本文關(guān)鍵詞：庫(kù)岸滑坡涌浪數(shù)值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：滑坡涌浪災(zāi)害是一定體積的滑坡快速?zèng)_擊一定體積的水體后產(chǎn)生初始涌浪并在水體中傳播至更遠(yuǎn)處,對(duì)水中船只、沿岸人員及設(shè)施造成的災(zāi)害。體積微小的物體快速?zèng)_擊水體不足以推動(dòng)大面積水體形成涌浪；體積巨大的滑坡緩慢蠕滑至水中不會(huì)產(chǎn)生大的沖擊涌浪；大體積滑體快速?zèng)_擊水量微小的溪流也不至于構(gòu)成涌浪災(zāi)害。因此一定的滑體體積、滑動(dòng)速度和水體體積是構(gòu)成涌浪災(zāi)害的必要條件。目前我國(guó)針對(duì)滑坡涌浪的物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究均取得了一定成果,然而通過(guò)物理試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式在實(shí)際應(yīng)用上具有相當(dāng)?shù)木窒扌?往往因?yàn)閷?shí)例中滑坡類(lèi)型、失穩(wěn)模式、滑體規(guī)模、運(yùn)動(dòng)速度等因素超出了適用范圍,導(dǎo)致首浪高度計(jì)算不準(zhǔn)確；目前的滑坡涌浪數(shù)值模擬技術(shù)相對(duì)于物理試驗(yàn)和數(shù)理解析具有明顯的優(yōu)勢(shì),卻存在著諸如對(duì)復(fù)雜的河道邊界條件處理不當(dāng)、計(jì)算精度不夠、滑體與水體相互作用過(guò)程無(wú)法有效的耦合模擬等問(wèn)題。本文基于筆者和Steven Ward共同提出的Tsunami Squares原理(TS方法),針對(duì)滑坡涌浪問(wèn)題進(jìn)行了一系列的數(shù)值模擬。TS方法巧妙的避免了復(fù)雜的網(wǎng)格化、解微分方程和干濕邊界處理等問(wèn)題,并達(dá)到了滑坡運(yùn)動(dòng)和涌浪產(chǎn)生及傳播的無(wú)縫耦合模擬。文中詳細(xì)闡述了TS方法的基本原理和特點(diǎn),并通過(guò)解析方法、物理試驗(yàn)和滑坡涌浪實(shí)例三種途徑分別驗(yàn)證了TS方法的高度可靠性和精確性。這一方法的提出對(duì)滑坡涌浪災(zāi)害研究具有重大現(xiàn)實(shí)和理論意義。圍繞滑坡涌浪研究方法和數(shù)值模擬理論,論文主要取得了以下成果和結(jié)論：筆者基于Ward提出的Tsunami Squares理論,詳細(xì)論述了模擬過(guò)程中的滑坡及涌浪運(yùn)動(dòng)力學(xué)機(jī)制,完善了TS在滑坡涌浪數(shù)值模擬上的理論、驗(yàn)證及應(yīng)用。TS方法與傳統(tǒng)涌浪模擬方法相比具有一系列的優(yōu)點(diǎn),例如巧妙的避免了復(fù)雜的網(wǎng)格化、解微分方程和干濕邊界處理等問(wèn)題,并達(dá)到了滑坡運(yùn)動(dòng)和涌浪產(chǎn)生及傳播的無(wú)縫耦合模擬。文中詳細(xì)闡述了TS方法的基本原理和特點(diǎn),并通過(guò)解析方法,物理試驗(yàn)和滑坡涌浪實(shí)例三種途徑分別驗(yàn)證了TS方法的高度可靠性和精確性。這一方法的提出對(duì)滑坡涌浪災(zāi)害研究具有重大現(xiàn)實(shí)和理論意義。圍繞滑坡涌浪研究方法和數(shù)值模擬理論,論文主要取得了以下成果和結(jié)論：(1)總結(jié)典型庫(kù)岸滑坡涌浪研究方法綜合各種滑坡涌浪試驗(yàn)最大浪高分析,存在以下影響因素：靜水深度、滑坡沖擊速度、滑體寬度、滑體長(zhǎng)度、滑體厚度、滑體體積、滑體沖擊角度、滑體密度、水下運(yùn)動(dòng)時(shí)間、滑體形狀和滑坡迎水面面積。不同學(xué)者考慮影響因素的側(cè)重點(diǎn)各不相同,其中滑體沖擊速度和水深在各試驗(yàn)中均有考慮,其次考慮較多的是滑體體積。爬坡浪高主要取決于岸坡前的浪高,并受岸坡坡腳、平臺(tái)、表面糙率、波浪入射角等因素的影響。(2)提出并總結(jié)Tsunami Squares原理的方法與特點(diǎn)Tsunami Squares將研究對(duì)象中的滑體和水體均視為由許多個(gè)形狀大小相同、并且各自攜帶一定物理量的、可分割的微小正方形塊體(Squares)組成�；赥S理論的守恒公式和運(yùn)動(dòng)公式,計(jì)算每一時(shí)步下各個(gè)塊體的運(yùn)動(dòng)位置、速度、厚度及加速度等,得出模擬對(duì)象隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)特性。該方法可以模擬許多具有流動(dòng)特性的運(yùn)動(dòng),例如滑坡、泥石流、碎屑流、巖崩、涌浪、洪水、海嘯、冰川運(yùn)移等。該方法在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中具有許多傳統(tǒng)模擬不具備的優(yōu)點(diǎn)：方塊節(jié)點(diǎn)可直接通過(guò)DEM數(shù)據(jù)獲取,不需進(jìn)行復(fù)雜的網(wǎng)格化前處理；基于正方塊體的規(guī)則性,巧妙的改變傳統(tǒng)的守恒方程形式,不僅達(dá)到體積守恒和動(dòng)量守恒,還消除了計(jì)算中的各種微分形式,使計(jì)算更簡(jiǎn)單快捷,提高了計(jì)算效率,擴(kuò)展了應(yīng)用范圍；可分割的特點(diǎn)使模擬結(jié)果精度不受限于單個(gè)塊體的尺寸大�。荒M對(duì)象為實(shí)物塊體,不需處理復(fù)雜的干濕邊界條件,使TS方法達(dá)到滑坡運(yùn)動(dòng)和涌浪產(chǎn)生及傳播的無(wú)縫耦合模擬。(3)新視角下的滑坡運(yùn)動(dòng)模式分析以及相應(yīng)的摩擦力設(shè)置滑坡的屬性狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。當(dāng)滑坡啟動(dòng)時(shí),屬于固體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滑動(dòng)速度增加,滑體逐漸失去內(nèi)聚力,此時(shí)滑體運(yùn)動(dòng)趨于類(lèi)流體流動(dòng)。綜合分析流體所受的重力與塊體間的相互作用力可知：流體運(yùn)動(dòng)主要受上表面的壓力差影響,即滑體的動(dòng)力源取決于上表面的坡度。當(dāng)滑體速度減小至臨界值并趨于停止時(shí),較低的動(dòng)態(tài)基底摩擦力(basal friction)將轉(zhuǎn)變成一個(gè)較高的靜態(tài)基底摩擦力,使滑體停止。此時(shí)滑體恢復(fù)固體屬性,沉積的滑體形成新的坡面地形,影響著后面仍然在運(yùn)動(dòng)并經(jīng)過(guò)此處的滑體。本文考慮滑坡的流動(dòng)特性,將滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程視為固體屬性——類(lèi)流體屬性——固體屬性的變化,是一個(gè)滑體運(yùn)動(dòng)模擬全新的思考方法。采用基底摩擦力(basal friction)、運(yùn)動(dòng)摩擦力(dynamic friction)和休止角(repose angle)組成滑坡運(yùn)動(dòng)的參數(shù)系,將運(yùn)動(dòng)中的摩擦力分為與速度無(wú)關(guān)的基底摩擦力和與速度平方成正比的運(yùn)動(dòng)摩擦力,兩種摩擦力的組合巧妙的控制著滑體整個(gè)運(yùn)動(dòng)屬性的轉(zhuǎn)變。在運(yùn)動(dòng)即將停止時(shí)采用休止角和臨界速度控制滑體的停止和堆積。以上參數(shù)的協(xié)調(diào)作用使滑坡的運(yùn)動(dòng)模擬貼近于真實(shí)的自然界運(yùn)動(dòng)本質(zhì)。(4)提出了涌浪產(chǎn)生的幾個(gè)概念分別針對(duì)不同的涌浪源提出三種涌浪產(chǎn)生方式：完全動(dòng)量傳遞法(CMT),非動(dòng)量傳遞法(NMT)和強(qiáng)制傳遞法(DA)。對(duì)于滑坡引起的涌浪采用非動(dòng)量傳遞法(NMT)結(jié)合強(qiáng)制傳遞法(DA),概念上分別對(duì)應(yīng)于解析法中的體積涌浪和沖擊涌浪。詳細(xì)分析了滑體與水體的相互作用,涌浪的產(chǎn)生過(guò)程由滑體的位移、速度、厚度和水體的速度共同作用,合理的體現(xiàn)了滑體和水體的相互作用關(guān)系。(5)通過(guò)滑坡涌浪物理試驗(yàn)驗(yàn)證TS的模擬結(jié)果通過(guò)物理試驗(yàn)和TS數(shù)值模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)控制水土體相互作用的DA系數(shù)cd=0.1時(shí),模擬的首浪高度與測(cè)量浪高最接近�；瑝K本身的規(guī)模和速度對(duì)涌浪的產(chǎn)生起主要作用,滑塊與水體的拖拽和摩擦力對(duì)涌浪的產(chǎn)生起次要作用。數(shù)值模擬中的首浪產(chǎn)生過(guò)程及涌浪衰減幅度與物理試驗(yàn)基本一致,在傳播至1km以?xún)?nèi)時(shí),試驗(yàn)波高與模擬波高衰減均較快,當(dāng)傳播至1km以外,波高數(shù)值變化不大；模擬產(chǎn)生的波譜頻率與物理試驗(yàn)測(cè)量所得波譜頻率符合正確的相似比(1：(?))關(guān)系,數(shù)值模擬產(chǎn)生的波形符合原型的真實(shí)波形。綜合說(shuō)明用滑坡涌浪物理試驗(yàn)驗(yàn)證的Tsunami Squares數(shù)值模擬方法有效可行。(6)通過(guò)兩個(gè)已發(fā)生的滑坡涌浪實(shí)例驗(yàn)證TS模擬方法的準(zhǔn)確性分別選取已發(fā)生的三峽庫(kù)區(qū)巫峽庫(kù)段龔家方滑坡涌浪和加拿大Chehalis湖岸滑坡涌浪事件為目標(biāo)實(shí)例,明確滑坡的失穩(wěn)原因和啟滑機(jī)理,在TS程序中建立滑體模型,編碼不同的啟動(dòng)方式,選取合適的運(yùn)動(dòng)參數(shù),模擬滑坡運(yùn)動(dòng)及波浪的產(chǎn)生、傳播和爬坡；對(duì)比驗(yàn)證實(shí)際觀測(cè)的爬坡浪數(shù)據(jù)和模擬的爬坡浪高,得出以下結(jié)論：1.由滑坡運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的新地形形態(tài)和沖擊速度是引起涌浪最關(guān)鍵的因素,準(zhǔn)確的滑坡運(yùn)動(dòng)模擬需要明確滑坡所在的斜坡地質(zhì)背景、地形地貌、滑體物質(zhì)組成、失穩(wěn)模式、沉積狀態(tài)等,為參數(shù)選擇和反演對(duì)比提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2.在滑坡運(yùn)動(dòng)模擬中需要調(diào)節(jié)的主要參數(shù)有：基底摩擦系數(shù)μh、動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)μd和滑坡休止角θrepose(?)龔家方滑坡模擬的參數(shù)取值為μb=0.2,μd=0.05(空氣中),,μd=0.2(水中),θrepose=30°;Chehalis滑坡模擬的參數(shù)取值為μb=0,μd=0.003(空氣中),μd=0.02(水中),θrepose=20.5°;如果滑坡運(yùn)動(dòng)中的表面坡角小于θrepose'則μb的值呈梯度逐漸增大。3.兩個(gè)滑坡實(shí)例均非整體失穩(wěn),龔家方滑坡因受庫(kù)水影響產(chǎn)生自下而上的漸進(jìn)式崩滑,Chehalis滑坡因受雨雪天氣影響產(chǎn)生自上而下的推移式滑動(dòng)崩塌。TS根據(jù)不同的滑坡啟動(dòng)模式做出相應(yīng)的啟滑設(shè)置,兩滑坡的模擬速度與沉積狀態(tài)均與實(shí)際情況相符。4.兩實(shí)例均采用DA法結(jié)合NMT方法產(chǎn)生涌浪。龔家方滑坡涌浪設(shè)置DA系數(shù)cd=0.1,Chehalis滑坡涌浪設(shè)置DA系數(shù)cd=0.11,兩實(shí)例產(chǎn)生的涌浪高度均與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)高度吻合。5.微地貌使波浪衰減曲線中出現(xiàn)波動(dòng)。波浪的傳播方向與坡向的相互關(guān)系影響著爬坡浪高,當(dāng)部分地形與主湖岸線方向產(chǎn)生斜交,尤其當(dāng)岸坡面垂直于波浪的傳播方向時(shí),該處產(chǎn)生的涌浪相對(duì)較高。傳播路徑上的大弧度彎曲對(duì)爬坡浪高影響甚微,小弧度彎曲對(duì)局部浪高產(chǎn)生影響。6.涌浪模擬結(jié)果認(rèn)為滑坡速度和空間規(guī)模決定著首浪高度,而能量的耗散和沿岸爬坡浪高受到傳播距離,水深,波浪傳播方向以及岸坡方位角的綜合影響。(7)通過(guò)數(shù)值模擬探討滑坡規(guī)模、河道寬度以及不同庫(kù)水位對(duì)涌浪的影響在TS程序中建立小型、中型、大型和巨型四種類(lèi)型的滑體,以同樣的速度沖擊同一河道,得到滑坡規(guī)模與涌浪的產(chǎn)生和衰減之間的關(guān)系：滑坡規(guī)模對(duì)涌浪高度影響巨大,首浪高度與體積對(duì)數(shù)成線性正比關(guān)系,體積越大,涌浪越高。小型和中型滑坡的正對(duì)岸爬坡浪低于首浪,大型和巨型滑坡的正對(duì)岸爬坡浪與首浪幾乎相等甚至超過(guò)首浪；庫(kù)區(qū)的大型和巨型滑坡潛在涌浪災(zāi)害大,需引起高度重視；而中型滑坡體積涌浪效應(yīng)不明顯,其入水速度應(yīng)得到重視；小型滑坡在寬闊河道中危害很小。在TS程序中建立寬度分別為500m、750m、1000m和1200m,岸坡坡角為30。的規(guī)則直線型河道,用同一滑塊沖擊不同的河道,得到河道寬度與涌浪的產(chǎn)生和衰減之間的關(guān)系：相同的滑坡在不同的河道寬度下產(chǎn)生的首浪高度基本相同,河道寬度對(duì)首浪高度影響很�。凰姆N河道寬度下的波浪衰減趨勢(shì)差別不大；相同的首浪在狹窄河道里的影響范圍更大,傳播距離更遠(yuǎn),災(zāi)害后果更嚴(yán)重。在TS程序中建立橫截面符合指數(shù)分布的直線型河道,庫(kù)水位分別為130m、145m、160m和175m,用同一滑塊沖擊不同水位的河道,得到不同水位與涌浪的產(chǎn)生和衰減之間的關(guān)系：不同庫(kù)水位下的滑坡涌浪衰減規(guī)律基本一致,均在上下游1km范圍內(nèi)急劇衰減,在1km以外緩慢衰減,且不同水位下的涌浪高度基本相同；首浪與庫(kù)水位成正相關(guān),對(duì)岸爬坡浪高隨河道寬度增加而降低；在低水位時(shí),本岸與對(duì)岸爬坡浪高在數(shù)值上最接近,而在高水位時(shí),本岸最大爬坡浪高遠(yuǎn)大于對(duì)岸。
【關(guān)鍵詞】：滑坡 涌浪 Tsunami Squares 數(shù)值模擬 龔家方滑坡
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：P642.22;TV221.2
【目錄】：

• 作者簡(jiǎn)介6-8
• 摘要8-12
• ABSTRACT12-19
• 第一章 緒論19-36
• §1.1 選題依據(jù)及研究意義19-21
• §1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述21-32
• 1.2.1 滑坡運(yùn)動(dòng)機(jī)理及速度研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2.2 滑坡運(yùn)動(dòng)數(shù)值方法研究現(xiàn)狀23-25
• 1.2.3 滑坡涌浪物理實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀25-30
• 1.2.4 滑坡涌浪的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀30-32
• §1.3 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線32-36
• 1.3.1 論文的主要研究?jī)?nèi)容32-33
• 1.3.2 技術(shù)路線33-34
• 1.3.3 創(chuàng)新點(diǎn)34-36
• 第二章 庫(kù)岸滑坡運(yùn)動(dòng)及涌浪的分析方法36-54
• §2.1 庫(kù)岸滑坡速度與涌浪計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式36-46
• 2.1.1 庫(kù)岸滑坡運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算36-38
• 2.1.2 滑坡涌浪計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式38-44
• 2.1.3 傳播浪與爬坡浪衰減44-46
• §2.2 滑坡與涌浪典型數(shù)值模擬方法46-54
• 2.2.1 滑坡運(yùn)動(dòng)分類(lèi)46-47
• 2.2.2 流體力學(xué)基本理論47-50
• 2.2.3 滑體和水體運(yùn)動(dòng)典型模擬方法簡(jiǎn)介50-54
• 第三章 Tsunami Squares滑坡涌浪數(shù)值模擬方法介紹54-71
• §3.1 Tsunami Squares背景介紹54-55
• §3.2 Tsunami Squares方法基本原理55-58
• §3.3 與傳統(tǒng)海嘯模擬方法的對(duì)比58-59
• §3.4 滑坡和涌浪運(yùn)動(dòng)方程59-67
• 3.4.1 運(yùn)動(dòng)模式分析59-60
• 3.4.2 加速度動(dòng)力源60-64
• 3.4.3 摩擦力64-67
• §3.5 波浪源67-70
• 3.5.1 波浪的產(chǎn)生方式67
• 3.5.2 入水過(guò)程中水土體力相互作用67-70
• §3.6 Tsunami Squares方法特性總結(jié)70-71
• 第四章 Tsunami Squares物理試驗(yàn)驗(yàn)證71-84
• §4.1 滑坡涌浪物理試驗(yàn)介紹71-76
• 4.1.1 影響因素選擇和相似條件71-72
• 4.1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>72-73
• 4.1.3 控制和測(cè)量系統(tǒng)73-74
• 4.1.4 剛性塊體模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)74
• 4.1.5 波高儀數(shù)據(jù)74-75
• 4.1.6 擬合公式75-76
• §4.2 Tsunami Squares建模計(jì)算76-80
• §4.3 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比80-82
• 4.3.1 波浪高度對(duì)比80-81
• 4.3.2 波譜對(duì)比81-82
• §4.4 結(jié)論82-84
• 第五章 滑坡涌浪數(shù)值模擬實(shí)例驗(yàn)證84-104
• §5.1 龔家方滑坡涌浪實(shí)例驗(yàn)證84-96
• 5.1.1 滑動(dòng)涌浪地質(zhì)背景84-87
• 5.1.2 滑坡速度模擬計(jì)算87-91
• 5.1.3 龔家方滑坡涌浪模擬91-96
• §5.2 Chehalis滑坡涌浪實(shí)例驗(yàn)證96-102
• 5.2.1 涌浪事件回顧96-98
• 5.2.2 滑坡運(yùn)動(dòng)模擬98-99
• 5.2.3 Chehalis滑坡涌浪模擬99-100
• 5.2.4 模擬結(jié)果討論100-102
• §5.3 結(jié)論102-104
• 第六章 滑坡涌浪影響因素?cái)?shù)值模擬試驗(yàn)104-117
• §6.1 滑坡規(guī)模的影響104-109
• 6.1.1 試驗(yàn)方案104-107
• 6.1.2 結(jié)果分析107-109
• §6.2 河道寬度的影響109-113
• 6.2.1 試驗(yàn)方案109-112
• 6.2.2 結(jié)果分析112-113
• §6.3 庫(kù)水位的影響113-116
• 6.3.1 試驗(yàn)方案113-114
• 6.3.2 結(jié)果分析114-116
• §6.4 結(jié)論116-117
• 第七章 結(jié)論與展望117-121
• §7.1 結(jié)論117-120
• §7.2 下一步工作展望120-121
• 致謝121-123
• 參考文獻(xiàn)123-129

【引證文獻(xiàn)】

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 程謙恭;陳紅旗;;云南哀牢山大水井巖滑特征及其形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制[A];第二屆全國(guó)巖土與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集（上冊(cè)）[C];2006年

2 杜伯輝;;柘溪水庫(kù)塘巖光滑坡——我國(guó)首例水庫(kù)蓄水初期誘發(fā)的大型滑坡[A];第二屆全國(guó)巖土與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集（上冊(cè)）[C];2006年

  本文關(guān)鍵詞：庫(kù)岸滑坡涌浪數(shù)值模擬研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：442910