弯曲峡谷水库三维浅水滑坡涌浪波场特征研究

摘要

高山峡谷水库地质条件复杂，大中型滑坡分布广泛。高速运动的山体滑坡入水后瞬间导致近场局部地形发生巨大变化，引起周围水体强烈扰动，滑坡运动停止后水面上方仍有大量滑体堆积，将具有此类特征的涉水滑坡称为浅水滑坡。由浅水滑坡诱发的涌浪具有很强的近场非线性，其波场特征与发生在海洋或峡湾中的深水滑坡海啸有很大不同。本文首先从动量平衡角度出发，构建了三维散体滑坡涌浪近场最大波幅的理论计算模型，揭示了浅水区涌浪产生的新机制。在遵循相似准则的基础上，结合三峡库区典型岩质滑坡参数和裂隙发育情况，建立了碎裂岩质滑坡涌浪三维物理模型，重点研究了从深水到浅水三维涌浪波场特征的变化情况。同时，本文还首次系统分析了岩质滑坡破碎后的水上运动特征、近岸涌浪破碎指标计算方法以及涌浪沿岸爬高衰减规律。主要结论如下:　　(1)以滑坡冲击水体时的动量率作为涌浪产生的驱动力，通过静水和波动条件假设实现滑坡体向水体的动量传递，在三维散体滑坡背景下推导出涌浪最大近场波幅的理论表达式。利用实验数据与理论计算结果进行比较发现:①三维涌浪最大近场波幅远未达到孤波破碎界限，不会在生成区破碎;②当滑坡体入水后完全淹没时，近场最大波幅的理论计算值与试验值基本吻合，证明了理论表达式在深水滑坡中的有效性;③对于浅水滑坡，受淹没率影响，当水深小于临界水深时试验结果出现与理论曲线相反的变化趋势。　　(2)破碎后的岩质滑坡在滑向水面的过程中沿厚度方向产生速度梯度使得滑坡体分层滑向水面，滑坡最大厚度随着滑动距离的增加呈指数衰减。此外，对于宽而厚的岩质滑坡，当滑坡厚度衰减到一定程度时出现“蝶翅形”的运动特征。　　(3)滑坡体滑入浅水时，会在涌浪生成区上方形成大范围的浪溅区。浪溅区内的水体作为耗散项不参与到造波过程中，导致滑坡体动能向涌浪波能的能量转换率较低。通过能量均分假设，计算出三维岩质滑坡滑动能向初始波峰波能的转换率为1％～7％，向涌浪波列的转换率为1％～18％。由三维浅水滑坡诱发的涌浪在近场区域共发现三种波形:非线性振荡波、非线性过渡波和涌波，它们的产生范围由滑动弗劳德数F和相对滑坡厚度S决定。　　(4)三维涌浪径向衰减:①当入射角度θ在±75°以内时，初始涌浪波面振幅沿滑坡滑动主方向向两侧的衰减规律满足(cosθ)n，且初始波谷的衰减速度要大于初始波峰;②初始涌浪沿相对径向传播距离r的衰减满足幂函数关系，且在顺直河道中衰减系数为常数，在弯曲河道中衰减系数随θ变化。　　(5)初始波峰的传播速度除了在极深水条件下（a/h＜0.05）会在浅水线性波无量纲相位波速上出现较大幅度的振荡外，其他时候波速与孤立波波速非常接近;而初始波谷的传播速度则大部分在孤立波波速以下，计算时应取其平均无量纲相位波速。　　(6)在弯曲峡谷水库近岸区共发现两处涌浪破碎带:一处位于滑槽中轴线附近与滑坡体宽度大小相当的区域，称为正向涌浪破碎带;另一处位于夹角在15°～25°的凸岸上，称为斜向涌浪破碎带。当相同波前的涌浪在近岸区破碎时，斜向涌浪的破碎指标较大，由浅水变形引起的弯岸波高变化也更加明显。根据实验结果，建立了Hb/L0形式的近岸涌浪破碎指标计算公式。　　(7)用初始波峰近岸破碎高度对Synolakis孤立波爬高定律进行修正，并通过实验数据对修正公式在水库弯曲段最大涌浪爬高计算中的有效性进行验证。结果表明:除了少数近岸涌浪未破碎情况下的预测结果偏大外，大部分试验测量值与修正公式计算值吻合较好。此外，对沿岸爬高测点记录的数据进行无量纲化处理，并将测点位置用坐标方位角表示，得到径向涌浪沿岸爬高衰减规律。最后，通过巫山红岩子滑坡涌浪对研究结果进行实例分析。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1选题背景与研究意义

1．2浅水区滑坡涌浪致灾过程与实例分析

1．2．1水库失事：瓦伊昂滑坡

1．2．2航道断航：鸡扒子滑坡

1．2．3打翻船只：新滩滑坡、千将坪滑坡、红岩子滑坡

1．3国内外研究现状

1．3．1解析求解

1．3．2数值模拟

1．3．3物理模型实验

1．3．4涌浪爬高

1．3．5对以往研究的总结

1．4研究内容与论文结构

第二章岩质滑坡兴波过程模拟

2．1量纲分析

2．2模型相似

2．3模型设计

2．3．1弯曲波浪水槽模型

2．3．2岩质滑坡模型

2．3．3滑坡发生装置

2．4实验设备及测量点布置

2．4．1测波仪

2．4．2高速摄像机

2．4．3涌浪爬高混合测量系统

2．5实验方案及流程

2．5．1实验方案设计

2．5．2实验流程

2．6本章小结

第三章岩质滑坡水上运动特性及动量传递过程

3．1滑动冲击速度

3．2岩质滑坡滑动变形

3．2．1滑坡厚度演变

3．3．2滑坡长度演变

3．3散体滑坡向水波的动量传递

3．3．1理论推导

3．3．2模型验证

3．3．3理论方程的局限性

3．4浅水滑坡淹没率

3．5本章小结

第四章浅水滑坡涌浪近场波特征及其传播规律研究

4．1涌浪产生过程

4．2近场涌浪波形分析

4．3初始涌浪波幅衰减

4．3．1初始波峰振幅衰减规律

4．3．2初始波谷振幅衰减规律

4．4涌浪传播速度分析

4．5涌浪周期与波长

4．6涌浪非线性分析

4．7滑坡涌浪能量转换

4．8本章小结

第五章滑坡涌浪近岸演变及沿岸爬高规律研究

5．1近岸涌浪破碎

5．1．1波浪破碎指标分类

5．1．2弯曲河岸带涌浪破碎过程

5．1．3实验结果分析

5．2三维滑坡涌浪爬高

5．2．1滑坡对岸最大涌浪爬高估算

5．2．2涌浪爬高沿岸衰减规律

5．2．3实例分析

5．3本章小结

第六章结论与展望

6．1主要结论与创新点

6．2建议与展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果