趙蘭浩,侯世超,毛 佳

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

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庫區(qū)滑坡涌浪數(shù)值模擬方法研究進(jìn)展

趙蘭浩,侯世超,毛 佳

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

摘要:對近年來庫區(qū)滑坡涌浪涉及的邊坡失穩(wěn)、滑動、涌浪產(chǎn)生和傳播這4個(gè)階段研究中采用的數(shù)值模擬方法的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢進(jìn)行了綜述,重點(diǎn)歸納總結(jié)了邊坡滑動過程以及涌浪產(chǎn)生過程的數(shù)值模擬方法的研究成果,指出滑坡涌浪從庫區(qū)邊坡失穩(wěn)到涌浪傳播是一個(gè)完整連續(xù)的過程,今后需要在目前各個(gè)階段獨(dú)立研究的基礎(chǔ)上融合固體力學(xué)和流體力學(xué)兩類學(xué)科中的相關(guān)研究方法,建立庫區(qū)滑坡涌浪全程數(shù)值模擬方法,實(shí)現(xiàn)滑坡涌浪的全過程模擬。

關(guān)鍵詞:滑坡涌浪;庫區(qū)邊坡;邊坡失穩(wěn);涌浪傳播;數(shù)值模擬;綜述

水利水電建設(shè)的長足發(fā)展大大促進(jìn)了社會的發(fā)展,但也帶來一系列地質(zhì)環(huán)境問題。水庫的修建不可避免地會改變庫區(qū)岸坡原有的自然地質(zhì)條件,改變庫岸巖土邊坡的物理性質(zhì),進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定[1]。庫水對庫岸已存在的不穩(wěn)定地質(zhì)體和滑坡、崩塌體會產(chǎn)生浸潤和托浮作用,再加上大型水電站在運(yùn)行過程中會造成高達(dá)數(shù)十米的水位漲落帶,水位漲落頻度加大,會對庫岸邊坡的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。此外,強(qiáng)震頻發(fā)區(qū)潛在的地震威脅會進(jìn)一步加劇庫岸發(fā)生滑坡失穩(wěn)的可能性。與普通滑坡不同的是,庫岸邊坡失穩(wěn)后除了滑坡本身帶來的災(zāi)害之外,還會產(chǎn)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害,如激起破壞力極強(qiáng)的涌浪,尤其是近壩區(qū)的滑坡涌浪可能會對大壩的安全帶來嚴(yán)重威脅。

國內(nèi)外不乏水庫岸坡發(fā)生失穩(wěn)破壞并產(chǎn)生涌浪災(zāi)害的案例,如1961年3月柘溪水庫塘巖光滑坡, 165萬m3的滑坡體沖入庫區(qū)后產(chǎn)生了高達(dá)21 m的涌浪,造成重大損失;1963年10月意大利瓦依昂水庫滑坡,左岸約2.7億m3的巨大山體在很短的時(shí)間內(nèi)全部滑入庫內(nèi),產(chǎn)生了巨大的空氣沖擊波,激起超過250 m的巨浪,導(dǎo)致2000余人死亡的重大悲劇[2-3]。

在國內(nèi)外相繼發(fā)生了嚴(yán)重的庫區(qū)滑坡涌浪災(zāi)害后,滑坡涌浪問題得到了學(xué)界的高度重視并結(jié)合具體災(zāi)害案例展開了深入研究。滑坡涌浪問題涉及邊坡失穩(wěn)、滑動、涌浪產(chǎn)生和傳播等過程,由于影響滑坡涌浪整個(gè)過程的因素十分復(fù)雜,涉及固體力學(xué)和流體力學(xué),研究的難度較大。目前國內(nèi)外采用的研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)估算法、模型試驗(yàn)法和數(shù)值模擬方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)值模擬方法成為研究滑坡涌浪問題的重要手段,該方法具有可以準(zhǔn)確、全面分析滑坡涌浪災(zāi)害及計(jì)算結(jié)果可視化程度高的優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用,也取得了豐富的研究成果。本文針對庫區(qū)滑坡涌浪問題涉及的庫區(qū)邊坡失穩(wěn)、滑動、涌浪產(chǎn)生和傳播4個(gè)階段研究中采用的數(shù)值模擬方法和取得的研究成果作一綜述。

1 庫區(qū)邊坡穩(wěn)定模擬方法

邊坡穩(wěn)定問題一直是工程界廣泛關(guān)注的核心問題,對該問題的研究已經(jīng)有上百年的歷史,研究方法較多,研究技術(shù)成熟,成果豐碩。研究方法主要有傳統(tǒng)分析方法和數(shù)值方法,數(shù)值方法主要有有限元法、邊界元法、離散元法等[4],應(yīng)用最為廣泛的為有限元法,其中最具代表性的是有限元強(qiáng)度折減法,該方法由Zienkiewicz等[5]在1975年提出,并在邊坡穩(wěn)定分析中得到廣泛應(yīng)用[6]。然而,對水庫滑坡的研究則始于20世紀(jì)60年代,在國內(nèi)外相繼出現(xiàn)災(zāi)難性岸坡失穩(wěn)滑動,并造成巨大損失之后才真正受到重視。與常規(guī)邊坡穩(wěn)定分析不同,庫岸邊坡穩(wěn)定性與庫水水位漲落變化以及水流侵蝕密切相關(guān),尤其是在庫水位迅速下降的條件下,坡體內(nèi)孔隙水壓力不能隨庫水位下降同步消散,降低了邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù),增大了滑坡體的變形,因此必須考慮坡體內(nèi)孔隙水壓力對邊坡穩(wěn)定的影響。

考慮滲流作用下將有限元方法與極限平衡理論相結(jié)合是被廣泛采用的方法,即首先通過有限元方法進(jìn)行非穩(wěn)定滲流計(jì)算,得到自由面和浸潤線,計(jì)算滲透力,然后將所得滲透力參與到庫區(qū)邊坡穩(wěn)定平衡計(jì)算中,通過極限平衡計(jì)算進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性判定。程心恕等[7]在其研究中將有限元法與畢肖普法相結(jié)合進(jìn)行了庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性的分析;劉英泉等[8]將有限元運(yùn)用到非穩(wěn)定滲流的計(jì)算中,然后運(yùn)用極限平衡法進(jìn)行庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性的分析。由于極限平衡理論經(jīng)過大量研究與應(yīng)用已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn),發(fā)展較為成熟,滲流有限元計(jì)算和極限平衡理論的結(jié)合可以較為準(zhǔn)確地對庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。但該方法并不能反映巖土體實(shí)際的應(yīng)力與應(yīng)變變化規(guī)律,且只針對單個(gè)邊坡進(jìn)行分析,計(jì)算工作量大。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,很多學(xué)者對滲流計(jì)算和邊坡穩(wěn)定分析均采用有限元法,即分別建立數(shù)值模型,先運(yùn)用有限元法進(jìn)行滲流計(jì)算,在得出滲透力后,將其施加在邊坡上,采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算,計(jì)算效率得到提高。李湛等[9]基于此進(jìn)行了滲流作用下邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算,合理考慮了滲流對邊坡穩(wěn)定性的影響,其采用面力法和體力法兩種等效方法計(jì)算得到滲透力,并通過實(shí)例計(jì)算與極限平衡理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,表明該方法是合理的。Huang等[10]考慮非飽和滲流的作用進(jìn)行滲流有限元計(jì)算并結(jié)合有限元強(qiáng)度折減法判斷庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性,并與極限平衡法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比,得到了較好的結(jié)果。Wang等[11]運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法分析了非飽和土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性,并通過案例對比證明了土壤基質(zhì)吸力的存在可以提高非飽和土坡的穩(wěn)定性。

目前,考慮滲流作用進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)主要有兩種方法,一種是先運(yùn)用有限元法進(jìn)行滲流場計(jì)算,得到的滲流力施加于邊坡上,然后再結(jié)合邊坡穩(wěn)定分析理論進(jìn)行穩(wěn)定性判定,這種方法將滲流場計(jì)算與邊坡變形計(jì)算分離開,二者單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算,目前大多數(shù)研究人員均采用這種方法;另一種方法是將滲流計(jì)算與邊坡穩(wěn)定計(jì)算耦合起來進(jìn)行分析,采用非飽和土固結(jié)理論結(jié)合有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析判定,但目前研究剛起步,還有待深入。周桂云等[12]在此方面做了有益的嘗試,通過建立固液兩相介質(zhì)固結(jié)方程(u-p模型)與有限元強(qiáng)度折減法結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了滲流、變形及穩(wěn)定的統(tǒng)一分析,形成了一套有限元方法。這種耦合分析方法是未來的發(fā)展趨勢,但目前發(fā)展不夠成熟,需要進(jìn)一步深入研究。

地震情況下庫區(qū)邊坡穩(wěn)定分析更為復(fù)雜,現(xiàn)有方法大多是對地震荷載進(jìn)行簡化后直接作用于邊坡,過于簡單粗糙。針對地震作用下邊坡動力穩(wěn)定分析問題,戴妙林等[13]提出了降強(qiáng)法的分析思路,通過降低材料抗剪強(qiáng)度進(jìn)行靜力分析,以此為基礎(chǔ),施加地震荷載進(jìn)行動力分析,取得了很好的效果,為解決該問題提供了借鑒。

目前在庫區(qū)邊坡穩(wěn)定模擬研究方面成果顯著,研究較為深入,但也存在一些不足:①有限元強(qiáng)度折減法的失穩(wěn)判據(jù)方面依然存在爭議,在與滲流計(jì)算相結(jié)合的分析中采用何種判據(jù)合適尚待進(jìn)一步探討;②滲流與變形的耦合分析研究仍不夠深入,缺少統(tǒng)一的數(shù)值分析模型;③在地震作用影響下,邊坡內(nèi)部產(chǎn)生超孔隙水壓力,其對邊坡的穩(wěn)定性影響很大,但目前尚未有其變化規(guī)律的數(shù)值模擬研究。

2 庫區(qū)滑坡運(yùn)動過程模擬方法

運(yùn)用常規(guī)的固體力學(xué)有限元法可以進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的評判,但進(jìn)行邊坡滑動過程的動態(tài)模擬則并不容易。因?yàn)檫吰率Х€(wěn)后坡體實(shí)際上處于無限流動狀態(tài),常規(guī)的固體力學(xué)有限元法不能進(jìn)行正確求解,不能得到既滿足平衡方程又滿足屈服準(zhǔn)則的解。目前大量的工作集中在對滑坡體穩(wěn)定性的評價(jià)上,即主要回答“滑不滑”的問題,而對于“如何滑”的問題則研究相對較少且不夠深入。

根據(jù)滑坡體的物理形態(tài),大致可以分為松散堆積體和大塊巖質(zhì)滑坡體兩類,大部分庫岸滑坡體都是松散堆積體,部分塊狀巖質(zhì)滑坡體在滑動(特別是高速滑動)過程中經(jīng)過摩擦、碰撞等一系列過程會粉碎成小塊滑體。因此,目前關(guān)于庫區(qū)邊坡失穩(wěn)滑動的研究大多集中在松散堆積體和塊狀滑坡體的滑動動態(tài)過程模擬方面。

2. 1 松散堆積體滑動過程模擬

在松散堆積體滑坡滑動過程的模擬方面,國際工程地質(zhì)與環(huán)境協(xié)會(IAEG)滑坡委員會指出其滑動行為呈現(xiàn)“流體化”的特點(diǎn),如碎屑流和泥流等。邢愛國等[14]也指出,國內(nèi)外幾乎所有的高速滑坡在遠(yuǎn)程階段均會呈現(xiàn)“流體化”的運(yùn)動特征。許多學(xué)者基于此,用離散元、非連續(xù)變形方法(DDA)、顆粒流等非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬方法對坡體滑動過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

離散元對于模擬非連續(xù)介質(zhì)問題具有很大的優(yōu)勢,其在一定程度上允許離散體互相分離,因此可以較好地符合松散堆積體的滑動特征。離散元法又包含塊體離散元法和顆粒離散元法。塊體離散元法主要適用于模擬節(jié)理化巖體滑坡的力學(xué)性質(zhì),對于破碎巖體模擬等有較好的適應(yīng)性。Luo等[15-16]基于離散元理論運(yùn)用離散元程序UDEC研究了地震作用下滑坡的失穩(wěn)破壞機(jī)理和滑動過程,取得了較好的效果。對于高速劇沖式滑坡,在運(yùn)動過程中會發(fā)生沖擊碰撞,離散成塊狀堆積體,程謙恭等[17]在研究該類滑坡時(shí)采用離散元法模擬了運(yùn)動的全過程,揭示了劇沖式滑坡運(yùn)動的動力學(xué)機(jī)理。顆粒離散元法中顆粒按照單元形態(tài)主要有二維圓盤和三維小球,主要用來模擬分析細(xì)觀尺度上顆粒的分布以及運(yùn)動,可以用來分析巖土介質(zhì)的變形破壞。周健等[18]采用顆粒流程序PFC進(jìn)行了滑坡過程的數(shù)值模擬,探討了邊坡土性對破壞形式的影響;楊慶華等[19]用二維顆粒流數(shù)值模擬程序,探討了松散堆積體在地震誘發(fā)作用下的崩塌過程與規(guī)律;Salciarini等[20]也用顆粒離散元方法進(jìn)行了相關(guān)的研究。

除了離散元方法,石根華教授[21]提出的非連續(xù)變形方法(DDA)可以反映大變形和考慮時(shí)間變量,對于模擬滑坡滑動過程具有很大優(yōu)勢,已被引入到邊坡滑動過程的模擬研究中[22-24]。

雖然離散元和非連續(xù)變形方法在離散體的運(yùn)動模擬方面具有很大的優(yōu)勢,但是其具有尺寸限制而且對介質(zhì)材料力學(xué)性質(zhì)的考慮不夠,為此,馮春等[25]提出了以顆粒接觸為基礎(chǔ)的無網(wǎng)格法(PCMM),探討了邊坡的失穩(wěn)形式并模擬滑坡運(yùn)動過程。此外,Hungr等[26]基于流變學(xué)理論,采用“似流體”的概念開發(fā)了動態(tài)滑坡過程的模擬程序DAN 和DAN3D。這均是在滑坡體滑動過程模擬方面有意義的嘗試。

2. 2 塊體滑坡滑動過程模擬

在滑坡災(zāi)害中,不乏大塊巖質(zhì)塊體滑坡,因此,塊體滑坡的研究也得到了重視。相對松散堆積體,塊狀滑坡在滑動中會發(fā)生變形甚至破碎,塊體之間也存在相互作用,但并沒有太多可用的模型和理論,研究難度相對較大。

吳鳳元等[27]通過建立動力條分法模型,對塊體滑坡的運(yùn)動過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,實(shí)例應(yīng)用表明該方法在塊體滑坡的運(yùn)動模擬中具有良好的效果。鐘登華等[28]基于運(yùn)動學(xué)基本原理編制程序計(jì)算庫區(qū)滑坡失穩(wěn)運(yùn)動中的各項(xiàng)參數(shù)并結(jié)合仿真模擬軟件實(shí)現(xiàn)了滑坡運(yùn)動過程的可視化,同時(shí)考慮了庫水對滑坡運(yùn)動過程的影響。還有許多學(xué)者將GIS技術(shù)引入到滑坡運(yùn)動過程的模擬中,為塊體滑坡運(yùn)動過程研究拓展了思路[29-30]。

綜合各方面的研究來看,目前在滑坡運(yùn)動過程的描述與模擬方面取得了很大的進(jìn)展,采用了近些年漸漸發(fā)展起來的新方法,成功地模擬了不同類型滑坡體的運(yùn)動過程,但是研究中還存在一些缺陷:①庫岸滑坡的運(yùn)動分為水上運(yùn)動和水下運(yùn)動,具有啟動、運(yùn)動、停止等過程,但大部分研究只考慮了水上滑坡運(yùn)動過程的數(shù)值模擬,對于滑坡進(jìn)入到庫水后的運(yùn)動過程較少涉及,而該過程涉及滑坡體與庫水的相互作用,會影響滑坡的后續(xù)運(yùn)動過程,因此同樣需要考慮;②在滑坡涌浪問題中,相關(guān)研究均只是模擬滑坡滑動過程,對于涌浪產(chǎn)生和傳播的模擬則顯得無能為力。

3 涌浪產(chǎn)生與傳播模擬方法

涌浪是庫區(qū)滑坡產(chǎn)生的重要次生災(zāi)害,其影響范圍和破壞強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于滑坡,因此,涌浪的研究是庫岸滑坡災(zāi)害問題研究中特別重要的一環(huán)。涌浪主要有產(chǎn)生、傳播等過程。涌浪產(chǎn)生的研究在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)基本停留在經(jīng)驗(yàn)公式的水平上,研究方法以模型試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式估算(如美國土木工程學(xué)會法、潘家錚法、水科院經(jīng)驗(yàn)公式法等)及統(tǒng)計(jì)回歸分析為主。大量的研究基本都是在估算出滑坡體入水前的滑速后運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算初始涌浪的各要素,在此基礎(chǔ)上用計(jì)算流體力學(xué)方法求解涌浪的傳播過程,事實(shí)上這只是在已知初始條件和邊界條件的情況下求解計(jì)算流體力學(xué)問題。究其原因就是涌浪與滑坡類型密切相關(guān),目前為止并沒有統(tǒng)一的模型去解決這個(gè)問題。涌浪傳播屬于純粹的計(jì)算流體力學(xué)問題,經(jīng)過大量的研究已經(jīng)有較多的模型可以直接應(yīng)用。

3. 1 涌浪產(chǎn)生過程模擬

涌浪產(chǎn)生的研究涉及滑坡體、庫水與空氣之間的相互作用,存在不同介質(zhì)在空間幾何上的相互浸入,模擬難度大,需要建立合適的數(shù)值模型來反應(yīng)三者之間的耦合作用。Biscarini[31]運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)方法模擬了滑坡體入水產(chǎn)生涌浪的過程,模擬中采用了綜合方法,滑動過程中將滑體看作剛體,滑體入水后將滑體看做流體材料。李穩(wěn)哲等[32]運(yùn)用有限體積法建立計(jì)算模型,并運(yùn)用流體計(jì)算軟件FLUENT結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)和VOF法對不同的滑坡模型產(chǎn)生的涌浪高度與壓力場進(jìn)行了對比分析,探討了涌浪產(chǎn)生的機(jī)理。徐文杰[33-34]運(yùn)用CEL方法就滑坡體形狀、體積等5個(gè)方面的要素對涌浪產(chǎn)生的影響進(jìn)行數(shù)值研究,并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果等對比驗(yàn)證了CEL方法在滑坡涌浪研究中的適用性;但其研究主要是針對單個(gè)塊體滑坡,并沒有考慮散體滑坡。

自由面的追蹤是涌浪產(chǎn)生模擬方面的一個(gè)重要的研究課題,準(zhǔn)確捕捉流體的自由表面才能真實(shí)模擬涌浪的產(chǎn)生過程,這對涌浪的模擬至關(guān)重要。目前VOF法、SPH法、MAC法、LEVEL SET方法等均被應(yīng)用在該問題的研究上,并且取得了很好的效果。

VOF法對于處理自由邊界問題具有強(qiáng)大的優(yōu)勢[35],對大變形等具有良好的適應(yīng)能力,同時(shí)需要的存儲量小,是國內(nèi)外研究中廣泛采用的方法。SPH法即光滑質(zhì)點(diǎn)流體動力學(xué)法,是一種無網(wǎng)格法,其用光滑質(zhì)點(diǎn)模擬連續(xù)的流體介質(zhì),適合模擬高速滑坡引起的大型涌浪。LEVEL SET方法引入了標(biāo)記函數(shù)Ф,并可通過引入多個(gè)標(biāo)記函數(shù)推廣到多相流,建立多相流LEVEL SET方法。該方法求解較為方便,較容易處理復(fù)雜的界面以及自由面劇烈變化的情況。

宋新遠(yuǎn)等[36-37]基于Navier-Stokes方程,采用VOF法模擬了涌浪的產(chǎn)生過程,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)例觀測結(jié)果吻合較好。Yuk等[38-39]采用VOF法對滑坡涌浪產(chǎn)生等過程進(jìn)行了模擬,對自由面進(jìn)行了有效追蹤。Abadie等[40]將空氣、水和滑坡體都統(tǒng)一用牛頓流體和Navier-Stokes方程描述,并結(jié)合VOF法進(jìn)行了涌浪產(chǎn)生模擬,其采用黏性罰函數(shù)法使得流體數(shù)學(xué)模型可以近似模擬剛性滑坡體的運(yùn)動,并指出空氣對滑坡體的運(yùn)動同樣存在較為顯著的影響,但Abadie等[40]研究工作只限于剛性滑坡體。Liu等[41]利用VOF法以及LES模型研究了三維規(guī)則塊體下滑造成的水體爬坡和回落現(xiàn)象。袁晶等[42]基于淺水波方程,在已知滑坡體運(yùn)動方式的前提下通過動網(wǎng)格技術(shù),模擬了可變網(wǎng)格下滑坡涌浪的產(chǎn)生與傳播,并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對,表明動網(wǎng)格技術(shù)可較精確地模擬涌浪產(chǎn)生過程; Grilli等[43]和Watts等[44]的研究工作同屬此類范疇。Qiu 等[45-47]通過運(yùn)用SPH方法模擬了涌浪產(chǎn)生的過程,對涌浪自由面的情況進(jìn)行了研究,與實(shí)例比較表明SPH法能夠準(zhǔn)確追蹤自由面;Ataie-Ashtiani等[48]提出了I-SPH法,并成功模擬了剛性滑坡和可變形滑坡入水產(chǎn)生涌浪的過程,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合?；贜avier-Stokes方程模型,任坤杰等[49]運(yùn)用MAC法進(jìn)行了涌浪在垂面的仿真模擬,追蹤了自由面的運(yùn)動過程,探討了涌浪橫向傳播規(guī)律。趙蘭浩等[50-51]提出了基于分步有限元法的LEVEL SET數(shù)值模擬方法,該方法可以較好地解決三維流體大幅晃動問題,并根據(jù)此方法將庫岸失穩(wěn)、坡體滑動、首浪產(chǎn)生等過程統(tǒng)一起來進(jìn)行模擬,具有重要的意義。

在將邊坡失穩(wěn)和涌浪產(chǎn)生聯(lián)合模擬嘗試方面, Bosa等[52]利用淺水方程對瓦依昂水庫滑坡涌浪進(jìn)行了數(shù)值模擬,但沒有考慮邊坡的滑動過程,僅是用移動邊界代替邊坡滑動的效果;Quecedo等[53-55]運(yùn)用有限元法對快速土質(zhì)流態(tài)邊坡的滑動及入水產(chǎn)生涌浪的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,但沒有涉及大塊巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的情況。這些嘗試對于推動滑坡涌浪全過程分析具有重要的意義,值得在此方面開展更加深入的研究。

3. 2 涌浪傳播模擬

涌浪傳播模擬研究已有大量研究成果,且有很多數(shù)值模型可供直接使用。在研究方法上,因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)公式做了較多理想化假定,對計(jì)算結(jié)果的精度有一定影響,數(shù)值計(jì)算相比經(jīng)驗(yàn)公式能更準(zhǔn)確地模擬涌浪的傳播。國內(nèi)一般集中在波浪在庫區(qū)和山區(qū)河谷內(nèi)傳播規(guī)律的研究,國外的研究范圍更廣,在庫區(qū)、河谷、水下滑坡以及海底滑坡等領(lǐng)域的傳播模擬均有涉及,成果更加豐富。

涌浪傳播數(shù)值模型主要有Navier-Stokes方程模型、Boussinesq方程模型、基于淺水波方程的模型等。表1給出了各類模型的特點(diǎn)和適用范圍。

表1 涌浪傳播數(shù)值模型特點(diǎn)及應(yīng)用

徐波等[56]基于Navier-Stokes方程模型,利用FLOW3D軟件,采用VOF法模擬了三維寬廣水域上涌浪的產(chǎn)生與傳播,與試驗(yàn)結(jié)果比較表明,該數(shù)值模型能夠較好地模擬涌浪產(chǎn)生與傳播過程,但忽略了滑塊形式對涌浪的影響,模擬精度尚需提高?；跍\水方程,Bosa等[57]建立2DH數(shù)值模型模擬了Vajont水庫滑坡引起的涌浪和漫頂后在峽谷里的傳播情況,結(jié)果表明,大型滑坡引起的沖擊波在廣大的自然域里的傳播二維模型可以獲得合適的模擬結(jié)果,避免了復(fù)雜的三維建模。Ataie-Ashtiani等[58]基于二維四階Boussinesq方程模型對Maku和Shafa-Roud庫區(qū)的涌浪浪高、波浪爬高、最大浪高等要素進(jìn)行了模擬研究,為進(jìn)一步評估庫區(qū)潛在滑坡引起的涌浪災(zāi)害提供了參考;Ataie-Ashtiani等[59]的研究也采用了類似方法。

此外,王世昌等[60]通過二次開發(fā)GEO-WAVE軟件,建立FAST系統(tǒng)研究了涌浪的傳播與衰減規(guī)律,并建立了涌浪預(yù)警系統(tǒng),具有很好的應(yīng)用前景。Huang等[61]運(yùn)用GEOFLOW模擬了涌浪的傳播過程,對涌浪傳播規(guī)律進(jìn)行了探討。姜治兵等[62]采用求解DIF方程的方式建立滑坡涌浪數(shù)值模型,并通過新灘滑坡進(jìn)行了驗(yàn)證;但是其假設(shè)滑坡體為固定形狀的單一塊體,忽略了大塊巖體滑坡體的形狀對涌浪產(chǎn)生的影響。Shen等[63]運(yùn)用兩方程k-ε湍流模型模擬了橢圓余弦波的傳播過程,其中用VOF法處理波浪自由面問題,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。Heidarzadeh等[64]采用TUNAMI-N2數(shù)值模型模擬了海底滑坡產(chǎn)生的海嘯的傳播;Ataie-Ashtiani等[65]通過FUNWAVE模型研究了涌浪傳播的各要素,但通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定模擬的初始條件,研究精度不夠。

可見,近年來數(shù)值模擬方法在涌浪產(chǎn)生和傳播方面的研究取得了較大的進(jìn)展,但難點(diǎn)問題依然沒有攻克。①在產(chǎn)生涌浪的滑坡體設(shè)置方面,大多數(shù)研究直接用高度簡化的幾何剛體代表滑坡體,避開了復(fù)雜的滑坡體建模,雖然有助于研究涌浪的產(chǎn)生和傳播機(jī)理,但在實(shí)際應(yīng)用方面精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的;②松散堆積體滑坡引起的涌浪國內(nèi)外的研究均較少涉及,但實(shí)際的滑坡災(zāi)害卻以松散堆積體居多;③研究以二維模型居多,而二維模型在橫向上對涌浪的產(chǎn)生與傳播都有一定的限制。

4 研究展望

數(shù)值模擬方法是求解滑坡涌浪問題的強(qiáng)有力手段,目前針對滑坡涌浪各個(gè)過程的數(shù)值模擬研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展,成果也相對豐富,但依然存在較多問題和難點(diǎn),在目前的研究基礎(chǔ)上尚需在以下方面開展進(jìn)一步的研究:

a.在庫區(qū)邊坡穩(wěn)定計(jì)算方面,應(yīng)進(jìn)一步開展?jié)B流場和邊坡變形耦合計(jì)算研究,開展基于非飽和土固結(jié)理論的有限元計(jì)算研究。此外,針對目前地震作用下庫區(qū)邊坡穩(wěn)定分析的不足,需探討合理的地震動輸入方式,準(zhǔn)確施加地震荷載。而在庫區(qū)邊坡超孔隙水壓力的變化規(guī)律方面展開數(shù)值模擬研究勢在必行。

b.在滑坡滑動過程模擬研究方面,需要研究不同類型的邊坡失穩(wěn)滑動機(jī)理,尋找合適的本構(gòu)關(guān)系來描述滑坡體的物理力學(xué)性質(zhì),探討用流體控制方程模擬松散堆積體滑動過程的可行性。對于塊體滑坡,應(yīng)研究離散塊體之間的運(yùn)動接觸問題,建立能夠反映塊體之間相互作用的運(yùn)動模型來模擬塊體滑坡的滑動問題。

c.涌浪產(chǎn)生的研究涉及滑坡體、庫水與空氣三者之間強(qiáng)烈的流固耦合作用,計(jì)算極其復(fù)雜。在數(shù)值模擬方面,應(yīng)在以下方面開展進(jìn)一步的研究:①將滑坡體滑動過程末端與入水產(chǎn)生首浪的過程連貫考慮,建立反應(yīng)三者之間耦合作用的數(shù)值模型;②加強(qiáng)松散堆積體滑坡產(chǎn)生涌浪的研究,根據(jù)松散堆積體“流體化”的特點(diǎn)探討采用流體本構(gòu)關(guān)系描述其運(yùn)動過程,從而實(shí)現(xiàn)滑坡滑動和首浪產(chǎn)生二者之間的銜接;③探討塊體滑坡入水后的運(yùn)動規(guī)律,不能簡單地假設(shè)塊體滑坡入水后停止運(yùn)動,水下運(yùn)動對涌浪產(chǎn)生的影響需要在計(jì)算中加以考慮。

d.庫區(qū)邊坡發(fā)生失穩(wěn)運(yùn)動及涌浪產(chǎn)生與傳播的過程,實(shí)際上可以視為岸坡失穩(wěn)、坡體滑動、首浪產(chǎn)生和涌浪傳播這連續(xù)的4個(gè)階段,每一個(gè)階段的準(zhǔn)確描述都將對最后災(zāi)害預(yù)報(bào)的可信度產(chǎn)生較大影響,因此需要將坡體穩(wěn)定和滑動、涌浪產(chǎn)生與傳播全過程作為完整統(tǒng)一的過程進(jìn)行分析研究,開展不同階段數(shù)值模擬的銜接研究,探討不同階段數(shù)值模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)傳遞方法,建立統(tǒng)一的數(shù)值模擬方法,實(shí)現(xiàn)滑坡涌浪的全程模擬,提高研究精度。

e.應(yīng)將地理信息方面的先進(jìn)成果與庫岸滑坡涌浪分析成果相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科之間的交叉應(yīng)用,拓展新的研究方法,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速建模和分析。

f.開發(fā)并行計(jì)算程序,優(yōu)化分析計(jì)算方法,使其能夠在高性能計(jì)算機(jī)上運(yùn)行,以適應(yīng)大規(guī)模計(jì)算的需要。在二維分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三維滑坡涌浪的分析,并將研究成果推廣到實(shí)際問題中,建立并完善庫區(qū)滑坡涌浪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。

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Review of numerical simulation of landslides and surges in reservoir districts

/ / ZHAO Lanhao, HOU Shichao, MAO Jia(College of Water Conserυancy and Hydropower Engineering, Hohai Uniυersity, Nanjing 210098, China)

Abstract:A review is conducted of advances and developing trends over recent years in numerical methods for simulation of landslides and surges in four stages, including slope instability, slope sliding, surge generation, and propagation, in reservoir districts. The achievements in numerical methods for simulation of slope sliding and surge generation are summarized. It is pointed out that landslides and surges should be considered an integrated continuous process from the slope instability to surge propagation stages, and, based on current research of each stage, the relevant research methods of solid and fluid mechanics should be combined in future research, so as to construct numerical models for the entire simulation process of landslides and surges in reservoir districts.

Key words:landslide and surge; reservoir slope; slope instability; surge propagation; numerical simulation; review

(收稿日期:2015- 05 25 編輯:熊水斌)

作者簡介:趙蘭浩(1980—)男,教授,博士,主要從事流固耦合與水工建筑物抗震研究。E-mail:zhaolanhao@ hhu. edu. cn

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51279050)

DOI:10. 3880/ j. issn. 1006- 7647. 2016. 02. 015

中圖分類號:P642. 22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1006- 7647(2016)02- 0079- 08