據不同的工況迅速評估滑坡涌浪的傳播特性和爬升高度，以三峽地區茅草坡滑坡為例，如圖2所示，通過對比系統計算結果與實際滑坡事件的數據，對FAST系統的實用性進行了驗證。Barranco等[21]對潰壩生成的鉆孔進行了數值模擬，提出了潰壩滑坡涌浪爬高公式。楊渠鋒等[22]以三峽斗巖滑坡作為研究對象，模擬了在不同的堆放組合情況下矩形滑坡體涌浪的產生和傳播過程，得出了適合陡巖滑坡的涌浪爬高公式。Viroulet等[23]采用了SPHysics和Gerris兩種數值模型來研究滑坡涌浪問題，SPHysics是基于拉格朗日無網格法來精確描述撞擊階段，Gerris是基于兩相有限體積法來研究滑坡涌浪波的傳播和爬高特性。首先模擬了2個經典算例：二維楔形塊體沿斜面下滑入水試驗和滑塊垂直入水試驗，試驗數據與兩個模型計算結果對比吻合較好。

圖1 鵝卵石滑坡物理模型

圖2 茅草坡位置圖

3 展望

滑坡涌浪作為一種由滑坡體入水引發的次生災害，其爬高特性對于評估和預防水庫區災害風險具有重要意義。本文通過系統梳理滑坡涌浪爬坡特性的研究現狀，并分析影響其特性的多種因素。由于滑坡涌浪的爬坡特性受到多因素的影響，目前的理論分析、物理實驗和數值模擬方法均無法全面涵蓋所有相關因子。因此，對庫區滑坡涌浪的爬高特性研究必須采取具體問題具體分析的方法。研究人員可以在以下幾個方面對滑坡涌浪的爬高特性進行深入研究。

1）大部分物理模型試驗目前都是在二維情況下進行的。在這種二維條件下，地形邊界對滑坡涌浪產生的反射、衍射和折射效應很難被充分考慮進去，導致涌浪爬高預測的結果較為單一，并且無法充分考慮到沿岸地區的影響。三維涌浪模型因其能夠提供更為全面和精確的模擬結果，正逐漸成為該領域研究發展的重要趨勢。

2）依托于工程實例，探究滑坡涌浪爬高特性，對滑坡涌浪的爬高進行預測并給出指導性意見。

3）滑坡體的物理特性是影響涌浪爬坡特性的關鍵因素之一。滑坡體的體積、質量、形狀以及滑坡物質的顆粒大小和密度都會對涌浪的形成和爬高產生顯著影響。研究人員可以通過收集和分析不同類型滑坡事件的數據，建立滑坡體物理特性與涌浪爬坡特性之間的關聯模型。

4）滑坡體入水時的初始條件，如入水速度、入水角度和入水深度等也是影響涌浪爬高特性的重要因素。這些初始條件決定了涌浪的起始動能和動量，從而影響其在斜坡上的爬升能力。為了更好地理解這些初始條件對涌浪爬高特性的影響，對于不同入水條件下的涌浪行為還需要深入展開研究。

5）地形條件，尤其是滑坡發生區域的岸邊地形，對涌浪的爬坡特性有著直接的影響。岸邊地形的坡度、長度和材料特性都會改變涌浪的傳播路徑和爬升能力。通過對不同地形條件下的涌浪爬坡特性進行研究，可以為水庫區的災害預防和應急響應提供科學依據。

6）環境因素，如風、波浪和降雨，也會對滑坡涌浪的爬坡特性產生影響。這些環境因素可能會改變水體的表面條件，從而影響涌浪的傳播和爬升。因此，考慮這些環境因素在涌浪爬坡過程中的作用并將其納入模型中，對于準確預測涌浪爬高具有重要意義。

7）數值模擬方法的發展為滑坡涌浪爬坡特性的研究提供了新的工具。通過采用先進的數值模擬技術，如有限元分析、有限差分法和邊界元法等，研究人員可以在計算機中模擬復雜的涌浪行為，從而更準確地預測涌浪的爬坡高度。然而，數值模擬的準確性依賴于輸入參數的精確性和模型的合理性，因此，對模型參數的校準和驗證是未來研究滑坡涌浪的一個重點方向。

滑坡涌浪的爬高特性研究是一個多學科、多因素的復雜問題。研究人員需要綜合考慮滑坡體物理特性、滑坡體入水條件、環境因素以及數值模擬方法等多個方面，才能更全面地理解和預測滑坡涌浪的爬高特性。未來的研究應該著重于提高模型的準確性，完善參數的測量和校準方法，以及發展更為精確和實用的數值模擬技術，以便更好地服務于水庫區滑坡涌浪災害的預防和應對工作。

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