研究滑坡涌浪傳播規(guī)律及其對大壩壽命預(yù)測的模型和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水利工程領(lǐng)域，尤其涉及一種研宄滑坡涌浪傳播規(guī)律及其對大壩壽命 預(yù)測的模型和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在水利工程中，由于全球全球氣候變暖所導(dǎo)致的極端降水情況引起的水庫庫岸滑 坡時有發(fā)生，滑坡入水激起的涌浪容易給航道工程、港口以及水利設(shè)施、附近地區(qū)人民生命 財產(chǎn)等造成較大的地質(zhì)災(zāi)害。大型高速滑坡產(chǎn)生的涌浪不但在河道上下游傳播并造成及時 性傷害，更嚴(yán)重的是涌浪的傳播和迭加有可能會造成洪水、漫壩等水庫失事事故以及航道 堵塞、船舶翻沉等事故。
[0003] 大壩修建后，受到溫度、濕度、荷載等多因素影響，材料性能會劣化，混凝土材料的 強度、剛度及抗力會隨損傷累積而衰減，最終會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的性能和壽命降低，甚至發(fā)生破 壞。如果極端降水引發(fā)洪水，同時若庫區(qū)伴有滑坡發(fā)生，一旦短時間形成的高水位與滑坡涌 浪產(chǎn)生水波耦合疊加，除了可能會引起漫頂事故以外，高速的流動水體和沖擊波還可能對 大壩結(jié)構(gòu)安全造成進一步的動力損害。如果大壩不能承受上述荷載而發(fā)生破壞，后果會不 堪設(shè)想。
[0004] -旦大型水庫蓄水，由于受到水庫高水位及其運行效應(yīng)的影響，庫區(qū)內(nèi)部本身具 有地質(zhì)隱患的斜坡很可能會暴露成災(zāi)，形成大面積的邊坡塌滑和庫水涌浪。2003年7月發(fā) 生在三峽庫區(qū)的千將坪滑坡就是由水庫蓄水誘發(fā)所致，滑坡最高涌浪達到39m，在水庫傳播 達到30km之遠(yuǎn)，造成了大量人員傷亡與財產(chǎn)損失。在庫區(qū)發(fā)生滑坡時，巨大山體在短時間 內(nèi)高速滑入水中，將會激起巨大的涌浪和爬高，從而會毀壞船只，造成人員傷亡，還可能擊 毀各種建筑物。這在國內(nèi)外已經(jīng)有許多先例。
[0005] 目前國內(nèi)外對庫區(qū)滑坡涌浪形成的機理和預(yù)防大壩損傷以及延長大壩壽命措施 的研宄不在少數(shù)，但是在傳統(tǒng)滑坡模型中更多的是將滑坡體視為剛體，沒有考慮滑坡體，水 體，氣體之間相互作用的問題，在研宄滑坡涌浪父方面也多集中在自由河道來探討滑坡入 水后水波在自由平直河道內(nèi)的沿程傳播問題而沒有研宄一端相對封閉（下游大壩），一端 相對自由的彎曲河道涌浪傳播問題，更沒有研宄涌浪受不規(guī)則邊界約束來回隨機振蕩和涌 浪對大壩的沖擊反射問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種研宄滑坡涌浪傳播規(guī)律及其對大壩壽命預(yù)測的模型和方法，旨 在解決目前國內(nèi)外許多專家通過理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬方法對滑坡涌浪開展了研 宄，但更多集中在涌浪本身，缺乏對滑坡入水形成的巨大涌浪在河道中傳播特性及其對大 壩沖擊損傷破壞及壽命預(yù)測進行系統(tǒng)研宄的問題。 本發(fā)明的目的在于提供一種研宄滑坡涌浪傳播規(guī)律及其對大壩壽命預(yù)測的方法包括 以下步驟： 1) 實測滑坡現(xiàn)場得到滑坡體的形狀和質(zhì)量m、密度P、粘度Tl物理參數(shù)； 2) 收集的滑坡現(xiàn)場空氣、水體的密度P、粘度η以及擴散系數(shù)K ; 3) 通過N- S方程和Euler方程的交替迭代求解方式，建立滑坡涌浪計算模型，求解 方法如下： Α)在N- S方程水波模型求解中，將滑坡體質(zhì)量m、密度P、粘度τι物理參數(shù)及滑坡現(xiàn) 場空氣、水體的密度P、粘度η以及擴散系數(shù)K代入公式得到速度場分布，通過計算濃度場 的對流方程得到濃度場分布規(guī)律； Β)利用質(zhì)量守恒系數(shù)和自由表面光滑系數(shù)校正Α)中濃度場分布規(guī)律，由濃度場分布 規(guī)律和滑坡現(xiàn)場空氣、水體的密度、粘度重新構(gòu)建N- S方程中密度和粘度系數(shù)，從而實現(xiàn) N- S方程水波隨著時間逐漸演化傳播特點； C)在N- S方程水波模型求解基礎(chǔ)上，結(jié)合河道水位變化特點，充分考慮滑坡體與水體 接觸面粘滯性的特點，忽略滑坡體內(nèi)部材料的相互作用，將滑坡體視作一種流體與水體、氣 體組成的三相非定常流，在靠近滑坡體與水體附近區(qū)域直接采用N- S方程求解，而遠(yuǎn)離滑 坡體區(qū)域則采用Euler方程模擬整體流場，從而構(gòu)建出了一種滑坡涌浪計算模型； 4) 滑坡涌浪計算模型中，在N- S水波模型基礎(chǔ)上，引入滑坡體濃度控制方程以及三者 組分控制方程，，計算過程與N- S水波模型類似，流體表面的跟蹤依據(jù)水體、空氣濃度場變 化確定； 5) 驗證，具體步驟如下； Ε)收集實驗室的空氣、水體的密度P、粘度η以及擴散系數(shù)K ; F) 在實驗室內(nèi)測定不同類型滑坡體的質(zhì)量m、摩擦參數(shù)μ、滑坡體在滑槽開始滑動的 位置和滑槽末端之間的距離，可以求出滑坡體在恰好入水那一刻的速度V，進而求出沿水槽 方向即X方向速度V ; G) 記錄不同滑坡體以不同滑速在不同水槽中入水過程的水波傳播規(guī)律，包括涌浪波 形、波尚、傳遞時間； Η)繪出不同滑坡體以不同滑速形成的波形時域圖、波高時域圖，從而得到不同坡角和 形態(tài)滑坡體入水后涌浪過程及最大涌浪高，并測定出涌浪在平直河道和彎曲河道的傳播規(guī) 律； I)收集壩體模型、水槽模型中不同滑坡體以不同滑速在不同水位下水波沖擊的壓力作 用時間歷程，從而繪制出壓力時間歷程圖和應(yīng)力時間歷程圖。 進一步講，在所述的I)步驟中，水槽模型的寬度、高度、及側(cè)壁的曲線能任意改變。 進一步講，依據(jù)G)步驟中涌浪波形、波高、傳遞時間特點和I)步驟中壩體模型、水槽模 型壓力隨時間變化值，結(jié)合能量守恒定律，揭示沖擊波在類似半無限長彎曲河道傳播過程 及隨機振蕩特性，從而推求涌浪沖擊波分布概率密度函數(shù)和探尋能量轉(zhuǎn)換機理。 還可以，利用涌浪沖擊波分布概率密度函數(shù)，將壩體表面反射和受力邊界，引入損傷邊 界面來考慮壩體模型損傷效應(yīng)，通過損傷邊界和損傷效應(yīng)函數(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)從初始局部損傷到 整體失穩(wěn)全過程的研宄，從而建立不同大壩抗沖擊損傷開裂的三維仿真模型。 還可以，通過大壩抗沖擊損傷開裂三維仿真模型和涌浪波形、波高、傳遞時間特點，對 大壩在不同沖擊波作用下的力學(xué)特性和損傷機理開展研宄，以達到實時預(yù)測大壩壽命和評 價結(jié)構(gòu)整體安全的目的。 一種研宄滑坡涌浪傳播規(guī)律及其對大壩壽命預(yù)測的模型包括引水部件、水槽模型、壩 體模型，引水部件設(shè)在水槽模型的一端，壩體模型設(shè)在水槽模型的另一端，引水部件將水以 不同的速度引入水槽模型，壩體模型阻斷水槽模型水的流動。 本發(fā)明提供的研宄滑坡涌浪傳播規(guī)律及其對大壩壽命預(yù)測的模型和方法，根據(jù)極端降 水氣象資料，利用統(tǒng)計學(xué)與水文學(xué)知識，收集流域水文、地理以及防洪影響資料，通過N- S 方程水波模型求解算法，實現(xiàn)N- S方程水波隨著時間逐漸演變傳播特點，在考慮滑坡體的 物質(zhì)組成、形狀、物理參數(shù)及其運動狀態(tài)的前提下，建立一種滑坡涌浪計算模型，通過該模 型從而得到滑坡涌浪在河道中傳播演化過程和滑坡涌浪產(chǎn)生機理及傳播規(guī)律，然后通過建 立多種不同河道和不同大壩模型，解決了室內(nèi)庫區(qū)滑坡涌浪的模擬實驗技術(shù)，利用試驗得 到源數(shù)據(jù)，從而得到不同坡角和形態(tài)滑坡體入水后涌浪過程及最大涌浪高，并測定出涌浪 在平直河道和彎曲河道的傳播規(guī)律，從而來證實滑坡涌浪計算模型的準(zhǔn)確性、合理性和普 適性，根據(jù)涌浪傳播特點和傳感器測試壓力隨時間變化值，結(jié)合能量守恒定律，推求涌浪沖 擊波分布概率密度函數(shù)和探尋能量轉(zhuǎn)換機理，建立混凝土大壩抗沖擊損傷開裂三維仿真模 型，從而達到實時預(yù)測壽命和評價結(jié)構(gòu)整體安全的目的。 本發(fā)明的有益效果是將滑坡體看成了一種流體，與周邊水體、氣體組成三相非定長流， 結(jié)合數(shù)值模擬和室內(nèi)滑坡涌浪模型試驗，利用相關(guān)儀器采集數(shù)據(jù)，通過涌浪模型的多種對 比試驗分析和論證，并引入損失邊界面來考慮大壩損傷效應(yīng)，從定性和定量的角度不僅揭 示了滑坡涌浪的傳播規(guī)律，還研宄了涌浪在河流中波動二重性對大壩的損傷累積效應(yīng)，從 而達到研宄大壩損傷和實時預(yù)測大壩剩余壽命的目的，克服了傳統(tǒng)大壩損失研宄方法過多 集中在壩體材料本身和現(xiàn)有技術(shù)在進行涌浪模型計算多集中在自由河道，不利于自然、真 實地反映涌浪傳播對大壩影響的缺點，能夠從多種角度精確、合理地獲得滑坡涌浪對大壩 的各種影響因素，結(jié)構(gòu)簡單，實用。 【附圖說明】 圖1是研宄滑坡涌浪傳播規(guī)律及其對大壩壽命預(yù)測模型頂視圖。 圖2是研宄滑坡涌浪傳播規(guī)律及其對大壩壽命預(yù)測模型主視圖。 圖3是圖2的A-A斷面視圖。 圖4是研宄滑坡涌浪傳播規(guī)律及其對大壩壽命預(yù)測模型河道優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是圖4的B-B斷面視圖。 圖6是研宄滑坡涌浪傳播規(guī)律及其對大壩壽命預(yù)測方法的流程圖。 圖中：1、小車滑動裝置；2、直河道水槽；3、彎曲河道水槽；4、鋼架；5、滑動板；6、繩子； 7、角鋼；8、有機玻璃；9、混凝土重力壩；12、高速攝影機；13、浪高儀；14、水位測針；15、堆 料場；16、儀器臺；17、1#壓力傳感器；18、2#壓力傳感器。 【具體實施方式】 如圖1、4、5中，一種研宄滑坡涌浪傳播規(guī)律及其對大壩壽命預(yù)測的模型包括引水部 件、水槽模型、壩體模型，引水部件為小車滑動裝置1，水槽模型為直河道水槽2或者彎曲河 道水槽3,壩體模型為混凝土重力壩9 (也可以是混凝土雙曲拱壩或碾壓土石壩），小車滑動 裝置1設(shè)在直河道水槽2或者彎曲河道水槽3的一端，設(shè)在水槽模型的另一端，引水部件將 水以不同的速度引入水槽模型，壩體模型阻斷水槽模型水的流動。 小車滑動裝置1表面為塑料，內(nèi)部是用焊接在所述小車車輪上的鋼架組成，鋼架長 I. 00m，寬0· 80m，高0· 80m，然后在其位置上方有一個焊接的鋼架4并距滑動板5末端三分 之一距離處，用一根