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滑坡涌浪波生成特性及三维数值模拟研究

滑坡涌浪波生成特性及三维数值模拟研究

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作者：李淑蕾西安理工大学

学位级别：硕士

滑坡涌浪是水库库区、湖泊、近岸海域和海洋等区域经常发生的具有极大破坏力的自然灾害之一,其致灾程度极为严重,滑坡下滑产生的巨大的涌浪重则摧毁沿岸建筑,威胁居民生命,轻则影响水工机组正常运行或渔业等,造成经济损失。在研究滑坡... 详细信息

滑坡涌浪是水库库区、湖泊、近岸海域和海洋等区域经常发生的具有极大破坏力的自然灾害之一,其致灾程度极为严重,滑坡下滑产生的巨大的涌浪重则摧毁沿岸建筑,威胁居民生命,轻则影响水工机组正常运行或渔业等,造成经济损失。在研究滑坡涌浪问题时,常用经验公式、数值模拟、物理模型实验等方法。然而,由于滑坡涌浪波类型较多、特点各不相同,已有理论、经验或半经验预测公式在实际问题应用中甚至会产生量级的差别。已有研究表明,影响滑坡涌浪问题的主要因素包括滑坡体体积、厚度、入水速度、水深、滑坡角度等,但往往忽略滑坡体下滑过程对生成涌浪波特性的影响。本文在此基础上,建立滑坡涌浪三维耦合数值模型,通过快速、准确的数值模拟,重点研究滑坡涌浪波的生成特性,进一步提高对涌浪波生成及传播过程中物理机理的认识。此外,对某工程灾害风险进行分析,可以为滑坡涌浪灾害的预测提供技术支撑。本文研究内容及结论如下:(1)建立了滑坡涌浪三维耦合数值模型。通过对刚性滑坡体运动过程进行受力分析,建立了滑坡体运动动力学模型,涌浪波运动采用基于RANS方程的三维数值模型进行模拟,并采用二维水槽实验和Heller水池实验结果对模型进行验证,结果表明:本文所建立的滑坡涌浪三维耦合数值模型可以模拟滑坡体的运动过程,以及涌浪波的生成和传播过程。(2)分析了 3个主要滑坡体运动学参数(动摩擦系数Cn、绕流阻力系数Cd、附加质量系数Cm)对其下滑运动过程及生成涌浪波特性的影响。结果表明:在浅水情况下,滑坡体运动过程对生成涌浪波有较大影响,随着Cn值的增大,滑坡体入水速度减小(弗劳德数减小),生成涌浪波的首波波峰高度减小,且滑坡体入水时间推迟,生成的涌浪波相位滞后。该类滑坡涌浪波研究时需准确预测滑坡体运动过程。在中等水深情况下,入水时刻的滑坡体弗劳德数小于1,表明滑坡体运动速度小于涌浪波传播速度,涌浪波的生成不是直接由滑坡体推动水体形成的。不同Cn值对滑坡体入水速度及后续运动过程有较大影响,不同Cd和Cm取值对滑坡体水下运动过程有一定影响,但这些对涌浪波的首波波峰高度及波形影响较小。滑坡体入水速度及其过程并不是这类涌浪波生成的主要影响因素,在研究该类滑坡涌浪时可以采用简化的滑坡体动力学模型。(3)建立了某水库滑坡涌浪三维模型,分析了滑坡体运动过程、不同初始状态、体积等对生成涌浪波的影响。结果表明:本文28个工况数值模拟生成的涌浪波首波在中等水深到深水波范围内,波浪类型为弱非线性震荡波;随着入水速度的减小,生成的涌浪波相位滞后,首波波高、波形基本相同,与上述结论一致;不同初始状态导致涌浪波的造波过程不同,水上和水中位置的滑坡体下滑会先形成一个波峰,后出现波谷,而水下位置下滑的滑坡体会先形成波谷,后出现波峰;体积对涌浪波的影响较明显,体积越大,生成的涌浪波波高越大。因此,滑坡体运动过程对某水库滑坡生成的涌浪波高基本无影响,不同初始状态和体积对生成的涌浪波波高影响较大。(4)分析了某库区的工程灾害风险。结果表明:对于主河道滑坡体,体积为600万m3时,坝前最大波高为20.5m,最大爬高为16m,高于防浪墙高程12.7m,有漫坝风险,在电站进水口的水面波动范围为-9～21m,在抽蓄进水口处的水面波动范围为-14～21m,严重危害其安全运行;体积为150万m3时,坝前最大波高为3.08m,爬高为3.75m,低于防浪墙高程,无漫坝风险,在电站进水口的水面波动范围为-1.75～0.59m,在抽蓄进水口处的水面波动范围为-2.61～2.24m,影响电站及抽蓄进水口的安全;体积为250万m3时,坝前最大波高为4.28m,爬高为5m,低于防浪墙高程,无漫坝风险,在电站进水口的水面波动范围分别为-1.68～1.56m,在抽蓄进水口处的水面波动范围为-2.16～1.46m,对电站及抽蓄进水口有影响。对于支沟侧滑坡体,体积为300万m3时,坝前最大波高为0.63m,最大爬高为1.25m,无漫坝风险。在抽蓄进水口处,自由水面在库水位以下波动,不会对抽蓄泵站的安全运行产生影响。

关键词：滑坡涌浪入水弗劳德数滑坡体运动过程影响因子数值模拟工程灾害

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