[发明专利]一种滑坡涌浪计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种滑坡涌浪计算方法，属于水利工程灾害预测领域。

背景技术

水利水电建设的长足发展为社会发展做出了重要贡献，但也带来一系列地质环境问题。相比于一般的边坡失稳问题，库岸边坡失稳会对下游的人民生命财产安全构成更加巨大的威胁。滑坡体滑入水库后产生的涌浪有可能翻越坝顶，淹没下游地区，甚至由于涌浪的冲击作用，大坝存在溃决的风险。在国内水利水电工程建设中，不乏水库滑坡失稳破坏并产生涌浪灾害的先例。如1961年3月柘溪水库塘岩光滑坡，165万m³的滑坡体冲入库区后产生了高达21m的涌浪，造成重大损失。随着一系列高坝大库在我国西南地区建立，水库库岸边坡稳定问题越来越吸引人们的注意。在此背景下，数值模拟作为灾害预测的手段之一，就显的非常必要和重要了。

目前的数值模拟基本是首先用能量守恒原理估算滑坡体入水前的滑速，而后依据经验公式计算初始涌浪，最后用计算流体力学的方法求解涌浪的传播过程，实际上只是求解了已知初始条件和边界条件的计算流体力学问题。滑坡体入水产生涌浪的过程是一个复杂的水动力学问题，过程中涉及到三相介质的相互耦合、浸入、波浪破碎等现象，介质间的界面难于捕捉描述。现有的数值方法，包括基于浅水方程的解法，不能反映三相介质的强烈相互作用。主要的界面描述方法有VOF法、Level Set法等，涌浪自由面的描述在计算流体力学中本身就是很大的难题，数值计算的准确性可以得到进一步改善。相对于涌浪产生来说，涌浪的传播过程研究成果已较为丰富。但此类计算的前提是已知首浪的各种要素，如浪高、速度等。从某种意义上说，现有方法是用一个粗估的初始涌浪数据作为初始计算条件，即使涌浪传播过程的模拟再精细，也很难得到合理可信的计算结果。

尽管国内外学者对此已做了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果，但基本上是着眼于某个方面的研究，还没有针对从库岸边坡失稳运动到涌浪产生与传播全过程系统的数值模拟。而实际上此类灾害的发生基本是在几十秒到几分钟极短的时间内，库岸边坡从失稳、滑动到涌浪产生再到涌浪传播应该是一个完整连续的过程，每个阶段的准确描述都将对最后灾害预报的可信度产生较大影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺点，将库岸边坡滑坡体入水到涌浪传播各阶段作为完整统一的过程进行分析研究。采用原始的不可压缩粘性流体Navier-Stokes方程描述水体、空气、滑坡体的相互作用。采用改进的守恒式Level Set方法，准确捕捉流体自由表面，真实模拟涌浪产生过程，为涌浪传播及灾害预测提供合理的前提条件。在此基础上，采用沿水深积分的流体控制方程模拟涌浪传播过程，对涌浪运动轨迹和泛滥区域进行数值预报，评价涌浪灾害。本发明是在已经利用动力时程强度折减法进行土质库岸边坡动力稳定分析，确定了库岸可能的失稳滑动范围的前提下进行的。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种滑坡涌浪计算方法，包括如下步骤：

步骤1：根据已有地形、水位和滑坡体形状位置资料，建立三维有限元模型；

步骤2：结合Navier-Stokes方程和改进的守恒式Level Set方法，计算流体各运动参数，捕捉自由面；

步骤3：采用沿水深积分的流体控制方程模拟涌浪传播过程，对涌浪运动轨迹和泛滥区域进行数值预报。

所述步骤2中对土质或松散介质坡体，基于“流体化”的特点，以流体力学基本方程Navier-Stokes方程配以非牛顿流体或拟流体本构关系描述其物理特性和运动过程，由于将滑坡体视作似流体，滑坡体、水体和空气三相介质可用同一本构模型表示：

式中，τ_y0表示流体屈服应力，φ为内摩擦角，I_2D是应变张量D的第二不变量，μ为黏性系数，η为表示流体特性的参量。

在利用Navier-Stokes方程计算出的流场信息的基础上，采用改进的守恒式双重Level Set方法捕捉滑坡体、水体和空气三者的交界面，反映三者间强烈的流固耦合作用，真实模拟滑坡体入水产生涌浪的过程，改进的守恒式双重Level Set方法包含两个部分：指示函数的输运，和指示函数的重新初始化。