馬 斌,劉永璽,李會(huì)平,劉東明,姚 燁
(天津大學(xué) 水利水電工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)
滑坡涌浪災(zāi)害常發(fā)生在開(kāi)放海域中,引發(fā)諸如海嘯等大型涌浪現(xiàn)象。隨著水利工程建設(shè)的發(fā)展,大型水庫(kù)出現(xiàn)在許多江河干流之上,水位抬升與長(zhǎng)期浸泡導(dǎo)致河谷岸坡變形失穩(wěn)和古滑坡體復(fù)活的情況時(shí)有發(fā)生。雖然庫(kù)區(qū)很多滑坡體上沒(méi)有直接的威脅對(duì)象,產(chǎn)生的涌浪卻能傳播很遠(yuǎn)的距離,威脅樞紐運(yùn)行和下游人員及財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)滑坡引起的次生涌浪進(jìn)行分析評(píng)價(jià)正在成為水庫(kù)滑坡災(zāi)害防治的重要內(nèi)容。
涌浪波幅是涌浪危害評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)[1],此類(lèi)特征參數(shù)便于直觀描述涌浪形態(tài)。通過(guò)大比尺的三維模型試驗(yàn)可獲得更接近原型的相似現(xiàn)象。彭輝等[2]研究了不同因素對(duì)彎曲河道中首浪高度的影響;韓林峰等[3]測(cè)定不同因素對(duì)淺水區(qū)碎裂巖體滑坡涌浪最大近場(chǎng)波幅的影響;王梅力等[4]對(duì)滑坡涌浪首浪波高和波能進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)滑坡入水點(diǎn)附近的首浪波能初始傳播方向與涌浪傳播方向一致;黃錦林等[5]利用所得涌浪荷載計(jì)算模型評(píng)估不同水位下壩體安全等。Huang等[6-7]通過(guò)幾何比尺1∶200的三維試驗(yàn)?zāi)P湍M了龔家方碎裂巖體滑坡產(chǎn)生涌浪的過(guò)程,并利用PIV粒子圖像追蹤技術(shù)在二維試驗(yàn)中研究了柱狀巖體由于重力塌陷破碎誘發(fā)沖擊涌浪的過(guò)程;Noda[8]和Fritz等[9]通過(guò)二維顆粒狀滑坡試驗(yàn),依據(jù)滑坡體相對(duì)弗勞德數(shù)Fr和相對(duì)厚度S,將涌浪分為弱非線(xiàn)性振蕩、非線(xiàn)性躍遷、類(lèi)孤立波和瞬時(shí)空腔消散;Mcfall等[10]在三維散體滑坡試驗(yàn)中觀察到了非線(xiàn)性振蕩和非線(xiàn)性躍遷類(lèi)型的波等。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法由于其經(jīng)濟(jì)、高效,且能較為合理準(zhǔn)確地推演涌浪產(chǎn)生、傳播、衰減的過(guò)程而被廣泛應(yīng)用,但對(duì)滑坡體變形、碰撞等復(fù)雜過(guò)程的模擬,仍有很大的提升空間[11]。黃筱云等[12]利用流體力學(xué)軟件FLOW3D研究大型滑坡體在V型河道中產(chǎn)生的涌浪波高和最大爬高;鄧成進(jìn)等[13]指出由于浪花翻滾現(xiàn)象的減弱,離落水點(diǎn)距離越遠(yuǎn)的位置,F(xiàn)LOW3D數(shù)值計(jì)算軟件中由網(wǎng)格精度造成的涌浪高度計(jì)算的誤差越小;借助流體計(jì)算軟件FLUENT,馬斌等[14-15]對(duì)滑坡涌浪在壩址處最大浪高進(jìn)行了分析計(jì)算,并將數(shù)值模擬結(jié)果和潘家錚法估算結(jié)果進(jìn)行比較;霍志濤等[16]采用基于水波動(dòng)力理論的某模擬軟件進(jìn)行涌浪計(jì)算分析及預(yù)測(cè),研究認(rèn)為滑坡段2 km范圍是涌浪急劇衰減區(qū),涌浪傳播、衰減和爬高與水域微地形也密切相關(guān);鄧成進(jìn)等[17]所進(jìn)行的模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,近壩庫(kù)岸滑坡涌浪橫向傳播至壩面的最大動(dòng)水頭小于涌浪高度,采用靜力方法計(jì)算分析壩體穩(wěn)定應(yīng)力偏于安全。
國(guó)內(nèi)外對(duì)庫(kù)區(qū)滑坡涌浪進(jìn)行了大量研究,但大多數(shù)試驗(yàn)研究是針對(duì)二維矩形框或三維半無(wú)限水體中涌浪的近場(chǎng)波幅特征,對(duì)具體河谷,特別是窄深河谷涌浪特性及傳播規(guī)律研究不多,窄深河谷中由于高陡邊坡較強(qiáng)的反射作用,涌浪的傳播和消散特性更加復(fù)雜,本文基于1∶100的大比尺滑坡涌浪模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬,分析了窄深近壩庫(kù)區(qū)整體大體積失穩(wěn)工況下滑坡次生涌浪的特性及傳播規(guī)律。
某岸坡變形體位于拱壩右岸壩前斜坡的頂部(圖1),距大壩約1 100 m,目前仍處于穩(wěn)定變形階段。研究認(rèn)為靜力工況下一次失穩(wěn)最大體積不超過(guò)100萬(wàn)m3;動(dòng)力工況下存在超過(guò)100萬(wàn)m3整體入水的可能,正常蓄水位低于壩頂高程8 m,失穩(wěn)區(qū)河谷水深約190 m。
試驗(yàn)?zāi)M岸坡整體大體積失穩(wěn)后涌浪發(fā)展的全過(guò)程。為獲得與原型相似的物理現(xiàn)象,應(yīng)滿(mǎn)足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。試驗(yàn)過(guò)程參照《滑坡涌浪模擬技術(shù)規(guī)程》[18],從滑坡體幾何尺寸、試驗(yàn)條件及試驗(yàn)可操作性考慮,在重力相似準(zhǔn)則下,選取幾何比尺λl=100,則時(shí)間比尺λt=10,壓力比尺λp=100,糙率比尺λn=2.15。浪高變化采用ULD200數(shù)字浪高儀記錄,測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示,除特殊說(shuō)明外,文中試驗(yàn)描述和結(jié)果分析均換算至原型尺寸。
圖1 測(cè)點(diǎn)位置示意Fig.1 Schematic diagram of monitoring points location
庫(kù)區(qū)地形模擬至壩上游約3.2 km,采用水泥砂漿抹面,表孔閘墩/閘門(mén)及防浪墻等均采用有機(jī)玻璃加工制作。試驗(yàn)過(guò)程由4個(gè)固定機(jī)位鏡頭記錄,現(xiàn)場(chǎng)模型如圖2所示。
圖2 水工模型Fig.2 Physical test model
本文利用FLOW-3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,導(dǎo)入STL地形模塊見(jiàn)圖3。地形范圍模擬至壩上游約4 km,高程模擬至壩頂以上180 m?;瑝K運(yùn)動(dòng)模型(GMO)選用剛體耦合運(yùn)動(dòng),并給定塊體與模型試驗(yàn)工況相同的入水時(shí)刻速度。計(jì)算選用RNGk-ε湍流模型,該模型能較準(zhǔn)確描述低強(qiáng)度湍流和具有強(qiáng)剪切區(qū)域的流體,適用于滑坡涌浪產(chǎn)生和傳播過(guò)程的模擬。
圖3 三維數(shù)值模型(單位: m)Fig.3 Three-dimensional numerical model (unit: m)
模型計(jì)算采用整體網(wǎng)格,x方向長(zhǎng)4 140 m,y方向長(zhǎng)5 029 m,z方向高426 m,單位網(wǎng)格尺寸為10 m,共劃分為895萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。除頂部和下游設(shè)置為自由表面邊界外,其余4個(gè)方向設(shè)置為固壁邊界。
模型試驗(yàn)選取不同入水體積Vs、入水時(shí)刻速度vs和截面形式的滑塊進(jìn)行涌浪影響因素和傳播規(guī)律的研究?;旅嫫陆枪潭?5°,庫(kù)區(qū)水位控制為正常蓄水位,不同形狀滑塊的截面尺寸如圖4所示,圖中s為滑塊運(yùn)動(dòng)方向的厚度。體積調(diào)節(jié)通過(guò)改變滑塊寬度b實(shí)現(xiàn);改變滑塊啟動(dòng)高度使塊體在重力作用下沿滑軌自由下滑,可獲得不同的入水速度,并利用自編程序處理滑塊運(yùn)動(dòng)的高幀率畫(huà)面,獲得精確的速度-位移關(guān)系。具體工況見(jiàn)表1。
圖4 不同截面形狀滑塊放置(單位:m)Fig.4 Schematic diagram of the placement of different shapes of sliders (unit: m)
表1 不同影響因素試驗(yàn)工況Tab.1 Test conditions of different influencing factors
在典型工況2中,選取數(shù)學(xué)模型與物理模型相應(yīng)位置結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖5),可得相同測(cè)點(diǎn)的浪高和周期較為吻合,水位變化趨勢(shì)基本一致,這說(shuō)明數(shù)值模型可靠。
圖5 數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of numerical simulation and physical test results
模型試驗(yàn)中,典型工況2涌浪時(shí)程變化如圖6所示??梢钥吹?,由于窄深河谷水面寬度較小,滑坡次生涌浪4 s內(nèi)迅速到達(dá)對(duì)岸,入水區(qū)域附近最大浪高出現(xiàn)在前2個(gè)波峰,對(duì)岸1#測(cè)點(diǎn)最大爬高約27 m;塊體入水后,波高在100 s內(nèi)衰減至10 m以下,河道中央深水區(qū)浪高較低,順河向推進(jìn)的波幅不斷衰減,傳到壩前水域約25 s;涌浪受兩岸高陡邊坡反射影響,出現(xiàn)不同方向的反射、疊加,在壩肩淺水處受地形影響波幅H增大、波高包絡(luò)線(xiàn)擴(kuò)展;由于河谷走向在壩前區(qū)域偏向失穩(wěn)一側(cè)岸坡,涌浪在左岸反射傳到右岸后,使右岸疊加涌高情況更嚴(yán)重,涌浪疊加出現(xiàn)最大波高,t=136 s右壩肩瞬時(shí)浪高10.17 m(超過(guò)壩頂2.17 m);表孔位置的首浪高度接近其最大浪高,閘門(mén)頂部出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間越浪現(xiàn)象,涌浪在各個(gè)方向隨時(shí)間和空間的變化不斷疊加、破碎,消散緩慢。
圖6 測(cè)點(diǎn)浪高時(shí)程線(xiàn)(工況2)Fig.6 Wave height curve with time at the monitoring location (condition 2)
模型試驗(yàn)中,不同的入水體積Vs、入水速度vs和滑塊截面形狀工況下,壩前水域波動(dòng)較大的7#測(cè)點(diǎn)浪高時(shí)程線(xiàn)見(jiàn)圖7。試驗(yàn)范圍內(nèi)的結(jié)果表明:(1)塊體入水弗勞德數(shù)Fr和相對(duì)厚度S的增大對(duì)首浪高度有提升作用;(2)相對(duì)體積V的增加對(duì)首浪高度影響顯著,大體積工況3(V=0.29)首浪即達(dá)到最大浪高,工況1(V=0.07)和工況2(V=0.15)疊加后出現(xiàn)最大浪高;(3)在不同影響因素下,測(cè)點(diǎn)涌浪發(fā)展趨勢(shì)基本一致。
圖7 不同影響因素浪高時(shí)程線(xiàn)(7#)Fig.7 Wave height curve with time under different influence factors (7#)