山区库岸滑坡涌浪翻坝三维数值模拟研究

2016-04-26明唯，田忠

四川水力发电 2016年2期

关键词：库岸滑坡体滑块

明　唯，　田　忠

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都　610065)

山区库岸滑坡涌浪翻坝三维数值模拟研究

明唯，田忠

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065)

摘要：以往对滑坡涌浪的研究较多地关注其形成过程和传播规律，而对翻坝模式的研究尚为欠缺。将滑坡涌浪形成、传播、翻坝三个阶段作为整体研究对象，运用FLOW-3D模拟了实际地形中滑坡入水生成涌浪、涌浪传播至坝前并造成翻坝的整个物理过程，全面分析了滑坡涌浪的翻坝规律，以期为库岸滑坡灾害预防提供参考。

关键词：库岸滑坡;涌浪;翻坝;数值模拟;FLOW-3D

1概述

在前人研究的基础上，笔者利用流体计算软件FLOW-3D模拟了山区库岸滑坡涌浪的形成、传播和翻坝整个过程。利用Heinrich[6]的滑坡涌传播和翻坝整个过程。利用Heinrich[6]的滑坡涌浪试验对数值模拟结果进行了验证。采用验证后的模型模拟了山区水库滑坡涌浪的形成、传播、翻坝现象，包括：(1)滑坡入水，初始涌浪生成；(2)涌浪在传播、反射、折射规律影响下的衰减和变形；(3)传播至坝前，水面壅高、直至翻坝的整个过程。

2控制方程和边界条件

2.1控制方程

滑坡涌浪为复杂的流固耦合问题。固体需满足牛顿第二定律，流体控制方程为基于连续性方程和不可压缩黏性流体运动的Navier-Stokes方程。

2.2初始条件和边界条件

计算域的底部及四周侧壁为固壁无滑移边界条件，无流体通过壁边界。上部为压强边界条件，液体压强等于大气压强，自由面上的法向速度为零且满足在液体与气体的交界面上的应力平衡条件。初始时刻，水面未受到滑坡体扰动，为静止水面。滑坡体初始速度为零。

3数值模型的试验验证

笔者利用1992年Heinrich的物理模型试验做为参考标准，用以验证数值模拟的可靠性。

Heinrich(1992)的滑坡涌浪试验在长20 m，宽0.55 m，高1.5 m的水槽中进行。滑块大小为0.5 m×0.5 m的楔形滑块，不考虑滑块的变形和破坏。斜坡坡度为45°，水深0.4 m。初始时刻滑块下表面刚好在静止水面上，为水上滑坡。滑块在重力作用下自由下滑，到达水槽底部时停止。数值模拟中计算模型和物理参数的选取与模型试验相同。

分别提取时间t=1.5 s时的自由液面高程和距离斜坡坡脚处水平距离x=4 m处水深随时间的变化过程与模型试验结果进行对比。如图1、2所示，点代表试验数据，实线代表模拟结果。

图1　时间t=1.5 s时数值模拟和试验结果的自由液面高程对比图

图2　距离滑坡入水处水平距离x=4 m的数值模拟和试验结果随时间变化水深曲线对比图

通过分析对比发现：计算结果与试验结果基本一致，整体吻合较好。该数值模型可用于模拟滑坡涌浪问题。

4山区河流库岸滑坡的数值模拟

4.1工程概况与模型设置

所选水库平均水深为98 m。受水库蓄水和降雨影响，河谷左岸距坝址450 m处有一滑坡体失稳。滑坡所在位置为“V”型河谷，两岸对称，岸坡为22°缓坡。滑坡体平面形态呈椭圆状，中部及后缘较厚，前缘较薄，总体积约为11×104m3。滑坡体最低点距离水面20 m，重心距水面约100 m。计算域为上游2 000 m及坝后100 m范围，利用规则矩形网格进行空间离散，网格大小为20 m×20 m×10 m。在FLOW-3D中导入河道地形数据，采用FAVOR技术进行三维建模，真实模拟了水库区地形地貌。大坝上游面铅直。计算中不考虑滑坡体及岸坡的变形，模型均采用刚体材料。

4.2试验结果分析

运用FLOW-3D软件建立滑坡涌浪三维翻坝数值计算模型，用以模拟库岸滑坡引起涌浪直至翻坝的动态变化过程。滑坡发生后水面变化情况见图3。

图3　山区水库库岸滑坡翻坝过程示意图

初始时刻，水面静止；随后滑坡体失稳，沿滑坡面高速下滑，势能转换成动能，当滑坡体前缘接触水面时，水面受到扰动，滑坡体将其携带的动能传递给周围水体，液面受到力的作用而具有较高的初速度。随着滑坡体继续下滑，原有水体的空间被滑坡体所占据，水面壅高。另一方面，具有初速度的水体挤压周围水体，迅速向周围传播，扰动范围变大，水体获得更大的速度。滑坡体继续下滑，壅高的水体沿着滑坡边缘上爬，在坡肩处形成波峰，涌浪在滑坡的推动下向外传播。因滑坡体轮廓纵向较长且左边距水面较近，滑坡右侧涌浪的形成与传播在时间上稍有滞后，涌浪以近似一个变形的椭圆向外传播。

滑坡体完全没于水中后，在滑坡后面形成了一个凹陷的空腔，水体倒灌回空腔。水体在惯性力的作用下，以较高的速度在滑坡岸冲高并回落。滑坡在水下继续下滑，对水面仍有较大的扰动。最终滑坡体在阻力的作用下静止于河谷底部。涌浪波峰高度不断增大，随后首浪形成。

涌浪形成后，以入水点为圆心，迅速向对岸及上下游推进。在传播过程中，由于地形变化而发生的反射、折射、绕射等造成波浪变形及衰减。首浪分别在8 s、10 s时传播至坝址和对岸。涌浪正向传播至对岸，以较大速度爬高并回落，最大爬坡高度达15 m左右。向对岸传播的涌浪碰到回落的涌浪后相互作用，使水流高度紊动。

涌浪斜向传播至坝前、受到大坝的阻拦后波浪变陡，波峰水质点的速度增大并迅速壅高。坝前水面涌高近10 m并导致水流漫坝，翻坝首先开始于左坝肩，随后发展至整个坝顶，最后在右坝肩处出现较大的翻坝流量。首浪产生后，还有次浪生成，但波高明显减弱，翻坝量及对岸爬高都明显减小。涌浪在库区传播及反射的作用下使库水面反复震荡，随后逐渐静止。

5结语

笔者在FLOW-3D中实现了库岸滑坡引起涌浪直至翻坝整个动态变化过程的数值模拟，重现了滑坡涌浪产生-传播-翻坝的整个过程，克服了传统滑坡涌浪产生、传播、翻坝“单独、定值”研究模式的不足，期望该计算成果对大坝的设计及滑坡涌浪灾害预防提供参考。

参考文献：

[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.