窄深河谷近坝库岸滑坡涌浪特性及传播规律

2021-11-10刘永玺李会平刘东明

水利水运工程学报 2021年5期

马斌，刘永玺，李会平，刘东明，姚烨

(天津大学水利水电工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

滑坡涌浪灾害常发生在开放海域中，引发诸如海啸等大型涌浪现象。随着水利工程建设的发展，大型水库出现在许多江河干流之上，水位抬升与长期浸泡导致河谷岸坡变形失稳和古滑坡体复活的情况时有发生。虽然库区很多滑坡体上没有直接的威胁对象，产生的涌浪却能传播很远的距离，威胁枢纽运行和下游人员及财产安全。对滑坡引起的次生涌浪进行分析评价正在成为水库滑坡灾害防治的重要内容。

涌浪波幅是涌浪危害评价的关键参数[1]，此类特征参数便于直观描述涌浪形态。通过大比尺的三维模型试验可获得更接近原型的相似现象。彭辉等[2]研究了不同因素对弯曲河道中首浪高度的影响；韩林峰等[3]测定不同因素对浅水区碎裂岩体滑坡涌浪最大近场波幅的影响；王梅力等[4]对滑坡涌浪首浪波高和波能进行分析，发现滑坡入水点附近的首浪波能初始传播方向与涌浪传播方向一致；黄锦林等[5]利用所得涌浪荷载计算模型评估不同水位下坝体安全等。Huang等[6-7]通过几何比尺1∶200的三维试验模型模拟了龚家方碎裂岩体滑坡产生涌浪的过程，并利用PIV粒子图像追踪技术在二维试验中研究了柱状岩体由于重力塌陷破碎诱发冲击涌浪的过程；Noda[8]和Fritz等[9]通过二维颗粒状滑坡试验，依据滑坡体相对弗劳德数Fr和相对厚度S，将涌浪分为弱非线性振荡、非线性跃迁、类孤立波和瞬时空腔消散；Mcfall等[10]在三维散体滑坡试验中观察到了非线性振荡和非线性跃迁类型的波等。

随着计算机技术的发展，数值模拟方法由于其经济、高效，且能较为合理准确地推演涌浪产生、传播、衰减的过程而被广泛应用，但对滑坡体变形、碰撞等复杂过程的模拟，仍有很大的提升空间[11]。黄筱云等[12]利用流体力学软件FLOW3D研究大型滑坡体在V型河道中产生的涌浪波高和最大爬高；邓成进等[13]指出由于浪花翻滚现象的减弱，离落水点距离越远的位置，FLOW3D数值计算软件中由网格精度造成的涌浪高度计算的误差越小；借助流体计算软件FLUENT，马斌等[14-15]对滑坡涌浪在坝址处最大浪高进行了分析计算，并将数值模拟结果和潘家铮法估算结果进行比较；霍志涛等[16]采用基于水波动力理论的某模拟软件进行涌浪计算分析及预测，研究认为滑坡段2 km范围是涌浪急剧衰减区，涌浪传播、衰减和爬高与水域微地形也密切相关；邓成进等[17]所进行的模型试验及数值计算结果显示，近坝库岸滑坡涌浪横向传播至坝面的最大动水头小于涌浪高度，采用静力方法计算分析坝体稳定应力偏于安全。

国内外对库区滑坡涌浪进行了大量研究，但大多数试验研究是针对二维矩形框或三维半无限水体中涌浪的近场波幅特征，对具体河谷，特别是窄深河谷涌浪特性及传播规律研究不多，窄深河谷中由于高陡边坡较强的反射作用，涌浪的传播和消散特性更加复杂，本文基于1∶100的大比尺滑坡涌浪模型试验及数值模拟，分析了窄深近坝库区整体大体积失稳工况下滑坡次生涌浪的特性及传播规律。

1 模型及工况介绍

1.1 物理模型

某岸坡变形体位于拱坝右岸坝前斜坡的顶部（图1），距大坝约1 100 m，目前仍处于稳定变形阶段。研究认为静力工况下一次失稳最大体积不超过100万m3；动力工况下存在超过100万m3整体入水的可能，正常蓄水位低于坝顶高程8 m，失稳区河谷水深约190 m。

试验模拟岸坡整体大体积失稳后涌浪发展的全过程。为获得与原型相似的物理现象，应满足几何相似、运动相似和动力相似。试验过程参照《滑坡涌浪模拟技术规程》[18]，从滑坡体几何尺寸、试验条件及试验可操作性考虑，在重力相似准则下，选取几何比尺λl=100，则时间比尺λt=10，压力比尺λp=100，糙率比尺λn=2.15。浪高变化采用ULD200数字浪高仪记录，测点布置如图1所示，除特殊说明外，文中试验描述和结果分析均换算至原型尺寸。

图1 测点位置示意Fig.1 Schematic diagram of monitoring points location

库区地形模拟至坝上游约3.2 km，采用水泥砂浆抹面，表孔闸墩/闸门及防浪墙等均采用有机玻璃加工制作。试验过程由4个固定机位镜头记录，现场模型如图2所示。

图2 水工模型Fig.2 Physical test model

1.2 数学模型

本文利用FLOW-3D软件进行数值模拟计算，导入STL地形模块见图3。地形范围模拟至坝上游约4 km，高程模拟至坝顶以上180 m。滑块运动模型（GMO）选用刚体耦合运动，并给定块体与模型试验工况相同的入水时刻速度。计算选用RNGk-ε湍流模型，该模型能较准确描述低强度湍流和具有强剪切区域的流体，适用于滑坡涌浪产生和传播过程的模拟。

图3 三维数值模型（单位: m）Fig.3 Three-dimensional numerical model (unit: m)

模型计算采用整体网格，x方向长4 140 m，y方向长5 029 m，z方向高426 m，单位网格尺寸为10 m，共划分为895万个网格。除顶部和下游设置为自由表面边界外，其余4个方向设置为固壁边界。

1.3 模拟工况

模型试验选取不同入水体积Vs、入水时刻速度vs和截面形式的滑块进行涌浪影响因素和传播规律的研究。滑坡面坡角固定为45°，库区水位控制为正常蓄水位，不同形状滑块的截面尺寸如图4所示，图中s为滑块运动方向的厚度。体积调节通过改变滑块宽度b实现；改变滑块启动高度使块体在重力作用下沿滑轨自由下滑，可获得不同的入水速度，并利用自编程序处理滑块运动的高帧率画面，获得精确的速度-位移关系。具体工况见表1。

图4 不同截面形状滑块放置（单位：m）Fig.4 Schematic diagram of the placement of different shapes of sliders (unit: m)

表1 不同影响因素试验工况Tab.1 Test conditions of different influencing factors

2 数学模型的验证

在典型工况2中，选取数学模型与物理模型相应位置结果进行对比（见图5），可得相同测点的浪高和周期较为吻合，水位变化趋势基本一致，这说明数值模型可靠。

图5 数值模拟与物理试验结果对比Fig.5 Comparison of numerical simulation and physical test results

3 研究结果分析

3.1 传播特性及影响因素分析

模型试验中，典型工况2涌浪时程变化如图6所示。可以看到，由于窄深河谷水面宽度较小，滑坡次生涌浪4 s内迅速到达对岸，入水区域附近最大浪高出现在前2个波峰，对岸1#测点最大爬高约27 m；块体入水后，波高在100 s内衰减至10 m以下，河道中央深水区浪高较低，顺河向推进的波幅不断衰减，传到坝前水域约25 s；涌浪受两岸高陡边坡反射影响，出现不同方向的反射、叠加，在坝肩浅水处受地形影响波幅H增大、波高包络线扩展；由于河谷走向在坝前区域偏向失稳一侧岸坡，涌浪在左岸反射传到右岸后，使右岸叠加涌高情况更严重，涌浪叠加出现最大波高，t=136 s右坝肩瞬时浪高10.17 m（超过坝顶2.17 m）；表孔位置的首浪高度接近其最大浪高，闸门顶部出现长时间越浪现象，涌浪在各个方向随时间和空间的变化不断叠加、破碎，消散缓慢。

图6 测点浪高时程线（工况2）Fig.6 Wave height curve with time at the monitoring location (condition 2)

模型试验中，不同的入水体积Vs、入水速度vs和滑块截面形状工况下，坝前水域波动较大的7#测点浪高时程线见图7。试验范围内的结果表明：（1）块体入水弗劳德数Fr和相对厚度S的增大对首浪高度有提升作用；（2）相对体积V的增加对首浪高度影响显著，大体积工况3（V=0.29）首浪即达到最大浪高，工况1（V=0.07）和工况2（V=0.15）叠加后出现最大浪高；（3）在不同影响因素下，测点涌浪发展趋势基本一致。