滑坡涌浪預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法綜述

馬鑫磊,任光明,夏 敏

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

滑坡涌浪預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法綜述

馬鑫磊,任光明,夏 敏

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

鑒于滑坡涌浪是一個(gè)涉及滑坡動(dòng)力學(xué)、巖土力學(xué)及流體力學(xué)等多學(xué)科的復(fù)雜流固耦合問(wèn)題,且具有重要的地質(zhì)災(zāi)害研究?jī)r(jià)值,在收集整理國(guó)內(nèi)外20個(gè)典型滑坡涌浪資料、歸納大量國(guó)內(nèi)外滑坡涌浪預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上,將滑坡涌浪的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法分為四類:經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值分析法、物理模擬法和其他研究方法,針對(duì)各類方法的適用性與優(yōu)缺點(diǎn)展開(kāi)討論與評(píng)析。根據(jù)滑坡涌浪各種預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法的研究現(xiàn)狀、局限性以及發(fā)展趨勢(shì),提出未來(lái)滑坡涌浪研究的幾點(diǎn)展望。

滑坡涌浪;預(yù)測(cè)方法;滑速;初始涌浪高度;綜述

滑坡涌浪主要是指邊坡巖土體突然滑動(dòng),并與水體相互作用而激起的波浪。在海岸沿線,水下滑坡是產(chǎn)生海嘯的第二大誘因, 其產(chǎn)生的破壞強(qiáng)度有時(shí)甚至超過(guò)地震誘發(fā)的海嘯[1]。對(duì)于河流、湖泊地帶,大型滑坡涌入水中必將嚴(yán)重威脅過(guò)往船只的航運(yùn)安全。隨著水利水電工程的修建,研究人員越來(lái)越重視庫(kù)岸邊坡的安全穩(wěn)定。首先,水庫(kù)的修建必然會(huì)對(duì)庫(kù)周自然邊坡進(jìn)行人工再造,導(dǎo)致自然地質(zhì)條件和應(yīng)力場(chǎng)的變化,容易引發(fā)巖土體的變形破壞;其次,庫(kù)水對(duì)現(xiàn)有松動(dòng)體、滑坡體和崩塌體有浸潤(rùn)軟化和浮托作用[2],同時(shí),水位的升降更易促使巖土體發(fā)生失穩(wěn),而一旦巨型滑坡甚至滑坡群高速滑入庫(kù)內(nèi),必將產(chǎn)生巨大的涌浪,引起嚴(yán)重問(wèn)題,如威脅航運(yùn)船只,導(dǎo)致停航禁航;破壞庫(kù)周水工建筑物,導(dǎo)致壩體潰決,沖毀下游農(nóng)田、民房、鐵路、公路,威脅城鎮(zhèn)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全等。因此,研究滑坡涌浪問(wèn)題具有重要的工程指導(dǎo)意義,但滑坡涌浪是一個(gè)涉及滑坡動(dòng)力學(xué)、巖土力學(xué)及流體力學(xué)等多學(xué)科的復(fù)雜流固耦合問(wèn)題[3],目前該課題仍有若干問(wèn)題亟待解決。本文在對(duì)前人研究成果進(jìn)行評(píng)述的基礎(chǔ)上,闡述該課題研究中存在的問(wèn)題和今后的發(fā)展方向。

1 滑坡涌浪工程實(shí)例

滑坡涌浪是近水滑坡所引發(fā)的重要地質(zhì)災(zāi)害之一,1671年,秘魯瓊加某湖泊發(fā)生滑坡,體積約為1.0×105m3,造成400～600人死亡;1961年3月,中國(guó)柘溪水庫(kù)發(fā)生了塘巖光滑坡,涌浪高度達(dá)21 m,造成水工建筑的大面積損毀,并導(dǎo)致40余人死亡;1963年,震動(dòng)水利工程界的著名意大利瓦伊昂滑坡,體積達(dá)2.4億m3,激起超過(guò)250 m的巨大涌浪,造成下游大面積洪水泛濫,死亡人數(shù)約3 000人;1985年6月12日,中國(guó)湖北新灘滑坡約3.0×107m3巖土體涌入長(zhǎng)江,滑坡對(duì)岸涌浪爬高約49 m,由于監(jiān)測(cè)預(yù)警及時(shí),僅造成部分船只受損,死亡9人。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外20個(gè)典型滑坡涌浪資料[4-6](表1),可以很直觀地了解到滑坡涌浪造成的巨大危害?；掠坷伺c其坡體形態(tài)結(jié)構(gòu)、滑坡體積、破壞模式、滑帶特性,以及水域類型、水深、水域地形等許多因素都有關(guān)系。因此,在計(jì)算和預(yù)測(cè)滑坡涌浪時(shí)很難精確選取初始條件、邊界條件和傳播模型等,現(xiàn)多采用數(shù)學(xué)方法預(yù)先對(duì)影響因素進(jìn)行敏感性和關(guān)聯(lián)性分析,以確定影響大小,進(jìn)而獲得相對(duì)精確的滑坡涌浪計(jì)算方法。

表1 國(guó)內(nèi)外典型滑坡涌浪事故

2 滑坡涌浪的預(yù)測(cè)方法

多年來(lái),在研究人員的不斷努力下,滑坡涌浪計(jì)算和預(yù)測(cè)方法已經(jīng)取得了較大突破,但由于滑坡涌浪形成與傳播的物理力學(xué)過(guò)程復(fù)雜,進(jìn)展仍相對(duì)緩慢。經(jīng)查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),涌浪的研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值分析法、物理模擬法,以及其他研究方法等,下面就這四大類預(yù)測(cè)方法進(jìn)行分析論述。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

滑坡涌浪的形成過(guò)程可分為3個(gè)階段,即涌浪的形成、傳播以及爬高。滑坡涌浪高度主要取決于滑坡的規(guī)模和滑坡入水速度(滑速),因此,準(zhǔn)確、科學(xué)地計(jì)算滑速成為滑坡涌浪研究的先決條件,但在研究方法上,滑速的計(jì)算與涌浪高度的估算存在一定的差異,前者屬于地質(zhì)力學(xué)范疇,后者則與流體動(dòng)力學(xué)緊密相關(guān)。

2.1.1 滑速和初始涌浪高度預(yù)測(cè)

a. 滑速。影響滑速的因素眾多,如滑坡失穩(wěn)機(jī)制、坡度、滑動(dòng)方向、滑帶力學(xué)特性、水阻力、空氣阻力、水位、地震加速度等。目前常用的幾種滑速計(jì)算方法有能量法、潘家錚法(條分法)、謝德格爾法、科內(nèi)爾法、美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦公式法等。能量法是從能量守恒的角度計(jì)算滑速,避免了滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性,但計(jì)算過(guò)程中忽略了變形能和水的阻力;潘家錚法對(duì)滑體進(jìn)行垂直條分進(jìn)而求出條塊滑速,能夠相對(duì)真實(shí)地反映坡體形態(tài),但只能靜態(tài)地求解滑塊的水平加速度而沒(méi)有考慮滑體運(yùn)動(dòng)軌跡的變化;謝德格爾法基于體積效應(yīng),建立摩擦因數(shù)與滑坡體積的關(guān)系式,然后根據(jù)能量守恒定律求得滑速,因此較適用于滑動(dòng)面有一定傾斜角度的滑坡;科內(nèi)爾法是在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上,考慮摩擦阻力與水體的影響后計(jì)算滑速,該方法較適用于松散滑體甚至是碎屑流;美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)推薦公式法是在運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上求解滑體落于半無(wú)限水體的速度。以上方法已相對(duì)成熟,但由于均需基于一定的假設(shè)條件,導(dǎo)致其適用性具有一定的局限性,因此,后人在其基礎(chǔ)上針對(duì)不同工程實(shí)例,對(duì)滑速計(jì)算公式、方法、手段等進(jìn)行了修正和改進(jìn)。

平推式滑坡多由暴雨和地震觸發(fā)失穩(wěn),因此計(jì)算此兩類滑坡滑速需重點(diǎn)考慮靜水壓力、揚(yáng)壓力及地震的影響。劉貴榮等[7]根據(jù)能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律,在后緣水頭推力和滑移面揚(yáng)壓力作用下,推導(dǎo)出平推式滑坡在暴雨條件下的滑速計(jì)算公式。同時(shí)從滑面摩擦因數(shù)和水平作用力的角度,分別根據(jù)能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律計(jì)算地震作用下的滑速,但以動(dòng)量守恒定律計(jì)算時(shí),較難取得準(zhǔn)確的地震作用時(shí)間。秦云等[8]為了使滑速計(jì)算更為準(zhǔn)確、直觀,采用不連續(xù)變形分析方法(DDA)清楚地模擬、再現(xiàn)了滑坡失穩(wěn)的全過(guò)程,得到了與潘家錚法基本吻合的滑動(dòng)速度,是一種較為有效的滑速預(yù)測(cè)方法。

通過(guò)進(jìn)一步的研究,科學(xué)人員認(rèn)為實(shí)際工程中水體阻力對(duì)滑速的影響相對(duì)較大,代云霞等[9]基于此對(duì)前人提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正,并且通過(guò)對(duì)秭歸縣下土嶺滑坡實(shí)例的分析,較直觀地反映了考慮水阻力前后的滑坡滑動(dòng)加速度、速度的變化規(guī)律;汪洋等[10]針對(duì)涉水滑坡問(wèn)題,根據(jù)水下塊體的運(yùn)動(dòng)阻力試驗(yàn),結(jié)合潘家錚法,在動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上求得沿曲線滑動(dòng)的涉水滑坡的滑動(dòng)速度公式,為涉水滑坡滑速計(jì)算提供依據(jù)。

b. 初始涌浪高度。初始涌浪高度的確定對(duì)滑坡涌浪研究至關(guān)重要,要想獲得相對(duì)精確的解析解,就得盡量通過(guò)假設(shè)和限定求得相對(duì)準(zhǔn)確的初始、邊界條件。

早在1970年Noda[11]就首先假設(shè)滑體為剛體,根據(jù)能量法求得滑速,隨后在單向流的研究基礎(chǔ)上,假設(shè)水體半無(wú)限長(zhǎng),物理模擬了滑坡水平和垂直滑入水中兩種極端模式,推導(dǎo)出滑坡入水時(shí)初始涌浪高度與水深和滑速之間的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。使用能量法計(jì)算滑速簡(jiǎn)化了滑坡運(yùn)動(dòng)的中間過(guò)程,也避免了周圍邊界條件和滑坡內(nèi)部相互作用所產(chǎn)生的干擾,但由于其假設(shè)條件過(guò)于理想化,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大。

潘家錚[12]在Noda法的基礎(chǔ)上求得位于平行陡壁的滑坡入水速度,并通過(guò)引入時(shí)間演化概念,在波的反射與疊加基礎(chǔ)上求得初始涌浪高度,這與Noda法相比,能夠相對(duì)較好地反映坡體形態(tài),因此計(jì)算結(jié)果趨于精確。

但以上方法對(duì)水體阻力考慮不足,汪洋等[13]應(yīng)用潘家錚法,在塊體水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中較好地考慮了流場(chǎng)阻力和表面摩擦力,從而使滑坡涌浪高度的計(jì)算結(jié)果更加精確,并且根據(jù)新灘滑坡涌浪實(shí)例的計(jì)算結(jié)果得出滑坡掀起的涌浪高度基本呈先增大后減小的規(guī)律。通過(guò)進(jìn)一步研究,汪洋等[14]提出了體積涌浪和沖積涌浪(考慮流體阻力)的概念,并分別依據(jù)體積守恒定律和牛頓定律求得涌浪高度,最后利用疊加法獲得初始涌浪高度。由于汪洋考慮了水下的能量耗散,更好地限制了邊界條件,這使涌浪計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更為相符。王世梅等[15]通過(guò)理論驗(yàn)證認(rèn)為,只有滑動(dòng)入水的滑體部分才會(huì)對(duì)滑坡涌浪有貢獻(xiàn),并以陳家大院滑坡為例,修正了其重心高度,即僅考慮水上滑體重心與水面的距離,提高了Noda法的計(jì)算精度。代云霞等[16]根據(jù)已有的潘家錚法和體積守恒定律對(duì)重慶市內(nèi)某一山體崩塌所引發(fā)的涌浪問(wèn)題進(jìn)行研究,主要對(duì)初始涌浪高度、爬坡浪高及傳播浪高進(jìn)行擬合。

2.1.2 涌浪傳播與爬坡高度預(yù)測(cè)

涌浪的傳播和爬坡涉及復(fù)雜的流體波動(dòng)問(wèn)題,包括水體的自身波動(dòng)、疊加、傳播和衰減。依據(jù)線性波理論,潘家錚[12]假設(shè)岸線為平行陡壁,計(jì)算隨傳播距離而變化的波浪高度,即通過(guò)對(duì)失穩(wěn)體對(duì)岸任一點(diǎn)波高和反射波高的疊加求得浪高,計(jì)算過(guò)程中忽略了能量損失和邊界非線性。哈秋舲等[17]在潘家錚法的基礎(chǔ)上將相位差概念引入到滑坡涌浪的計(jì)算中,更好地考慮了前進(jìn)波和反射波在傳播過(guò)程中的時(shí)間差,從而使該方法能夠更為準(zhǔn)確地計(jì)算前緣寬度較大、地形復(fù)雜的滑坡涌浪高度。

基于非線性波理論,李未等[18]通過(guò)分析沖擊波和稀疏波的性質(zhì)得到流速-水深曲線,并根據(jù)淺水波控制方程和空間位置坐標(biāo),得出擊波和稀疏波的相互作用關(guān)系,從而計(jì)算水平勻速滑坡的涌浪生成與傳播過(guò)程,但到目前為止,該方法仍停留在簡(jiǎn)單的理論研究上,只針對(duì)簡(jiǎn)化的河床約束條件,且只能計(jì)算模擬一維河道模型。汪洋等[19-21]根據(jù)明渠非恒定流的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程得出涌浪的衰減規(guī)律和疊加傳播規(guī)律,并以新灘滑坡為例,首先計(jì)算研究了滑坡涌浪的全過(guò)程,探討了滑坡涌浪的影響因素;結(jié)合水動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)理論,分急劇衰減和緩慢衰減2個(gè)階段來(lái)考慮涌浪傳播過(guò)程,并認(rèn)為急劇衰減階段呈指數(shù)衰減,而緩慢衰減階段主要受明槽水流的沿程水頭損失影響,最后,根據(jù)斜坡坡角和爬坡方位角等因素給出涌浪爬坡系數(shù)關(guān)系式。殷坤龍等[22]對(duì)汪洋等[19-21]提出的方法進(jìn)行了深入的探討,并以該方法為基礎(chǔ),計(jì)算、分析了清江水布埡庫(kù)區(qū)大堰塘滑坡涌浪的全過(guò)程,與實(shí)際調(diào)查和監(jiān)測(cè)結(jié)果擬合較好,是一次較為成功的工程應(yīng)用。

2.2 數(shù)值分析法

滑坡涌浪是以滑坡入水點(diǎn)為圓心,波浪向四周推進(jìn),并經(jīng)過(guò)反射、干涉疊加不斷形變,從而構(gòu)成不穩(wěn)定流狀態(tài),為簡(jiǎn)化計(jì)算,研究人員常將其假設(shè)為單向流問(wèn)題,并通過(guò)圣維南原理進(jìn)行邊界限制,進(jìn)而得到基本求解方程[12]。

周劍華[23]應(yīng)用一維數(shù)學(xué)模型、二維數(shù)學(xué)模型及混合數(shù)學(xué)模型,基于經(jīng)典的圣維南原理,利用有限差分法對(duì)水庫(kù)滑坡涌浪災(zāi)害進(jìn)行數(shù)值模擬。袁銀忠等[24]采用線性函數(shù)插值法進(jìn)行方程離散,采用有限單元法對(duì)滑坡涌浪方程進(jìn)行求解。嚴(yán)駿龍[25]從非恒定流方程出發(fā)建立數(shù)值模型,并利用有限元法離散求解滑坡涌浪。姜治兵等[26]在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)滑坡的產(chǎn)生和傳播進(jìn)行探討,通過(guò)建立水深積分方程,利用非規(guī)則網(wǎng)格有限體積法模擬滑坡涌浪過(guò)程,研究認(rèn)為在數(shù)值模擬計(jì)算中,不僅需要考慮滑坡體的體積守恒(即對(duì)水體的侵占效應(yīng)),還需要考慮其水平動(dòng)量作用。Liu等[27]基于LES數(shù)值模擬模型,通過(guò)VOF法觀測(cè)自由面和岸線的變形移動(dòng),并結(jié)合模型試驗(yàn)得出楔形體滑入規(guī)則矩形水體引發(fā)的波浪爬壁及回落規(guī)律。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展,基于N-S方程,Tinti等[28]應(yīng)用有限元模型,模擬了一維和二維水下滑坡的能量傳播特征。任坤杰等[29]推導(dǎo)出了適用于滑坡涌浪模擬的弱可壓縮水方程,并在非規(guī)則網(wǎng)格有限體積法和顯式MacCormack法基礎(chǔ)上離散求解,研究發(fā)現(xiàn)采用平面二維和垂面二維數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法可減小能量橫向擴(kuò)散。宋新遠(yuǎn)等[30-32]以Fluent流體計(jì)算軟件為依托,耦合空氣流和水流,根據(jù)N-S方程,以二維非定常分離隱式PISO算法,求解自由面水平速度、自由液面變化以及流場(chǎng)變化。Biscarini[33]利用計(jì)算流體力學(xué),結(jié)合RNGk-ε湍流閉合法通過(guò)Fluent軟件計(jì)算求解N-S方程,模擬了滑坡體沖擊水體激發(fā)涌浪并傳播的全過(guò)程。劉霞等[34]利用Fluent軟件平臺(tái),提出了邊界造波的數(shù)值方法,并成功實(shí)現(xiàn)了二階Stokes波的數(shù)值模擬,能夠很好地模擬弱非線性波浪。在此基礎(chǔ)上,劉霞等[35]采用動(dòng)網(wǎng)格模型模擬了剛性滑塊垂直入水過(guò)程,并可以擴(kuò)展至模擬任意形狀的剛性滑塊自由入水過(guò)程。徐娜娜[36]以新灘滑坡為例,利用Fluent軟件建立二維有限元計(jì)算模型,分析了該滑坡體入水所引起的最大涌浪高度、對(duì)岸最大爬坡高度、不同時(shí)刻的自由液面形態(tài)以及不同時(shí)刻的流場(chǎng)動(dòng)壓力分布。

隨著基礎(chǔ)學(xué)科的不斷進(jìn)步和發(fā)展,一些新型數(shù)值計(jì)算方法逐漸興起。羅超[37]鑒于前人的研究成果,在固定笛卡兒坐標(biāo)系下,以復(fù)雜自由面下非定常、不可壓縮黏性流體的N-S方程為基礎(chǔ),建立多物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩相流模型,并通過(guò)切削網(wǎng)格法、大渦模擬、流體體積法求得物體在水中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),從而精確模擬滑坡涌浪的產(chǎn)生、發(fā)展和傳播過(guò)程。杜小弢等[38]為了解涌浪波動(dòng)過(guò)程,基于無(wú)網(wǎng)格劃分的SPH法建立了滑坡涌浪數(shù)值模型,該模型適用于求解波浪的大變形及破碎過(guò)程,且避免了繁瑣的單元?jiǎng)澐?。袁晶等[39]采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)建立了可變網(wǎng)格下的平面二維水庫(kù)滑坡涌浪數(shù)值模型,該方法模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好,但對(duì)于復(fù)雜的滑體涌浪,由于其形態(tài)不規(guī)則,網(wǎng)格劃分相對(duì)復(fù)雜,因此計(jì)算方程相對(duì)難以建立,求解困難較大。徐文杰[3, 40]基于解決復(fù)雜流體-固體之間相互作用的目的,實(shí)現(xiàn)了滑坡涌浪的CEL算法,并通過(guò)該方法對(duì)滑坡涌浪的多個(gè)影響因素進(jìn)行了探討。

而對(duì)于三維涌浪的危害研究,趙蘭浩等[41]通過(guò)空間三維數(shù)值模擬方法,模擬了土質(zhì)岸坡在地震作用下失穩(wěn)、滑動(dòng)到掀起初始涌浪的全過(guò)程,反映了滑坡體、庫(kù)水以及空氣三者之間的強(qiáng)烈耦合作用,但該方法仍然處于理論研究階段,尚未應(yīng)用于工程實(shí)踐中。徐波等[42-43]利用流體三維有限差分軟件FLOW3D,假設(shè)庫(kù)底為水平面,有效模擬了廣闊庫(kù)水域中滑坡崩落所掀起的涌浪過(guò)程,研究了不同時(shí)刻的自由液面和流場(chǎng)變化,并給出了高度、坡角和塊體體積對(duì)涌浪的影響規(guī)律。周桂云等[44]在淺水控制方程的基礎(chǔ)上,選用直線“V”字形斷面河道,利用數(shù)值模擬方法復(fù)演三維滑坡涌浪的傳播過(guò)程,研究表明涌浪產(chǎn)生后波浪表現(xiàn)為向四周推進(jìn)并不斷衰減,浪高降幅隨傳播距離的增加逐漸變小,在約1.5 km以內(nèi)浪高降幅最明顯。

2.3 物理模擬法

物理模擬法是一種直觀、可靠的涌浪研究手段。依據(jù)不同的角度可分為不同類別:根據(jù)模型精度和規(guī)模可分為簡(jiǎn)化模型試驗(yàn)和原型模型試驗(yàn);根據(jù)失穩(wěn)體的性狀可分為整體(塊體)模型試驗(yàn)和散體模型試驗(yàn);根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康目煞譃轵?yàn)證或預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)涌浪災(zāi)害實(shí)例、總結(jié)歸納試驗(yàn)公式、討論影響因素、研究波浪性態(tài)4個(gè)類別。

簡(jiǎn)化模型試驗(yàn)多用于探究涌浪的影響因素,常對(duì)模型進(jìn)行了較大程度的概化,使其趨于簡(jiǎn)便,從而易于操作,如龐昌俊[45]假定滑坡厚度大于水深,在矩形水槽里進(jìn)行了不同坡度、質(zhì)量、速度的210組二維斜滑坡涌浪試驗(yàn),一定程度上闡明了滑速、水深和滑體下滑坡度對(duì)滑坡涌浪高度的影響;而原型模型試驗(yàn)則是根據(jù)實(shí)際的涌浪災(zāi)害,根據(jù)相似理論按照一定比例盡可能恢復(fù)和重現(xiàn)原地形、失穩(wěn)體形態(tài)、水體流態(tài)、河道形狀等,原型模型試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作相對(duì)復(fù)雜,但最能反映實(shí)際情況。

整體模型試驗(yàn)主要應(yīng)用于研究剛體入水引發(fā)的涌浪問(wèn)題,如代云霞[46]通過(guò)室內(nèi)整體模擬試驗(yàn),分析了滑坡涌浪的形成機(jī)制、傳播規(guī)律以及影響因素的敏感性;而散體模型試驗(yàn)則主要模擬碎裂嚴(yán)重的滑坡、變形體,甚至碎屑流、泥石流等,如Frtiz等[47]通過(guò)大量散體模型試驗(yàn)建立了散體滑坡最大涌浪高度與滑速、厚度、水深等因素的關(guān)系式;任坤杰等[48]利用相似理論,根據(jù)正交試驗(yàn)方法,針對(duì)某散體滑坡設(shè)計(jì)模型試驗(yàn),對(duì)不同滑坡體體積、落差、受納水體水深、滑動(dòng)面傾角、散體粒徑等因素進(jìn)行滑坡涌浪研究,通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn),散體滑坡初始涌浪高度的主要影響因素依次為滑坡體體積、滑動(dòng)面傾角、散體粒徑、受納水體水深、落差,通過(guò)進(jìn)一步的量綱分析和回歸分析給出了散體滑坡體的初始涌浪高度經(jīng)驗(yàn)公式。為了更好地說(shuō)明滑坡體形態(tài)對(duì)涌浪的影響,以及整體模型和散體模型模擬結(jié)果的差異,葉耀琪[49]和吳佳壕[50]根據(jù)相似理論,采用這兩種模型分別模擬了小浪底水庫(kù)近壩址區(qū)滑坡和小灣水電荒田滑坡所產(chǎn)生的滑坡涌浪情況,結(jié)果表明針對(duì)同一失穩(wěn)滑體,散體模型在模擬過(guò)程中將增大滑體入水形態(tài)寬度,致使散體模型涌浪高度大于整體模型涌浪高度;任坤杰等[51]以某水庫(kù)滑坡為工程背景,對(duì)整體滑坡和散體滑坡的初始涌浪形態(tài)及其控制性因素進(jìn)行研究,分別給出了整體滑坡體和散體滑坡體的初始涌浪高度經(jīng)驗(yàn)公式。

從試驗(yàn)?zāi)康膩?lái)看,驗(yàn)證或預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)涌浪災(zāi)害實(shí)例類所占比例最大,其次分別為總結(jié)歸納試驗(yàn)公式類、討論影響因素類和研究波浪性態(tài)類,單純的以討論影響因素和研究波浪性態(tài)為目的的研究成果較少[51-52]。

驗(yàn)證或預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)涌浪災(zāi)害實(shí)例,即針對(duì)某一具體工程,依據(jù)原型模型試驗(yàn)?zāi)M再現(xiàn)其災(zāi)害全過(guò)程,從而對(duì)涌浪高度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn),對(duì)已提出的公式進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)已發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行擬合，對(duì)未發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。如陶孝銓[53]通過(guò)建立1∶220的李家峽Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)滑坡體物理模型,觀測(cè)了滑坡對(duì)岸涌浪高度、對(duì)岸水浪爬高、壩前涌浪高度、涌浪波對(duì)壩體產(chǎn)生的推力、涌浪翻越壩頂水量。余仁福[54]建立1∶500的龍羊峽水庫(kù)近壩段滑坡涌浪模型,模擬滑坡涌浪的災(zāi)害過(guò)程,得到生活區(qū)涌浪爬坡高程,并結(jié)合監(jiān)測(cè)資料建立未來(lái)滑坡的破壞預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。趙根等[55]通過(guò)1∶ 100 的圍堰傾倒模型試驗(yàn),測(cè)得了圍堰傾倒時(shí)的涌浪特性、傳播規(guī)律,并預(yù)測(cè)了圍堰爆破時(shí)將產(chǎn)生的涌浪高度。王育林等[56]以長(zhǎng)江鏈子崖滑坡為例,評(píng)估了危巖體崩滑對(duì)航道的影響,發(fā)現(xiàn)滑坡涌浪高度將隨流量、滑體入江體積和滑速的不同而變化,同時(shí)受到流速、地形和河道形狀的影響。RISIO等[57]建立了三維滑坡涌浪物理模型,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)波浪總是先出現(xiàn)波峰后出現(xiàn)波谷,且波峰波動(dòng)范圍小于波谷,而最大浪高往往出現(xiàn)在第2個(gè)或第3個(gè)波。胡小衛(wèi)[58]以三峽工程庫(kù)區(qū)某滑坡為例,在相似理論的基礎(chǔ)上建立物理模型,研究山區(qū)河道型水庫(kù)滑坡特性,不足之處在于模型精度不高,是在統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上指定滑體形態(tài),并假定河流為靜水、河道為矩形。黃錦林[59]根據(jù)相似理論對(duì)鵝公帶古滑坡體激起的涌浪過(guò)程進(jìn)行了物理模擬,提出對(duì)于庫(kù)容較小的狹長(zhǎng)河道型水庫(kù)(河谷截面為“V”字形),滑體入水引發(fā)的涌浪主要由體積涌浪和沖擊涌浪兩部分組成,且體積涌浪所占比例更大,同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)滑速相同時(shí),水位相對(duì)較低的正常蓄水位所激起的涌浪高于設(shè)計(jì)洪水位;而當(dāng)水位一定時(shí),涌浪高度隨滑速的增大而增大,而增幅卻隨水位的增加而降低。黃智敏等[60]通過(guò)三維物理模擬法模擬了樂(lè)昌峽庫(kù)區(qū)松山子滑坡涌浪,為災(zāi)害評(píng)價(jià)和工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。殷坤龍等[61]建立1∶200的大型三維物理模型,預(yù)測(cè)研究白水河滑坡涌浪災(zāi)害的形成及傳播衰減過(guò)程,提出了最大首浪的概念,即認(rèn)為攜帶能量最強(qiáng)、危害性最大的沿滑坡體滑動(dòng)方向傳播的涌浪才為最大首浪,同時(shí)提出計(jì)算該滑坡最大首浪高度、對(duì)岸爬坡浪、沿程傳播浪的經(jīng)驗(yàn)公式。Huang等[62]根據(jù)弗勞德準(zhǔn)則,建立1∶200龔家方滑坡物理模型,認(rèn)為滑體到達(dá)水面即表現(xiàn)為巖石碎屑流,同時(shí)選取4個(gè)水位高度進(jìn)行模擬試驗(yàn),為人們了解碎屑巖體突然失穩(wěn)掀起的涌浪災(zāi)害提供依據(jù)。

總結(jié)歸納試驗(yàn)公式需基于大量模型試驗(yàn)或典型案例進(jìn)行整理和研究,早在1970年Kamphuis等[63]就建立了穩(wěn)定浪高與滑坡體積和弗勞德數(shù)間的無(wú)量綱關(guān)系式,且認(rèn)為涌浪的最大高度為初始涌浪,浪高達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間很短,之后浪高呈指數(shù)降低,傳播速度基本符合孤立波理論。黃種為等[64]通過(guò)碧口、費(fèi)爾澤、利貝壩等的涌浪試驗(yàn)資料和柘溪工程觀測(cè),給出了涌浪高度與滑坡滑速和滑體體積的模擬試驗(yàn)公式。Ataie-Ashtiani等[65]在考慮滑坡多種影響因素敏感性的前提下,由120組模型試驗(yàn)得出涌浪計(jì)算公式。Panizzo等[66]通過(guò)288次三維物理模擬試驗(yàn),根據(jù)量綱分析法得出滑坡涌浪的最大涌浪高度、涌浪周期以及平面斜坡爬壁高度的經(jīng)驗(yàn)公式。

2.4 其他研究方法

為了解決有限元法不易計(jì)算求解的問(wèn)題,劉建秀[67]模擬了滑坡附近的線性波,建立了由樣條邊界元和不可壓縮流體的N-S運(yùn)動(dòng)方程所組成的解析方程組,并通過(guò)對(duì)邊界元的離散進(jìn)行求解,從而得到速度勢(shì),該方法適用于解決流體邊界層問(wèn)題,但無(wú)法解析求得非線性或復(fù)雜邊界條件下的涌浪高度。郭洪巍等[68]同樣應(yīng)用N-S方程,從數(shù)學(xué)模型的角度對(duì)水庫(kù)滑坡涌浪問(wèn)題進(jìn)行分析,通過(guò)滑坡體模型和水流子模型模擬水庫(kù)滑坡涌浪的發(fā)生、發(fā)展和衰減全過(guò)程,滑坡體段采用質(zhì)心理論,水體呈靜水壓強(qiáng)分布且忽略垂向運(yùn)動(dòng)。為了使涌浪研究更為快捷,王延平[69]應(yīng)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù),以ATL技術(shù)為基礎(chǔ),根據(jù)相應(yīng)計(jì)算公式,自主開(kāi)發(fā)計(jì)算軟件,共包括3個(gè)模塊:滑速計(jì)算模塊、初始涌浪計(jì)算模塊,以及波浪傳播的計(jì)算模塊。Huang等[70]應(yīng)用Geowave軟件對(duì)龔家方滑坡失穩(wěn)激起涌浪的全過(guò)程進(jìn)行了模擬研究,其結(jié)果能夠較好地考慮河道等因素的影響,研究發(fā)現(xiàn),該工程涌浪高度沿傳播方向平均每100 m衰減12 m,而當(dāng)河道突然變寬時(shí),波浪衰減強(qiáng)烈;Seo等[71]基于完整線性波動(dòng)方程或線性淺水方程,通過(guò)數(shù)值積分法和漸進(jìn)法模擬研究了滑坡形態(tài)對(duì)邊界波形成及衰減過(guò)程的影響。

3 涌浪預(yù)測(cè)方法討論

a. 經(jīng)驗(yàn)公式法是在數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)上,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)與部分物理模擬試驗(yàn)給出的一種簡(jiǎn)單、快捷的涌浪估算方法,公式選取受限于滑坡失穩(wěn)模式和水體形態(tài),而且由于涌浪求解的復(fù)雜性,各計(jì)算方法多需滿足一定的假設(shè)條件。如國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法,多假設(shè)涌浪為單向流,而實(shí)際工程中,除少部分巖土體為垂直崩落,大多失穩(wěn)滑體表現(xiàn)為沿岸線斜向滑動(dòng),而且波浪的波動(dòng)多為動(dòng)態(tài)變化,不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行線性疊加。又如,研究人員多將水域簡(jiǎn)化為規(guī)則體(如矩形等),而實(shí)際河道、庫(kù)區(qū)等多為不規(guī)則體。再如,部分研究人員為了簡(jiǎn)化計(jì)算方程,假設(shè)滑坡涌浪問(wèn)題為二維平面問(wèn)題,忽略了滑坡厚度及規(guī)模等對(duì)滑坡涌浪的影響;也有研究人員引入質(zhì)心概念或剛體概念,將入水巖土體視為一完整塊體,而在實(shí)際過(guò)程中,其往往會(huì)發(fā)生形變甚至碎裂,忽略內(nèi)部參數(shù)的影響將會(huì)對(duì)部分滑坡涌浪的預(yù)測(cè)造成較大誤差。此外,在滑體與水體的作用中,由于流體力學(xué)、巖體力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)的復(fù)雜性,研究過(guò)程中往往對(duì)流體黏滯力等阻力影響因素考慮不足。因而認(rèn)為采用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算涌浪連續(xù)性較差,不能很好地評(píng)價(jià)滑坡失穩(wěn)過(guò)程及波浪后期演化對(duì)涌浪災(zāi)害的影響。

b. 數(shù)值分析法是在數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上逐漸興起的一種靈活、智能的求解方法,該方法耗資少,歷時(shí)短,可重復(fù)性強(qiáng),易于控制,且能較好地再現(xiàn)滑坡涌浪全過(guò)程。早期數(shù)值計(jì)算多是在確定滑坡體規(guī)模和入水速度之后,將復(fù)雜多相流固耦合問(wèn)題簡(jiǎn)化為渠道單向流問(wèn)題,再利用圣維南方程確定邊界條件,從而計(jì)算求得模擬結(jié)果,但是由于其假設(shè)條件過(guò)于理想化,計(jì)算精度往往不高;而隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展,數(shù)值分析法開(kāi)始趨向于計(jì)算求解初始條件和周圍邊界條件的數(shù)學(xué)問(wèn)題,然而由于實(shí)際情況復(fù)雜,研究人員常質(zhì)疑其初始條件和周圍邊界條件的準(zhǔn)確性。因此,目前為止數(shù)值模擬方法多作為一種輔助擬合方法,需要采用其他方法進(jìn)行驗(yàn)證。

c. 物理模擬法多是在相似理論的基礎(chǔ)上,對(duì)滑坡體及水體進(jìn)行按比例的復(fù)原和再現(xiàn),該方法可以直接觀測(cè)波體形態(tài)及整個(gè)滑坡涌浪形成、傳播甚至爬壁過(guò)程,是一種相對(duì)直觀、可靠的研究手段,但是整個(gè)試驗(yàn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng),需要耗費(fèi)大量的人力物力,而且一般模擬試驗(yàn)多是針對(duì)某一案例進(jìn)行復(fù)原模擬,因此只適用于單一案例或現(xiàn)象,通用性差。同時(shí),滑坡涌浪影響因素眾多,如何從模型試驗(yàn)中限定、抽象出變化規(guī)律是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn),而且對(duì)于尺寸效應(yīng)的影響目前尚不明確,因此確定適合比尺也是模型試驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

d. 其他研究方法是研究人員在前人的基礎(chǔ)上提出的一些新型數(shù)學(xué)方法或模擬技術(shù),能夠在一定程度上解決工程實(shí)際問(wèn)題,但目前還沒(méi)有形成一種完整的體系,需要進(jìn)一步探索和研究。

4 結(jié)語(yǔ)及展望

滑坡涌浪是一種次生災(zāi)害,然而其所帶來(lái)的危害卻是巨大的,因此,合理提出一種通用的計(jì)算方法具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。但是,由于該課題是一個(gè)包含地質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)過(guò)程,目前所得研究成果仍不足以全面透徹闡述滑坡涌浪形成、傳播、消散的全部特征及其影響因素,筆者在此依據(jù)滑速涌浪災(zāi)害的研究現(xiàn)狀,對(duì)未來(lái)的研究主要提出以下展望:

a. 研究滑坡失穩(wěn)機(jī)理及破壞模式對(duì)滑坡涌浪的影響。從滑坡失穩(wěn)破壞、加速運(yùn)動(dòng)到入水形成波浪及傳播,滑坡涌浪是一個(gè)與時(shí)間、空間有關(guān)的連續(xù)性問(wèn)題,因此,對(duì)于滑坡涌浪的研究應(yīng)該首先從滑坡的失穩(wěn)機(jī)理以及破壞模式開(kāi)始,并考慮依據(jù)滑坡運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、變性特征及速率、滑面形態(tài)等來(lái)區(qū)別研究滑坡涌浪的計(jì)算方法;其次,根據(jù)滑坡演化形式、可入水方量、入水區(qū)域等,建立滑坡涌浪災(zāi)害影響范圍評(píng)估預(yù)警系統(tǒng),為災(zāi)害評(píng)價(jià)提供初始判據(jù),將突發(fā)災(zāi)害轉(zhuǎn)化成一種可由現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)定性預(yù)估的可遇見(jiàn)性災(zāi)害。

b. 明確各影響因素與滑坡涌浪的相關(guān)性,建立修正計(jì)算方程?；掠坷说挠绊懸蛩乇姸?因此,確定各因素與滑坡涌浪高度之間的影響程度至關(guān)重要,這有利于完善滑坡涌浪高度的計(jì)算公式,促使計(jì)算更加準(zhǔn)確;同時(shí)在精度允許的情況下,根據(jù)各影響因素的相關(guān)性來(lái)簡(jiǎn)化模型,從而迅速求解?；掠坷伺辣诟叨鹊挠?jì)算方法仍需深入研究,需逐步了解岸坡高度、坡度、地形以及工程構(gòu)筑物位置和形態(tài)等對(duì)爬高的影響規(guī)律,并通過(guò)監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)等方法確定波浪對(duì)前方障礙物產(chǎn)生的擊打力和推覆力值,從而為潰壩等次生災(zāi)害預(yù)測(cè)提供預(yù)報(bào)依據(jù)。

c. 明確滑坡涌浪過(guò)程的能量耗散。首先,充分考慮滑體運(yùn)動(dòng)過(guò)程所受摩阻力,如合理選取動(dòng)摩擦因數(shù)等;其次,滑體滑動(dòng)過(guò)程中,塊體往往出現(xiàn)相互間的擠壓變形,甚至是碎裂,需在今后的計(jì)算中去除該部分的能量損失;再次,考慮空氣和液體的兩相流影響,考慮空氣阻力和水阻力,以及氣體與液體自身的黏滯力;同時(shí),對(duì)于山區(qū)河道等流動(dòng)性水體,還需考慮動(dòng)水對(duì)涌浪的影響。

d. 對(duì)于水上滑坡引起的滑坡涌浪,計(jì)算中往往認(rèn)為滑塊入水后即停止運(yùn)動(dòng),因此在計(jì)算下落高度時(shí)存在誤差,而且在用能量法或動(dòng)量法計(jì)算滑速時(shí),研究人員常忽略水下仍處于滑動(dòng)狀態(tài)的塊體能量,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大,今后研究中應(yīng)進(jìn)一步精確化初始條件。同時(shí)需依據(jù)滑坡運(yùn)動(dòng)的實(shí)際路徑進(jìn)行計(jì)算,對(duì)于滑體水下的持續(xù)運(yùn)動(dòng),以及水下滑塊對(duì)水體的沖擊應(yīng)給予充分的考慮和計(jì)算修正。

e. 未來(lái)的滑坡涌浪研究不僅需關(guān)注表面波浪振蕩和水體流場(chǎng)的變化規(guī)律,還需考慮水下渦流等現(xiàn)象的形成和變化規(guī)律,以及能量耗損;同時(shí)還需考慮失穩(wěn)體沖擊、運(yùn)動(dòng)、淤積以及波浪沿程行進(jìn)對(duì)河道、水庫(kù)等地形的再造影響及能量變化,可重點(diǎn)研究水下地形變化對(duì)涌浪的影響,以及涌浪高度在水面寬度發(fā)生改變和河道出現(xiàn)彎折后的衰減變化規(guī)律。

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Review on the forecast evaluation methods of landslide surge//

MA Xinlei, REN Guangming, XIA Min

(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

Landslide surge is a complex fluid-solid coupling problem that involves landslide kinetics, rock-soil mechanics, hydromechanics and other disciplines, and it has an important value in geological disaster research. Therefore, in this paper data of twenty typical landslide surges were collected and analyzed. Additionally, it is presented an evaluation of the large numbers of landslide surge forecast methods at home and abroad. The forecast evaluation methods of landslide surge are generally grouped into four categories, they are: empirical formula method, numerical analysis method, physical simulation method, and other method. Then the applicability, advantages and disadvantages of each method were discussed and analyzed. Further, based on the research status, limitations and development tendency, the outlooks of landslide surge research are proposed.

landslide surge; evaluation methodology; sliding velocity; initial surge height; review

國(guó)家自然科學(xué)基金 (41072229)

馬鑫磊(1990—),女,吉林四平人,碩士研究生,主要從事水利水電工程巖土體穩(wěn)定性及災(zāi)害研究。E-mail:maxinlei1990@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.018

P642.22

A

1006-7647(2015)03-0089-10

2014-02-20 編輯：駱超)