涉水滑坡运动过程及涌浪灾害数值模拟研究

来源 :马彦彬 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sven55
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滑坡是我国危害性最大的地质灾害,而涉水滑坡崩塌后快速冲击水体,将产生涌浪次生灾害,对人民以及建筑物安全造成严重威胁。为实现滑坡涌浪的精确模拟,国内外学者在数值模拟模型研究方法上已取得一系列成果,但大多集中于对水波动力学特征开展相关分析,忽视了滑坡运动过程,而详尽的滑坡运动特征描述是保证后续涌浪精确模拟的必要条件。此外,目前国内相关研究多针对库区滑坡涌浪产生、传播及爬高过程进行分析,对大规模滑坡诱发的海啸波传播规律分析较少。鉴于上述研究现状,本文依据实际问题,根据不同的滑坡运动失稳特征分别建立刚体滑移动力学模型以及流动性滑移动力学模型,将原本用于大范围海啸模拟的COMCOT程序拓展运用于狭窄边界的库岸滑坡涌浪模拟,提出了一种计算高效、模拟精确、适用于涉水滑坡涌浪模拟仿真的数值方法,主要研究内容如下:(1)根据滑坡动力学模型的不同概化方式,提出刚体滑移模型以及流动性滑移模型的滑坡运动速度计算方法。对于刚体滑移模型,使用FORTRAN计算机语言对海底滑坡以及库岸滑坡的运动速度模拟方法进行编程,并根据岩土体不同的涉水条件考虑了岩土体容重和摩擦力的差异;对于流动性滑移模型,考虑在地震以及降雨等作用下由孔隙水压力导致滑带土的液化,引入表征内摩擦角来描述因液化导致的斜坡滑移破坏。分析两种模型对滑坡体条块的受力条件假设、力系平衡方程的建立、涉水滑坡在水下运动时水阻力的组成、解析方法考虑到的参数,并基于VBA及FORTRAN语言对流动性滑移模型进行二次开发和数据处理,为后续结合COMCOT程序进行涌浪模拟奠定基础。(2)以1946年发生的阿留申海啸为例,分别使用刚体滑移以及流动性滑移的滑坡动力学模型模拟还原海底滑坡的运动过程,结合美国康奈尔大学研发的COMCOT海啸模式中海底滑坡模块作为海啸的触发机制,对海啸产生传播以及沿海岸的爬高过程进行综合讨论分析,并就不同滑坡运动计算方法下海啸波的模拟结果以及乌尼马克岛Scotch Cap灯塔处的海啸爬高进行对比分析。结果显示,在数值计算中,滑坡运动模式的不同会影响后续涌浪的模拟研究。因海底滑坡长期浸于水下,岩土体粘聚力和抗剪强度较低,流动性滑坡动力学模型可以很好地体现其运动特征,且相较于刚体滑移滑坡动力学模型,流动性滑移模型的涌浪模拟预测结果更精准且同时也更偏于保守。(3)以三峡库区龚家方滑坡涌浪为例,使用滑坡刚体滑移以及流动性滑移的运动速度计算方法,考虑水上、水下岩土体的参数差异对龚家方滑坡运动进行全过程模拟。将COMCOT海啸模式从海面海啸模拟拓展至库岸河道涌浪模拟应用。根据模拟结果,分析涌浪在河道横断面的传播规律、不同时刻的传播形态以及最终峡谷沿岸的爬坡浪高度,选取不同评价指标对两种滑坡动力学模型的海啸仿真结果进行对比。结果显示,龚家方滑坡前缘受到库水位波动掏蚀效应影响,稳定性较差,滑坡呈现分级、分段式的渐进式破坏,且耦合的流动性滑坡涌浪数值模拟方法用于库岸滑坡涌浪切实可行,相较于刚体滑移模型,其对于涌浪的模拟计算更为高效精准。(4)引入流动性滑移动力学模型的衍生涌浪模式,对阿留申海底滑坡以及龚家方滑坡的运动速度模拟,将其作为涌浪触发前提,输入至流体运动模型对海底滑坡引发的海啸以及库岸滑坡诱发的涌浪进行可视化三维模拟仿真,并与COMCOT模式的计算结果进行横向对比。结果显示,这种衍生的涌浪模式具有较高的联动性和便捷性,但因其将水体的运动过程进行了简化处理,其模拟效果整体偏小。在海底滑坡海啸以及库岸滑坡涌浪模拟研究中,基于COMCOT模式建立的耦合流动性滑坡涌浪模拟方法都体现出更高的精准度和适用性。
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