库岸滑坡涌浪数值模拟研究

发布时间：2017-06-12 01:09

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【摘要】：滑坡涌浪灾害是一定体积的滑坡快速冲击一定体积的水体后产生初始涌浪并在水体中传播至更远处,对水中船只、沿岸人员及设施造成的灾害。体积微小的物体快速冲击水体不足以推动大面积水体形成涌浪；体积巨大的滑坡缓慢蠕滑至水中不会产生大的冲击涌浪；大体积滑体快速冲击水量微小的溪流也不至于构成涌浪灾害。因此一定的滑体体积、滑动速度和水体体积是构成涌浪灾害的必要条件。目前我国针对滑坡涌浪的物理试验和数值模拟研究均取得了一定成果,然而通过物理试验得到的经验公式在实际应用上具有相当的局限性,往往因为实例中滑坡类型、失稳模式、滑体规模、运动速度等因素超出了适用范围,导致首浪高度计算不准确；目前的滑坡涌浪数值模拟技术相对于物理试验和数理解析具有明显的优势,却存在着诸如对复杂的河道边界条件处理不当、计算精度不够、滑体与水体相互作用过程无法有效的耦合模拟等问题。本文基于笔者和Steven Ward共同提出的Tsunami Squares原理(TS方法),针对滑坡涌浪问题进行了一系列的数值模拟。TS方法巧妙的避免了复杂的网格化、解微分方程和干湿边界处理等问题,并达到了滑坡运动和涌浪产生及传播的无缝耦合模拟。文中详细阐述了TS方法的基本原理和特点,并通过解析方法、物理试验和滑坡涌浪实例三种途径分别验证了TS方法的高度可靠性和精确性。这一方法的提出对滑坡涌浪灾害研究具有重大现实和理论意义。围绕滑坡涌浪研究方法和数值模拟理论,论文主要取得了以下成果和结论：笔者基于Ward提出的Tsunami Squares理论,详细论述了模拟过程中的滑坡及涌浪运动力学机制,完善了TS在滑坡涌浪数值模拟上的理论、验证及应用。TS方法与传统涌浪模拟方法相比具有一系列的优点,例如巧妙的避免了复杂的网格化、解微分方程和干湿边界处理等问题,并达到了滑坡运动和涌浪产生及传播的无缝耦合模拟。文中详细阐述了TS方法的基本原理和特点,并通过解析方法,物理试验和滑坡涌浪实例三种途径分别验证了TS方法的高度可靠性和精确性。这一方法的提出对滑坡涌浪灾害研究具有重大现实和理论意义。围绕滑坡涌浪研究方法和数值模拟理论,论文主要取得了以下成果和结论：(1)总结典型库岸滑坡涌浪研究方法综合各种滑坡涌浪试验最大浪高分析,存在以下影响因素：静水深度、滑坡冲击速度、滑体宽度、滑体长度、滑体厚度、滑体体积、滑体冲击角度、滑体密度、水下运动时间、滑体形状和滑坡迎水面面积。不同学者考虑影响因素的侧重点各不相同,其中滑体冲击速度和水深在各试验中均有考虑,其次考虑较多的是滑体体积。爬坡浪高主要取决于岸坡前的浪高,并受岸坡坡脚、平台、表面糙率、波浪入射角等因素的影响。(2)提出并总结Tsunami Squares原理的方法与特点Tsunami Squares将研究对象中的滑体和水体均视为由许多个形状大小相同、并且各自携带一定物理量的、可分割的微小正方形块体(Squares)组成。基于TS理论的守恒公式和运动公式,计算每一时步下各个块体的运动位置、速度、厚度及加速度等,得出模拟对象随时间变化的运动特性。该方法可以模拟许多具有流动特性的运动,例如滑坡、泥石流、碎屑流、岩崩、涌浪、洪水、海啸、冰川运移等。该方法在实现过程中具有许多传统模拟不具备的优点：方块节点可直接通过DEM数据获取,不需进行复杂的网格化前处理；基于正方块体的规则性,巧妙的改变传统的守恒方程形式,不仅达到体积守恒和动量守恒,还消除了计算中的各种微分形式,使计算更简单快捷,提高了计算效率,扩展了应用范围；可分割的特点使模拟结果精度不受限于单个块体的尺寸大小；模拟对象为实物块体,不需处理复杂的干湿边界条件,使TS方法达到滑坡运动和涌浪产生及传播的无缝耦合模拟。(3)新视角下的滑坡运动模式分析以及相应的摩擦力设置滑坡的属性状态与运动速度有关。当滑坡启动时,属于固体运动。当滑动速度增加,滑体逐渐失去内聚力,此时滑体运动趋于类流体流动。综合分析流体所受的重力与块体间的相互作用力可知：流体运动主要受上表面的压力差影响,即滑体的动力源取决于上表面的坡度。当滑体速度减小至临界值并趋于停止时,较低的动态基底摩擦力(basal friction)将转变成一个较高的静态基底摩擦力,使滑体停止。此时滑体恢复固体属性,沉积的滑体形成新的坡面地形,影响着后面仍然在运动并经过此处的滑体。本文考虑滑坡的流动特性,将滑坡运动过程视为固体属性——类流体属性——固体属性的变化,是一个滑体运动模拟全新的思考方法。采用基底摩擦力(basal friction)、运动摩擦力(dynamic friction)和休止角(repose angle)组成滑坡运动的参数系,将运动中的摩擦力分为与速度无关的基底摩擦力和与速度平方成正比的运动摩擦力,两种摩擦力的组合巧妙的控制着滑体整个运动属性的转变。在运动即将停止时采用休止角和临界速度控制滑体的停止和堆积。以上参数的协调作用使滑坡的运动模拟贴近于真实的自然界运动本质。(4)提出了涌浪产生的几个概念分别针对不同的涌浪源提出三种涌浪产生方式：完全动量传递法(CMT),非动量传递法(NMT)和强制传递法(DA)。对于滑坡引起的涌浪采用非动量传递法(NMT)结合强制传递法(DA),概念上分别对应于解析法中的体积涌浪和冲击涌浪。详细分析了滑体与水体的相互作用,涌浪的产生过程由滑体的位移、速度、厚度和水体的速度共同作用,合理的体现了滑体和水体的相互作用关系。(5)通过滑坡涌浪物理试验验证TS的模拟结果通过物理试验和TS数值模拟对比发现,当控制水土体相互作用的DA系数cd=0.1时,模拟的首浪高度与测量浪高最接近。滑块本身的规模和速度对涌浪的产生起主要作用,滑块与水体的拖拽和摩擦力对涌浪的产生起次要作用。数值模拟中的首浪产生过程及涌浪衰减幅度与物理试验基本一致,在传播至1km以内时,试验波高与模拟波高衰减均较快,当传播至1km以外,波高数值变化不大；模拟产生的波谱频率与物理试验测量所得波谱频率符合正确的相似比(1：(?))关系,数值模拟产生的波形符合原型的真实波形。综合说明用滑坡涌浪物理试验验证的Tsunami Squares数值模拟方法有效可行。(6)通过两个已发生的滑坡涌浪实例验证TS模拟方法的准确性分别选取已发生的三峡库区巫峡库段龚家方滑坡涌浪和加拿大Chehalis湖岸滑坡涌浪事件为目标实例,明确滑坡的失稳原因和启滑机理,在TS程序中建立滑体模型,编码不同的启动方式,选取合适的运动参数,模拟滑坡运动及波浪的产生、传播和爬坡；对比验证实际观测的爬坡浪数据和模拟的爬坡浪高,得出以下结论：1.由滑坡运动构成的新地形形态和冲击速度是引起涌浪最关键的因素,准确的滑坡运动模拟需要明确滑坡所在的斜坡地质背景、地形地貌、滑体物质组成、失稳模式、沉积状态等,为参数选择和反演对比提供数据基础。2.在滑坡运动模拟中需要调节的主要参数有：基底摩擦系数μh、动态摩擦系数μd和滑坡休止角θrepose(?)龚家方滑坡模拟的参数取值为μb=0.2,μd=0.05(空气中),,μd=0.2(水中),θrepose=30°;Chehalis滑坡模拟的参数取值为μb=0,μd=0.003(空气中),μd=0.02(水中),θrepose=20.5°;如果滑坡运动中的表面坡角小于θrepose'则μb的值呈梯度逐渐增大。3.两个滑坡实例均非整体失稳,龚家方滑坡因受库水影响产生自下而上的渐进式崩滑,Chehalis滑坡因受雨雪天气影响产生自上而下的推移式滑动崩塌。TS根据不同的滑坡启动模式做出相应的启滑设置,两滑坡的模拟速度与沉积状态均与实际情况相符。4.两实例均采用DA法结合NMT方法产生涌浪。龚家方滑坡涌浪设置DA系数cd=0.1,Chehalis滑坡涌浪设置DA系数cd=0.11,两实例产生的涌浪高度均与实际观测数据高度吻合。5.微地貌使波浪衰减曲线中出现波动。波浪的传播方向与坡向的相互关系影响着爬坡浪高,当部分地形与主湖岸线方向产生斜交,尤其当岸坡面垂直于波浪的传播方向时,该处产生的涌浪相对较高。传播路径上的大弧度弯曲对爬坡浪高影响甚微,小弧度弯曲对局部浪高产生影响。6.涌浪模拟结果认为滑坡速度和空间规模决定着首浪高度,而能量的耗散和沿岸爬坡浪高受到传播距离,水深,波浪传播方向以及岸坡方位角的综合影响。(7)通过数值模拟探讨滑坡规模、河道宽度以及不同库水位对涌浪的影响在TS程序中建立小型、中型、大型和巨型四种类型的滑体,以同样的速度冲击同一河道,得到滑坡规模与涌浪的产生和衰减之间的关系：滑坡规模对涌浪高度影响巨大,首浪高度与体积对数成线性正比关系,体积越大,涌浪越高。小型和中型滑坡的正对岸爬坡浪低于首浪,大型和巨型滑坡的正对岸爬坡浪与首浪几乎相等甚至超过首浪；库区的大型和巨型滑坡潜在涌浪灾害大,需引起高度重视；而中型滑坡体积涌浪效应不明显,其入水速度应得到重视；小型滑坡在宽阔河道中危害很小。在TS程序中建立宽度分别为500m、750m、1000m和1200m,岸坡坡角为30。的规则直线型河道,用同一滑块冲击不同的河道,得到河道宽度与涌浪的产生和衰减之间的关系：相同的滑坡在不同的河道宽度下产生的首浪高度基本相同,河道宽度对首浪高度影响很小；四种河道宽度下的波浪衰减趋势差别不大；相同的首浪在狭窄河道里的影响范围更大,传播距离更远,灾害后果更严重。在TS程序中建立横截面符合指数分布的直线型河道,库水位分别为130m、145m、160m和175m,用同一滑块冲击不同水位的河道,得到不同水位与涌浪的产生和衰减之间的关系：不同库水位下的滑坡涌浪衰减规律基本一致,均在上下游1km范围内急剧衰减,在1km以外缓慢衰减,且不同水位下的涌浪高度基本相同；首浪与库水位成正相关,对岸爬坡浪高随河道宽度增加而降低；在低水位时,本岸与对岸爬坡浪高在数值上最接近,而在高水位时,本岸最大爬坡浪高远大于对岸。
【关键词】：滑坡 涌浪 Tsunami Squares 数值模拟 龚家方滑坡
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P642.22;TV221.2
【目录】：

• 作者简介6-8
• 摘要8-12
• ABSTRACT12-19
• 第一章 绪论19-36
• §1.1 选题依据及研究意义19-21
• §1.2 国内外研究现状综述21-32
• 1.2.1 滑坡运动机理及速度研究现状21-23
• 1.2.2 滑坡运动数值方法研究现状23-25
• 1.2.3 滑坡涌浪物理实验研究现状25-30
• 1.2.4 滑坡涌浪的数值模拟研究现状30-32
• §1.3 研究内容与技术路线32-36
• 1.3.1 论文的主要研究内容32-33
• 1.3.2 技术路线33-34
• 1.3.3 创新点34-36
• 第二章 库岸滑坡运动及涌浪的分析方法36-54
• §2.1 库岸滑坡速度与涌浪计算经验公式36-46
• 2.1.1 库岸滑坡运动速度计算36-38
• 2.1.2 滑坡涌浪计算经验公式38-44
• 2.1.3 传播浪与爬坡浪衰减44-46
• §2.2 滑坡与涌浪典型数值模拟方法46-54
• 2.2.1 滑坡运动分类46-47
• 2.2.2 流体力学基本理论47-50
• 2.2.3 滑体和水体运动典型模拟方法简介50-54
• 第三章 Tsunami Squares滑坡涌浪数值模拟方法介绍54-71
• §3.1 Tsunami Squares背景介绍54-55
• §3.2 Tsunami Squares方法基本原理55-58
• §3.3 与传统海啸模拟方法的对比58-59
• §3.4 滑坡和涌浪运动方程59-67
• 3.4.1 运动模式分析59-60
• 3.4.2 加速度动力源60-64
• 3.4.3 摩擦力64-67
• §3.5 波浪源67-70
• 3.5.1 波浪的产生方式67
• 3.5.2 入水过程中水土体力相互作用67-70
• §3.6 Tsunami Squares方法特性总结70-71
• 第四章 Tsunami Squares物理试验验证71-84
• §4.1 滑坡涌浪物理试验介绍71-76
• 4.1.1 影响因素选择和相似条件71-72
• 4.1.2 试验模型72-73
• 4.1.3 控制和测量系统73-74
• 4.1.4 刚性块体模型试验方案设计74
• 4.1.5 波高仪数据74-75
• 4.1.6 拟合公式75-76
• §4.2 Tsunami Squares建模计算76-80
• §4.3 数值模拟结果与试验结果对比80-82
• 4.3.1 波浪高度对比80-81
• 4.3.2 波谱对比81-82
• §4.4 结论82-84
• 第五章 滑坡涌浪数值模拟实例验证84-104
• §5.1 龚家方滑坡涌浪实例验证84-96
• 5.1.1 滑动涌浪地质背景84-87
• 5.1.2 滑坡速度模拟计算87-91
• 5.1.3 龚家方滑坡涌浪模拟91-96
• §5.2 Chehalis滑坡涌浪实例验证96-102
• 5.2.1 涌浪事件回顾96-98
• 5.2.2 滑坡运动模拟98-99
• 5.2.3 Chehalis滑坡涌浪模拟99-100
• 5.2.4 模拟结果讨论100-102
• §5.3 结论102-104
• 第六章 滑坡涌浪影响因素数值模拟试验104-117
• §6.1 滑坡规模的影响104-109
• 6.1.1 试验方案104-107
• 6.1.2 结果分析107-109
• §6.2 河道宽度的影响109-113
• 6.2.1 试验方案109-112
• 6.2.2 结果分析112-113
• §6.3 库水位的影响113-116
• 6.3.1 试验方案113-114
• 6.3.2 结果分析114-116
• §6.4 结论116-117
• 第七章 结论与展望117-121
• §7.1 结论117-120
• §7.2 下一步工作展望120-121
• 致谢121-123
• 参考文献123-129

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前2条

1 程谦恭;陈红旗;;云南哀牢山大水井岩滑特征及其形成的动力学机制[A];第二届全国岩土与工程学术大会论文集（上册）[C];2006年

2 杜伯辉;;柘溪水库塘岩光滑坡——我国首例水库蓄水初期诱发的大型滑坡[A];第二届全国岩土与工程学术大会论文集（上册）[C];2006年

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本文编号：442910