CN104699892B - 研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的模型和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水利工程领域，提供了一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的模型和方法，在考虑滑坡体的材料和运动状态的前提下，建立一种既能体现滑坡体与水体相互作用、又能考虑滑坡涌浪在河道特征的滑坡涌浪模型。该方法是在N—S方程水波模型算法基础上，构建一种库区滑坡涌浪计算模型，然后结合数值模拟和滑坡涌浪模型试验，利用相关仪器采集的源数据，通过多种滑坡涌浪模型方案来验证建立的滑坡涌浪计算模型的合理性和普适性，并引入损失边界面来考虑大坝损伤效应，不仅揭示了滑坡涌浪的传播规律，还研究出了一种预测大坝剩余寿命的方法，为进一步研究滑坡涌浪的传播规律，合理预测大坝的使用寿命提供了理论基础和科学依据。

Description

研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的模型和方法

技术领域

本发明属于水利工程领域，尤其涉及一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的模型和方法。

背景技术

在水利工程中，由于全球全球气候变暖所导致的极端降水情况引起的水库库岸滑坡时有发生，滑坡入水激起的涌浪容易给航道工程、港口以及水利设施、附近地区人民生命财产等造成较大的地质灾害。大型高速滑坡产生的涌浪不但在河道上下游传播并造成及时性伤害，更严重的是涌浪的传播和迭加有可能会造成洪水、漫坝等水库失事事故以及航道堵塞、船舶翻沉等事故。

大坝修建后，受到温度、湿度、荷载等多因素影响，材料性能会劣化，混凝土材料的强度、刚度及抗力会随损伤累积而衰减，最终会导致结构的性能和寿命降低，甚至发生破坏。如果极端降水引发洪水，同时若库区伴有滑坡发生，一旦短时间形成的高水位与滑坡涌浪产生水波耦合叠加，除了可能会引起漫顶事故以外，高速的流动水体和冲击波还可能对大坝结构安全造成进一步的动力损害。如果大坝不能承受上述荷载而发生破坏，后果会不堪设想。

一旦大型水库蓄水，由于受到水库高水位及其运行效应的影响，库区内部本身具有地质隐患的斜坡很可能会暴露成灾，形成大面积的边坡塌滑和库水涌浪。2003年7月发生在三峡库区的千将坪滑坡就是由水库蓄水诱发所致，滑坡最高涌浪达到39m，在水库传播达到30km之远，造成了大量人员伤亡与财产损失。在库区发生滑坡时，巨大山体在短时间内高速滑入水中，将会激起巨大的涌浪和爬高，从而会毁坏船只，造成人员伤亡，还可能击毁各种建筑物。这在国内外已经有许多先例。

目前国内外对库区滑坡涌浪形成的机理和预防大坝损伤以及延长大坝寿命措施的研究不在少数，但是在传统滑坡模型中更多的是将滑坡体视为刚体，没有考虑滑坡体，水体，气体之间相互作用的问题，在研究滑坡涌浪父方面也多集中在自由河道来探讨滑坡入水后水波在自由平直河道内的沿程传播问题而没有研究一端相对封闭(下游大坝)，一端相对自由的弯曲河道涌浪传播问题，更没有研究涌浪受不规则边界约束来回随机振荡和涌浪对大坝的冲击反射问题。

发明内容

本发明提供了一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的模型和方法，旨在解决目前国内外许多专家通过理论分析、模型试验、数值模拟方法对滑坡涌浪开展了研究，但更多集中在涌浪本身，缺乏对滑坡入水形成的巨大涌浪在河道中传播特性及其对大坝冲击损伤破坏及寿命预测进行系统研究的问题。

本发明的目的在于提供一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的方法包括以下步骤：

1)实测滑坡现场得到滑坡体的形状和质量m、密度ρ、粘度η物理参数；

2)收集的滑坡现场空气、水体的密度ρ、粘度η以及扩散系数K；

3)通过N—S方程和Euler方程的交替迭代求解方式,建立滑坡涌浪计算模型，求解方法如下:

A)在N—S方程水波模型求解中，将滑坡体质量m、密度ρ、粘度η物理参数及滑坡现场空气、水体的密度ρ、粘度η以及扩散系数K代入公式得到速度场分布，通过计算浓度场的对流方程得到浓度场分布规律；

B)利用质量守恒系数和自由表面光滑系数校正A)中浓度场分布规律，由浓度场分布规律和滑坡现场空气、水体的密度、粘度重新构建N—S方程中密度和粘度系数，从而实现N—S方程水波随着时间逐渐演化传播特点；

C)在N—S方程水波模型求解基础上，结合河道水位变化特点，充分考虑滑坡体与水体接触面粘滞性的特点，忽略滑坡体内部材料的相互作用，将滑坡体视作一种流体与水体、气体组成的三相非定常流，在靠近滑坡体与水体附近区域直接采用N—S方程求解，而远离滑坡体区域则采用Euler方程模拟整体流场，从而构建出了一种滑坡涌浪计算模型；

4)滑坡涌浪计算模型中，在N—S水波模型基础上，引入滑坡体浓度控制方程以及三者组分控制方程，，计算过程与N—S水波模型类似，流体表面的跟踪依据水体、空气浓度场变化确定；

5)验证，具体步骤如下；

E)收集实验室的空气、水体的密度ρ、粘度η以及扩散系数K；

F)在实验室内测定不同类型滑坡体的质量m、摩擦参数μ、滑坡体在滑槽开始滑动的位置和滑槽末端之间的距离，可以求出滑坡体在恰好入水那一刻的速度V，进而求出沿水槽方向即x方向速度V；

G)记录不同滑坡体以不同滑速在不同水槽中入水过程的水波传播规律，包括涌浪波形、波高、传递时间；

H)绘出不同滑坡体以不同滑速形成的波形时域图、波高时域图，从而得到不同坡角和形态滑坡体入水后涌浪过程及最大涌浪高，并测定出涌浪在平直河道和弯曲河道的传播规律；

I)收集坝体模型、水槽模型中不同滑坡体以不同滑速在不同水位下水波冲击的压力作用时间历程，从而绘制出压力时间历程图和应力时间历程图。

进一步讲，在所述的I)步骤中，水槽模型的宽度、高度、及侧壁的曲线能任意改变。

进一步讲，依据G)步骤中涌浪波形、波高、传递时间特点和I)步骤中坝体模型、水槽模型压力随时间变化值，结合能量守恒定律，揭示冲击波在类似半无限长弯曲河道传播过程及随机振荡特性，从而推求涌浪冲击波分布概率密度函数和探寻能量转换机理。

还可以，利用涌浪冲击波分布概率密度函数，将坝体表面反射和受力边界，引入损伤边界面来考虑坝体模型损伤效应，通过损伤边界和损伤效应函数实现结构从初始局部损伤到整体失稳全过程的研究，从而建立不同大坝抗冲击损伤开裂的三维仿真模型。

还可以，通过大坝抗冲击损伤开裂三维仿真模型和涌浪波形、波高、传递时间特点，对大坝在不同冲击波作用下的力学特性和损伤机理开展研究，以达到实时预测大坝寿命和评价结构整体安全的目的。

一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的模型包括引水部件、水槽模型、坝体模型，引水部件设在水槽模型的一端，坝体模型设在水槽模型的另一端，引水部件将水以不同的速度引入水槽模型，坝体模型阻断水槽模型水的流动。

本发明提供的研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的模型和方法，根据极端降水气象资料，利用统计学与水文学知识，收集流域水文、地理以及防洪影响资料，通过N—S方程水波模型求解算法，实现N—S方程水波随着时间逐渐演变传播特点，在考虑滑坡体的物质组成、形状、物理参数及其运动状态的前提下，建立一种滑坡涌浪计算模型，通过该模型从而得到滑坡涌浪在河道中传播演化过程和滑坡涌浪产生机理及传播规律，然后通过建立多种不同河道和不同大坝模型，解决了室内库区滑坡涌浪的模拟实验技术，利用试验得到源数据，从而得到不同坡角和形态滑坡体入水后涌浪过程及最大涌浪高，并测定出涌浪在平直河道和弯曲河道的传播规律，从而来证实滑坡涌浪计算模型的准确性、合理性和普适性，根据涌浪传播特点和传感器测试压力随时间变化值，结合能量守恒定律，推求涌浪冲击波分布概率密度函数和探寻能量转换机理，建立混凝土大坝抗冲击损伤开裂三维仿真模型，从而达到实时预测寿命和评价结构整体安全的目的。

本发明的有益效果是将滑坡体看成了一种流体，与周边水体、气体组成三相非定长流，结合数值模拟和室内滑坡涌浪模型试验，利用相关仪器采集数据，通过涌浪模型的多种对比试验分析和论证，并引入损失边界面来考虑大坝损伤效应，从定性和定量的角度不仅揭示了滑坡涌浪的传播规律，还研究了涌浪在河流中波动二重性对大坝的损伤累积效应，从而达到研究大坝损伤和实时预测大坝剩余寿命的目的，克服了传统大坝损失研究方法过多集中在坝体材料本身和现有技术在进行涌浪模型计算多集中在自由河道，不利于自然、真实地反映涌浪传播对大坝影响的缺点，能够从多种角度精确、合理地获得滑坡涌浪对大坝的各种影响因素，结构简单，实用。

附图说明

图1是研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测模型顶视图。

图2是研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测模型主视图。

图3是图2的A-A断面视图。

图4是研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测模型河道优选结构示意图。

图5是图4的B-B断面视图。

图6是研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测方法的流程图。

图中：1、小车滑动装置；2、直河道水槽；3、弯曲河道水槽；4、钢架；5、滑动板；6、绳子；7、角钢；8、有机玻璃；9、混凝土重力坝；12、高速摄影机；13、浪高仪；14、水位测针；15、堆料场；16、仪器台；17、1#压力传感器；18、2#压力传感器。

具体实施方式

如图1、4、5中，一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的模型包括引水部件、水槽模型、坝体模型，引水部件为小车滑动装置1，水槽模型为直河道水槽2或者弯曲河道水槽3，坝体模型为混凝土重力坝9(也可以是混凝土双曲拱坝或碾压土石坝)，小车滑动装置1设在直河道水槽2或者弯曲河道水槽3的一端，设在水槽模型的另一端，引水部件将水以不同的速度引入水槽模型，坝体模型阻断水槽模型水的流动。

小车滑动装置1表面为塑料，内部是用焊接在所述小车车轮上的钢架组成，钢架长1.00m，宽0.80m，高0.80m，然后在其位置上方有一个焊接的钢架4并距滑动板5末端三分之一距离处，用一根上下可调节滑板前后边缘高度的螺纹杆连接起来，而滑动板前端系上一根控制滑动板角度的绳子6，可用于调整滑坡剪出口位置及滑坡前后缘高度，所述滑动板下部会延伸到水槽当中，并留一定的距离让其不触及水槽底部。

水槽模形有两种类型，如图1的直河道水槽2，如图4的弯曲河道水槽3,水槽模形外部框架是由75*75mm角钢7焊接组合而成，中间都是用10mm的有机玻璃8通过793密封胶粘在一起，然后和角钢组成一个整体，水槽底部是用的80*500mm的混凝土铺成的。

如图1中，直河道水槽2由两个不同大小的水槽组合而成，其中一个长方形水槽的具体尺寸为：长2.50m、宽0.50m、高1.00m，另外一个长方形的尺寸为：长1.50m、宽0.50m、高1.00m；如图2中，弯曲河道水槽3也是由两个不同的水槽组合而成，其中一个长方形的弯曲小水槽的具体尺寸为：长2.50m、宽0.50m、高1.00m，弯曲角度为60°或者120°，另外一个长方形水槽的尺寸为：长1.50m、宽0.50m、高1.00m。

如图1中，滑动板5由一个滑动槽，一根螺纹杆，6个螺帽，与一对卡槽组合而成，螺纹杆穿过卡槽并由一对螺帽固定，故松螺帽后螺纹杆可自由转动，从而滑动板也可以转动，并可由滑动板末端绳索固定其倾斜角度，同时由于卡槽位置可移动，则可以通过移动卡槽来调整滑动板在模拟河道上位置。在钢架4上面焊接滑槽，螺纹杆可以在其间滑动并可以通过拧紧两对螺帽使螺纹杆在滑槽中固定位置。在模拟滑坡制造涌浪试验方案中，通过调整滑动板的倾斜角度、伸入水下长度和其在模拟河道上的位置以获得所需涌浪，所述滑槽表面由塑料组成，滑槽内部为钢架，滑槽通过可调节的钢丝绳与滑架上部的滑杆连接，所述滑槽的尺寸为：长1.50m、宽0.30m、高0.01m。

混凝土重力坝9具体尺寸为：坝高0.80m、顶宽0.07m、底宽0.56m、下游坡度1:0.7；混凝土拱坝具体尺寸为：拱冠梁顶厚0.04m，底厚0.17m，坝高0.80m，水平中心角80°；土石坝具体尺寸为：坝高0.80m、顶宽0.20m、底宽0.50m，上游坡度1:0.25，下游坡度1:0.13。

如图1中，浪高仪12布置在直河道水槽2的一侧，可实时测量波浪相关数据，高速摄像机13和堆料场14布置在直河道水槽2的同一侧，高速摄像机13可记录整个实验过程，堆料场14就是取滑坡体材料和其他材料的地方，而水位测针15布置在直河道水槽2另一侧，水深和涌浪高度由水位测针15控制和测定。

水位测针15和仪器台16设置在所述水槽的同一侧，而且所述仪器台16均与1#压力传感器17、2#压力传感器18。

1#压力传感器17设置在直河道水槽2的内壁上，2#压力传感器18设置在混凝土重力坝9的内侧，采取相关数据。

在本发明实施例中，滑坡体的设计是以原料土样的制备为主，其核心就是确定原料土样的土石比、含水量、碎石块粒径及压实度等物理指标，这些物理量都是参照所选取的原型三峡库区典型土质滑坡按几何比尺及物理比尺来确定的。

滑坡的组成物质主要包括粘土、粉质粘土、碎石、块石，基于本实验研究的是岩土混合型滑坡，因此结合实际经验，选取土石比2.2:1，模型滑坡体碎石块粒径为0.6mm～60mm。

依据重力相似准则，模型滑体含水量18.12％，干比重21.18kN/m³，饱和状态时比重21.42kN/m³，饱和度81.92％。

图6示出了本发明优选实施例提供的滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的方法的实现流程，该方法包括以下步骤：

1)利用统计学与水文学知识，根据短时间极端降水气象资料，收集流域水文、地理以及防洪影响资料，找到滑坡体的速度变化范围和坝前库水位变化范围；

2)根据实际滑坡现场勘测得到滑坡体的形状和物理参数质量m、密度ρ、粘度η；

3)根据收集的相关资料，取定空气、水体的密度ρ、粘度η以及扩散系数K；

4)通过N—S方程和Euler方程的交替迭代求解方式,建立滑坡涌浪计算模型，求解方法如下:

N—S方程和Euler方程的交替迭代求解具体方案如下：

N—S方程和Euler方程的求解方案

考虑N—S方程，其无量纲的算子分解形式为：

其中左端通量是场变量φ的非线性一阶偏导数项(无粘项)，右端项是二阶偏导数项(粘性项和热传导项)。若忽略右端项，可得到Euler方程：

引入算子的动态分解算法，完整的N—S方程的解算可分解成如下形式：

区域分解是根据物体几何外形和计算的要求来划分的，因此可以在复杂外形上使用结构网格。每一子域(或考虑多体问题时的物体，例如滑坡体、水体、气体接触面)有一套贴体网格，数值求解将交替地在每套网格内进行，再通过相邻网格域的内边界传递信息。

如上所述，整体流场采用Euler方程进行分区求解，所采用的计算网格称为Euler网格。在粘性效应占优的区域，根据上述准则将网格加密求解N—S方程，该加密网格可称为N—S网格。每一块N—S方程的计算子域包括在相应的Euler方程计算域中，加密N—S网格只与包含该子域的粗(Euler)网格交换信息。根据式(3)在给定的耦合时间步长中点，当由求解Euler方程转入求解N—S方程时，N—S网格四周相邻的Euler网格点上的数值解作为自己的边界条件，在边界条件不变的的情况下，将N—S方程的解推进到与包含该子域的Euler域数值解同一个时间点上，随后按照体积平均将N—S方程将细网格的值传递给相应的粗网格点上，给出Euler域的校正解，再以此解为求解粗网格Euler方程的初场，将Euler方程的计算推进到下一个耦合时间步长终点，再局部求解N—S方程，从而建立起Euler方程与N—S方程的交替迭代求解方式。

5)滑坡涌浪计算模型的研究

在N—S方程求解基础上，得到速度场分布以后，通过计算浓度场的对流方程就可以得到浓度场分布规律，再根据质量守恒系数和自由表面光滑系数校正浓度场，由浓度场和初始空气与水的密度、粘度重新构建N—S方程中的密度和粘度系数，以便实现N—S方程水波随着时间演化传播特点。计算过程中，流体自由表面的跟踪由浓度值的大小决定。

在N—S方程，本项目拟采用

作浓度方程进行跟踪自由表公式中：Φ是计算单元浓度值，v表示x方向流速，x表示河流主槽方向，a、b为物理常数(根据相关文献拟定)，k为扩散系数，t为时间(根据水波传输距离和计算规模实时确定单位时间，一般为小时)。

本项目将滑坡体看成一种由流体、气体、水体组成的三相非定长流，在(6)式基础上，引入滑坡体浓度场控制方程

以及三者(滑坡体、水体和气体)组分控制方程。

滑坡体形状和物理参数(如密度、粘度等)可根据实际滑坡体现场勘测和物理模型试验获取，空气、气体的密度及粘度、扩散系数等可参照相关资料取定。计算过程与N—S方程水波模型类似，流体自由表面的跟踪依据水体、空气浓度场变化确定。

6)为了证实计算结果的可靠性、涌浪经过弯道后的变化及涌浪的遇坝爬高及反射规律，设计室内模型水槽进行滑坡涌浪模型试验。该模型设计为两个半箱组合体，一个半箱体设置斜坡和滑坡体，且斜坡角度范围为30°—90°，以便改变滑坡体物理特征(厚度、形状特征)和滑速大小，另一个半箱体中按照一定河谷形态和比例布设河道及大坝模型。试验中利用摄影机记录不同滑坡体以不同滑速入水过程中水波的传播规律，例如涌浪波形、波高、传递时间等，同时利用坝体模型中布设的压力传感器测定不同水位条件下水波冲击大坝压力作用时间历程。该试验装置既能模拟不同坡角和形态滑坡体入水后涌浪过程及最大涌浪高，也可以测定涌浪在平直河道和弯道河道的传播规律。根据涌浪传播特点和传感器测试压力随时间变化值，结合能量守恒定律，推求涌浪冲击波分布概率密度函数和探寻能量转换机理。

密度函数：

7)利用实验室内的各种模型试验中测定的不同滑坡体质量m、摩擦参数μ、滑坡体在滑槽开始滑动的位置和滑槽末端之间的距离L，可以求出滑坡体在恰好入水那一刻的速度V，进而求出沿水槽方向即x方向速度V；

8)利用高速摄影机8和浪高仪7记录不同试验中不同滑坡体以不同滑速在水槽2或3中入水过程的水波传播规律(涌浪波形、波高、传递时间、周期)；

9)根据测定的相关数据绘出波形时域图、波高时域图，从而得到不同坡角和形态滑坡体入水后涌浪过程及最大涌浪高，并测定出涌浪在平直河道和弯曲河道的传播规律；

10)利用混凝土重力坝9或混凝土双曲拱坝或碾压土石坝与直河道水槽2、弯曲河道水槽3进行六组试验,压力传感器测定不同试验中不同水位下水波冲击该三种大坝模型的压力作用时间历程，从而绘制出相应的压力时间历程图和应力时间历程图；

11)为了证实滑坡涌浪计算模型的计算结果可靠性和准确性，在不同大坝和不同河道组成的六种涌浪模型试验中，不仅将通过这些涌浪模型得到的多种试验结果进行内部对比分析和论证，得到最优方案和滑坡涌浪在河道中传播演化过程和滑坡涌浪产生机理及传播规律，还可以将这些试验结果与通过滑坡涌浪计算模型得到的结果进行对比分析和论证，来进一步验证在N—S方程水波模型求解基础上，结合滑坡涌浪物理实验和现场参数测定，形成的拟构建的滑坡涌浪计算模型的可靠性、合理性和普适性；

12)根据涌浪传播特点和压力传感器测试压力随时间变化值，结合能量守恒定律，推求涌浪冲击波分布概率密度函数和探寻能量转换机理；

13)利用涌浪冲击波分布概率密度函数，将大坝表面作为反射和受力边界，引入损伤边界面来考虑大坝损伤效应，通过损伤边界和损伤效应函数实现结构从初始局部损伤到整体失稳全过程的研究，从而建立不同大坝抗冲击损伤开裂的三维仿真模型；

14)根据混凝土大坝抗冲击损伤开裂三维仿真模型和涌浪传播机理，对大坝在不同冲击波作用下的力学特性和损伤机理开展研究，以达到实时预测寿命和评价结构整体安全的目的。

该试验主要是根据极端降水气象资料，利用统计学与水文学知识，收集流域水文、地理以及防洪影响资料，通过N—S方程水波模型求解算法，实现N—S方程水波随着时间逐渐演变传播特点，在考虑滑坡体的物质组成、形状、物理参数及其运动状态的前提下，测定空气、水体的密度、扩散系数，建立一种滑坡涌浪计算模型，通过该模型从而得到滑坡涌浪在河道中传播演化过程和滑坡涌浪产生机理及传播规律；

然后通过建立多种不同河道和不同大坝模型，解决了室内库区滑坡涌浪的模拟实验技术，利用相关资料和各种测试仪器得到的滑坡体、气体、水体组成的三相流的质量、密度、粘度、扩散系数等数据以及利用浪高仪和高速摄影机得到的源数据，绘出波形时域图、波高时域图，从而得到不同坡角和形态滑坡体入水后涌浪过程及最大涌浪高，并测定出涌浪在平直河道和弯曲河道的传播规律，利用压力传感器测得的源数据，绘制出压力时间历程图和应力时间历程图，来证实滑坡涌浪计算模型的准确性、合理性和普适性，根据涌浪传播特点和传感器测试压力随时间变化值，结合能量守恒定律，推求涌浪冲击波分布概率密度函数和探寻能量转换机理，并引入损伤边界面来考虑大坝损伤效应，通过损伤边界和损伤效应函数实现结构从初始局部损伤到整体失稳全过程的研究，从而建立混凝土大坝抗冲击损伤开裂三维仿真模型从而达到实时预测寿命和评价结构整体安全的目的。

该试验还利用几个压力传感器测定不同试验中不同水位下水波冲击大坝模型和水槽模型的压力作用时间历程，从而绘制出相应的压力时间历程图和应力时间历程图，得到水波对下游大坝和水槽冲击时波峰到达时间、冲击强度，然后根据涌浪传播特点和传感器测试压力随时间变化值。

试验观测各种方案下产生的波形、波高、周期、最大涌浪高，周期、水波各处的流量、水位、流速，压力大小等，数据采集仪器应用的是智能仪器与数据采集系统，该系统硬件方面由主机电路、模拟量输入输出通道、人机联系部件与接口电路、标准通信接口等部分组成，软件部分主要包括监控程序、接口管理程序和数据处理程序三大部分，其中监控程序面向仪器面板键盘和显示器，其内容包括人机对话的键盘输入及对仪器进行预定的功能设置，对处理后的数据以数字、字符、图形等形式显示等。接口管理程序主要通过接口电路进行数据采集、输入/输出通道控制、数据的通信及数据的存储等，数据处理程序主要完成数据的滤波、数据的运算、数据的分析等任务。

本发明实施例提供的研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的模型和方法，在考虑滑坡体的材料和运动状态的前提下，建立一种既能体现滑坡体与水体相互作用、又能考虑滑坡涌浪在河道特征的滑坡涌浪模型。该方法是根据N—S方程水波模型算法，实现N—S方程水波随着时间逐渐演变传播特点，在考虑滑坡体的物质组成、形状、物理参数及其运动状态的前提下，测定空气、水体的密度、扩散系数，建立一种滑坡涌浪计算模型(经过验证，发现在N—S方程水波模型求解基础上，通过引入新的浓度方程和组分校对方程，将滑坡体视作一种流体与水体、气体组成的三相非定常流，结合室内物理模型试验和现场参数测定，构建的滑坡涌浪计算模型是完全可行的)，通过该模型从而得到滑坡涌浪在河道中传播演化过程和滑坡涌浪产生机理及传播规律；

然后通过建立多种不同河道和不同大坝模型，解决了室内库区滑坡涌浪的模拟实验技术，在库区滑坡涌浪计算模型基础上，结合数值模拟和滑坡涌浪模型试验，利用相关仪器采集的源数据，通过多种滑坡涌浪模型方案来验证建立的滑坡涌浪计算模型的合理性和普适性，并得到滑坡涌浪的产生机理和传播规律；

然后引入损失边界面来考虑大坝损伤效应，通过涌浪模型的多种方案进行对比分析和论证，结合能量守恒定律，推求涌浪冲击波分布概率密度函数和探寻能量转换机理，并引入损伤边界面来考虑大坝损伤效应，通过损伤边界和损伤效应函数实现结构从初始局部损伤到整体失稳全过程的研究，从而建立混凝土大坝抗冲击损伤开裂三维仿真模型，从定性和定量的角度不仅揭示了滑坡涌浪的传播规律，还研究了涌浪在河流中波动二重性对大坝的损伤累积效应，从而达到研究大坝损伤和实时预测大坝剩余寿命的目的，能够从多种角度，精确、快速、合理地获得滑坡涌浪对大坝的各种影响因素，为进一步研究滑坡涌浪特性和传播规律，丰富水工设计规范中动水压力研究内容提供了理论基础和科学依据。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法和核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的方法,其特征是：所述方法包括以下步骤：

1)实测滑坡现场得到滑坡体的形状和质量m、密度ρ、粘度η物理参数；

2)收集的滑坡现场空气、水体的密度ρ、粘度η以及扩散系数K；

3)通过N—S方程和Euler方程的交替迭代求解方式,建立滑坡涌浪计算模型，求解方法如下:

A)在N—S方程水波模型求解中，将滑坡体质量m、密度ρ、粘度η物理参数及滑坡现场空气、水体的密度ρ、粘度η以及扩散系数K代入公式得到速度场分布，通过计算浓度场的对流方程得到浓度场分布规律；

B)利用质量守恒系数和自由表面光滑系数校正A)中浓度场分布规律，由浓度场分布规律和滑坡现场空气、水体的密度、粘度重新构建N—S方程中密度和粘度系数，从而实现N—S方程水波随着时间逐渐演化传播特点；

C)在N—S方程水波模型求解基础上，结合河道水位变化特点，充分考虑滑坡体与水体接触面粘滞性的特点，忽略滑坡体内部材料的相互作用，将滑坡体视作一种流体与水体、气体组成的三相非定常流，在靠近滑坡体与水体附近区域直接采用N—S方程求解，而远离滑坡体区域则采用Euler方程模拟整体流场，从而构建出了一种滑坡涌浪计算模型；

4)滑坡涌浪计算模型中，在N—S水波模型基础上，引入滑坡体浓度控制方程以及三者组分控制方程，计算过程与N—S水波模型类似，流体表面的跟踪依据水体、空气浓度场变化确定；

5)验证，具体步骤如下；

E)收集实验室的空气、水体的密度ρ、粘度η以及扩散系数K；

F)在实验室内测定不同类型滑坡体的质量m、摩擦参数μ、滑坡体在滑槽开始滑动的位置和滑槽末端之间的距离，可以求出滑坡体在恰好入水那一刻的速度V，进而求出沿水槽方向即x方向速度V；

G)记录不同滑坡体以不同滑速在不同水槽中入水过程的水波传播规律，包括涌浪波形、波高、传递时间；

Η)绘出不同滑坡体以不同滑速形成的波形时域图、波高时域图，从而得到不同坡角和形态滑坡体入水后涌浪过程及最大涌浪高，并测定出涌浪在平直河道和弯曲河道的传播规律；

I)收集坝体模型、水槽模型中不同滑坡体以不同滑速在不同水位下水波冲击的压力作用时间历程，从而绘制出压力时间历程图和应力时间历程图。

2.根据权利要求1所述的一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的方法，其特征是：在所述的I)步骤中，水槽模型的宽度、高度、及侧壁的曲线能任意改变。

3.根据权利要求1所述的一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的方法，其特征是：依据G)步骤中涌浪波形、波高、传递时间特点和I)步骤中坝体模型、水槽模型压力随时间变化值，结合能量守恒定律，揭示冲击波在类似半无限长弯曲河道传播过程及随机振荡特性，从而推求涌浪冲击波分布概率密度函数和探寻能量转换机理。

4.根据权利要求3所述的一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的方法，其特征是：利用涌浪冲击波分布概率密度函数，将坝体表面反射和受力边界，引入损伤边界面来考虑坝体模型损伤效应，通过损伤边界和损伤效应函数实现结构从初始局部损伤到整体失稳全过程的研究，从而建立不同大坝抗冲击损伤开裂的三维仿真模型。

5.根据权利要求4所述的一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的方法，其特征是：通过大坝抗冲击损伤开裂三维仿真模型和涌浪波形、波高、传递时间特点，对大坝在不同冲击波作用下的力学特性和损伤机理开展研究，以达到实时预测大坝寿命和评价结构整体安全的目的。