[發(fā)明專利]一種滑坡涌浪計(jì)算方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611191288.0
• 申請(qǐng)日: 2016-12-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106844859A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 毛佳;趙蘭浩;郭博文;李同春
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司32200
• 代理人: 張艷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種滑坡涌浪計(jì)算方法，屬于水利工程災(zāi)害預(yù)測(cè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

水利水電建設(shè)的長(zhǎng)足發(fā)展為社會(huì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但也帶來(lái)一系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。相比于一般的邊坡失穩(wěn)問(wèn)題，庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)會(huì)對(duì)下游的人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成更加巨大的威脅。滑坡體滑入水庫(kù)后產(chǎn)生的涌浪有可能翻越壩頂，淹沒(méi)下游地區(qū)，甚至由于涌浪的沖擊作用，大壩存在潰決的風(fēng)險(xiǎn)。在國(guó)內(nèi)水利水電工程建設(shè)中，不乏水庫(kù)滑坡失穩(wěn)破壞并產(chǎn)生涌浪災(zāi)害的先例。如1961年3月柘溪水庫(kù)塘巖光滑坡，165萬(wàn)m³的滑坡體沖入庫(kù)區(qū)后產(chǎn)生了高達(dá)21m的涌浪，造成重大損失。隨著一系列高壩大庫(kù)在我國(guó)西南地區(qū)建立，水庫(kù)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定問(wèn)題越來(lái)越吸引人們的注意。在此背景下，數(shù)值模擬作為災(zāi)害預(yù)測(cè)的手段之一，就顯的非常必要和重要了。

目前的數(shù)值模擬基本是首先用能量守恒原理估算滑坡體入水前的滑速，而后依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算初始涌浪，最后用計(jì)算流體力學(xué)的方法求解涌浪的傳播過(guò)程，實(shí)際上只是求解了已知初始條件和邊界條件的計(jì)算流體力學(xué)問(wèn)題。滑坡體入水產(chǎn)生涌浪的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，過(guò)程中涉及到三相介質(zhì)的相互耦合、浸入、波浪破碎等現(xiàn)象，介質(zhì)間的界面難于捕捉描述。現(xiàn)有的數(shù)值方法，包括基于淺水方程的解法，不能反映三相介質(zhì)的強(qiáng)烈相互作用。主要的界面描述方法有VOF法、Level Set法等，涌浪自由面的描述在計(jì)算流體力學(xué)中本身就是很大的難題，數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性可以得到進(jìn)一步改善。相對(duì)于涌浪產(chǎn)生來(lái)說(shuō)，涌浪的傳播過(guò)程研究成果已較為豐富。但此類計(jì)算的前提是已知首浪的各種要素，如浪高、速度等。從某種意義上說(shuō)，現(xiàn)有方法是用一個(gè)粗估的初始涌浪數(shù)據(jù)作為初始計(jì)算條件，即使涌浪傳播過(guò)程的模擬再精細(xì)，也很難得到合理可信的計(jì)算結(jié)果。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此已做了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果，但基本上是著眼于某個(gè)方面的研究，還沒(méi)有針對(duì)從庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)到涌浪產(chǎn)生與傳播全過(guò)程系統(tǒng)的數(shù)值模擬。而實(shí)際上此類災(zāi)害的發(fā)生基本是在幾十秒到幾分鐘極短的時(shí)間內(nèi)，庫(kù)岸邊坡從失穩(wěn)、滑動(dòng)到涌浪產(chǎn)生再到涌浪傳播應(yīng)該是一個(gè)完整連續(xù)的過(guò)程，每個(gè)階段的準(zhǔn)確描述都將對(duì)最后災(zāi)害預(yù)報(bào)的可信度產(chǎn)生較大影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)背景技術(shù)的缺點(diǎn)，將庫(kù)岸邊坡滑坡體入水到涌浪傳播各階段作為完整統(tǒng)一的過(guò)程進(jìn)行分析研究。采用原始的不可壓縮粘性流體Navier-Stokes方程描述水體、空氣、滑坡體的相互作用。采用改進(jìn)的守恒式Level Set方法，準(zhǔn)確捕捉流體自由表面，真實(shí)模擬涌浪產(chǎn)生過(guò)程，為涌浪傳播及災(zāi)害預(yù)測(cè)提供合理的前提條件。在此基礎(chǔ)上，采用沿水深積分的流體控制方程模擬涌浪傳播過(guò)程，對(duì)涌浪運(yùn)動(dòng)軌跡和泛濫區(qū)域進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)，評(píng)價(jià)涌浪災(zāi)害。本發(fā)明是在已經(jīng)利用動(dòng)力時(shí)程強(qiáng)度折減法進(jìn)行土質(zhì)庫(kù)岸邊坡動(dòng)力穩(wěn)定分析，確定了庫(kù)岸可能的失穩(wěn)滑動(dòng)范圍的前提下進(jìn)行的。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：

一種滑坡涌浪計(jì)算方法，包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)已有地形、水位和滑坡體形狀位置資料，建立三維有限元模型；

步驟2：結(jié)合Navier-Stokes方程和改進(jìn)的守恒式Level Set方法，計(jì)算流體各運(yùn)動(dòng)參數(shù)，捕捉自由面；

步驟3：采用沿水深積分的流體控制方程模擬涌浪傳播過(guò)程，對(duì)涌浪運(yùn)動(dòng)軌跡和泛濫區(qū)域進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。

所述步驟2中對(duì)土質(zhì)或松散介質(zhì)坡體，基于“流體化”的特點(diǎn)，以流體力學(xué)基本方程N(yùn)avier-Stokes方程配以非牛頓流體或擬流體本構(gòu)關(guān)系描述其物理特性和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，由于將滑坡體視作似流體，滑坡體、水體和空氣三相介質(zhì)可用同一本構(gòu)模型表示：

式中，τ_y0表示流體屈服應(yīng)力，φ為內(nèi)摩擦角，I_2D是應(yīng)變張量D的第二不變量，μ為黏性系數(shù)，η為表示流體特性的參量。

在利用Navier-Stokes方程計(jì)算出的流場(chǎng)信息的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的守恒式雙重Level Set方法捕捉滑坡體、水體和空氣三者的交界面，反映三者間強(qiáng)烈的流固耦合作用，真實(shí)模擬滑坡體入水產(chǎn)生涌浪的過(guò)程，改進(jìn)的守恒式雙重Level Set方法包含兩個(gè)部分：指示函數(shù)的輸運(yùn)，和指示函數(shù)的重新初始化。