水库滑坡涌浪数值模型研究及应用

摘要

滑坡灾害是地球人类共同面对的自然灾害．当滑坡发生在库区或者大型河道时，产生的涌浪波灾害会对居民及建筑物造成较大威胁。在全球范围内，每年由于滑坡所导致的死亡量达数百计。基于滑坡涌浪发生频繁、破坏力强的特征，快速、准确的数值模拟对于理解滑坡涌浪发展过程和灾害防治具有重要意义。 本文的研究包括以下内容：(1)针对滑坡体下滑过程，本文推导了基于牛顿运动定律的滑坡体运动模型，全面考虑了水上滑坡、局部浸没滑坡和水下滑坡。同时，对相关参数进行敏感性分析，给出了应用建议，并利用已有的文献数据进行验证。(2)为探明色散特性对滑坡涌浪波的影响．推导了不同色散程度的涌浪波模型，包括完全色散波(LFD)、弱色散波(LWD)和浅水波(LND)．并研究了滑坡形状和水波色散效应对涌浪生成、传播的影响。计算结果表明体型形状对的近区影响犬，色散效应随滑坡体的加速度及水深的增加而增加。(3)基于全三维的Navier-Stokes(NS)方程及VOF自由表面模型，研究了滑坡涌浪计算的比尺效应。同时，以涌浪分区的方式探索了计算区域的网格依赖性。计算发现，滑坡涌浪数学模型有明显的区域性差异，涌浪近场对网格精度要求较高．主要体现在近场自由液面刻画和滑坡形状的解析结果。在此基础上提出了分区网格方案，显著提升了计算效率并兼顾了计算精度。(4)应用方面，以拉西瓦库区滑坡灾害为例，考虑了典型的水上滑坡和特殊的局部浸没滑坡及水下滑坡，提出了准确高效的几何建模方法。将滑坡模型、水波模型和网格策略应用于该地区的滑坡涌浪灾害，计算了流场流速、波高、首浪及爬坡散据，较为完整的分析讨论了该地区的滑坡涌浪特征和灾情，证明了本文所提出的建模力法的有效性。 本文研究可为水库库区滑坡涌浪问题的计算提供包括几何建模、数学模型选择和计算网格策略的技术参考，对实际工程的滑坡涌浪灾害的预测和防治有一定的工程意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究进展和现状

1.2.1 实验研究方法

1.2.2 数值模拟方法

1.3 本文主要的研究内容

2 刚性滑坡体运动动力学模型

2.1 完全浸没状态

2.2 局部浸没状态

2.3 初始未浸没状态

2.4 参数的敏感性分析和确定

2.5 下滑模型验证

2.6 本章小结

3 滑坡体体型、色散效应对涌浪生成、传播的影响

3.1 完全色散模型

3.2 弱色散模型

3.3 浅水模型

3.4 数值积分方法

3.5 模型验证

3.6 滑坡形状对涌浪波的影响

3.7 涌浪波的色散效应

3.8 本章小结

4 滑坡涌浪三维数值模型和网格优化方法

4.1 模型介绍

4.2 模型验证和比尺效应分析

4.3 网格优化方法

4.4 局部网格敏感性探索

4.5 本章小结

5 拉西瓦库区滑坡涌浪数值模拟

5.1 工程概况

5.2 数值模型建立

5.3 网格策略的应用及验证

5.4 工况1：滑坡体完全位于水面以上

5.4.1 小型滑坡体涌浪

5.4.2 中型滑坡体涌浪

5.4.3 大型滑坡体涌浪

5.4.4 水上滑坡的爬高分析

5.5 工况2：滑坡体局部位于水面以上

5.6 工况3：滑坡体完全位于水面以下

5.8 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果