CN108073767A - 滑坡涌浪灾害的模拟计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滑坡涌浪灾害的模拟计算方法及装置，其中，方法包括：根据获取的地形、水位和滑坡体形状位置信息建立三维计算域模型；根据沿滑坡体厚度及水深方向积分的Navier‑Stokes偏微分方程组得到水体、滑坡体的运动及其相互作用，并根据滑坡体入水后水体压强的变化模拟涌浪产生、传播及沿岸爬高过程；可视化呈现滑坡运动及涌浪传播规律，并对涌浪运动轨迹和冲击影响区域进行数值预报，评价涌浪灾害。该方法可以通过对涌浪运动的特征参数和影响区域进行数值预报，评价涌浪灾害，对库岸滑坡及涌浪次生灾害的预测具有重大的理论意义和实用价值，而且对类似的泥石流、堰塞湖等地质灾害的数值模拟亦具有借鉴意义。
Description
技术领域
本发明涉及地质灾害、水利工程灾害预测及风险技术领域，特别涉及一种滑坡涌浪灾 害的模拟计算方法及装置。
背景技术
目前，国内在涌浪评估中所采用的传统工程方法(如美国土木工程学会(ASCE)推荐方 法或潘家铮法)是基于二维实验总结的经验公式，将滑坡体视为刚体，未能考虑滑坡体与 水体的相互作用，也不能考虑涌浪产生过程的三维效应，很难得到合理可信的计算结果。
另外目前的一些数值模拟方法，基本是利用能量守恒方程估算滑坡体入水前的滑速， 而后再依据经验公式计算初始涌浪，最后用计算流体力学的方法求解涌浪的传播过程。
然而，实际上高速滑坡体入水涌浪的过程是非常复杂的，涉及滑坡体与水体的相互耦 合。现有的数值方法，包括基于传统浅水方程的方法，不能准确反映两相间的强烈相互作 用，无法达到对滑坡体及涌浪运动特征的准确模拟。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种滑坡涌浪灾害的模拟计算方法，该方法对库岸 滑坡及涌浪次生灾害的预测具有重大的理论意义和实用价值，而且对类似的泥石流、堰塞 湖等地质灾害的数值模拟亦具有借鉴意义。
本发明的另一个目的在于提出一种滑坡涌浪灾害的模拟计算装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种滑坡涌浪灾害的模拟计算方法，包 括以下步骤：获取地形、水位和滑坡体形状位置信息；根据所述地形、水位和滑坡体形状 位置信息建立三维计算域模型；根据沿滑坡体厚度及水深方向积分的Navier-Stokes偏微分 方程组得到水体、滑坡体的运动及其相互作用，并根据滑坡体入水后水体压强的变化模拟 涌浪产生、传播及沿岸爬高过程；可视化呈现滑坡运动及涌浪传播规律，并对涌浪运动轨 迹和冲击影响区域进行数值预报，评价涌浪灾害。
本发明实施例的滑坡涌浪灾害的模拟计算方法，可以通过对滑坡体、水体的质量及动 量守恒方程沿深度积分，并考虑滑坡体入水后的动水压力作用，得到滑坡体与水体各自的 运动控制方程，并模拟滑坡体运动及涌浪传播过程，对涌浪运动的特征参数(如浪高、振 幅等)和影响区域进行数值预报，评价涌浪灾害，从而对库岸滑坡及涌浪次生灾害的预测 具有重大的理论意义和实用价值，而且对类似的泥石流、堰塞湖等地质灾害的数值模拟亦 具有借鉴意义。
另外，根据本发明上述实施例的滑坡涌浪灾害的模拟计算方法还可以具有以下附加的 技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，滑坡体运动的控制方程为：
其中，ρs、ρf分别为滑坡体与水体的密度，hs为滑坡体厚度，H为总水深，分别为水体与滑坡体沿x、y方向的速度，g为重力加速度，θ为地 形坡度，R为地形曲率半径，kap为侧向土压力系数，Cp为动水压力系数，n为曼宁阻力 系数，分别为床面阻力沿方向的分量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，涌浪模拟的控制方程为：
其中，η为涌浪高度，P、Q分别为水体沿x,y方向的体积通量，fd,fp分别为水体 与滑坡体交界面处的拖曳力与压力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述涌浪运动轨迹包括浪高和振幅。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过后处理程序进行可视化滑坡运动及涌浪传 播规律，所述后处理程序为Matlab或Surfer。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种滑坡涌浪灾害的模拟计算装置， 包括：获取模块，用于获取地形、水位和滑坡体形状位置信息；计算模块，用于根据所述地形、水位和滑坡体形状位置信息建立三维计算域模型；处理模块，用于根据沿滑坡体厚度及水深方向积分的Navier-Stokes偏微分方程组得到水体、滑坡体的运动及其相互作用，并根据滑坡体入水后水体压强的变化模拟涌浪产生、传播及沿岸爬高过程；预测模块，用于可视化呈现滑坡运动及涌浪传播规律，并对涌浪运动轨迹和冲击影响区域进行数值预报， 评价涌浪灾害。
本发明实施例的滑坡涌浪灾害的模拟计算装置，可以通过对滑坡体、水体的质量及动 量守恒方程沿深度积分，并考虑滑坡体入水后的动水压力作用，得到滑坡体与水体各自的 运动控制方程，并模拟滑坡体运动及涌浪传播过程，对涌浪运动的特征参数(如浪高、振 幅等)和影响区域进行数值预报，评价涌浪灾害，从而对库岸滑坡及涌浪次生灾害的预测 具有重大的理论意义和实用价值，而且对类似的泥石流、堰塞湖等地质灾害的数值模拟亦 具有借鉴意义。
另外，根据本发明上述实施例的滑坡涌浪灾害的模拟计算装置还可以具有以下附加的 技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，滑坡体运动的控制方程为：
其中，ρs、ρf分别为滑坡体与水体的密度，hs为滑坡体厚度，H为总水深，分别为水体与滑坡体沿x、y方向的速度，g为重力加速度，θ为地 形坡度，R为地形曲率半径，kap为侧向土压力系数，Cp为动水压力系数，n为曼宁阻力 系数，分别为床面阻力沿方向的分量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，涌浪模拟的控制方程为：
其中，η为涌浪高度，P、Q分别为水体沿x,y方向的体积通量，fd,fp分别为水体 与滑坡体交界面处的拖曳力与压力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述涌浪运动轨迹包括浪高和振幅。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过后处理程序进行可视化滑坡运动及涌浪传 播规律，所述后处理程序为Matlab或Surfer。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和 容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的滑坡涌浪灾害的模拟计算方法的流程图；
图2为根据本发明一个实施例的滑坡涌浪灾害模型的示意图；
图3为根据本发明一个实施例的滑坡涌浪灾害的模拟计算装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在介绍滑坡涌浪灾害的模拟计算方法及装置之前，先简单介绍一下水库库岸滑坡的问 题及危害。
水库库岸滑坡是水库蓄水运行期间普遍存在的问题。由于库岸岸坡受库水浸泡、风浪冲击、水流侵蚀、水位涨落以及地震等因素的影响，会产生的库岸坍(崩)塌、 滑移等不利地质现象。滑坡体，特别是大规模滑坡体入水产生的涌浪的破坏力巨大， 会对水库的挡水建筑物、库区内的其他建筑物、水上交通、库区周边人民的生命财产 安全等造成重大影响。
正是基于上述原因，本发明实施例提出了一种滑坡涌浪灾害的模拟计算方法及装置。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的滑坡涌浪灾害的模拟计算方法及装置， 首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的滑坡涌浪灾害的模拟计算方法。
图1是本发明一个实施例的滑坡涌浪灾害的模拟计算方法的流程图。
如图1所示，该滑坡涌浪灾害的模拟计算方法包括以下步骤：
在步骤S101中，获取地形、水位和滑坡体形状位置信息。
可以理解的是，本发明实施例可以通过相应的获取装置获取地形、水位和滑坡体形 状位置信息。
在步骤S102中，根据地形、水位和滑坡体形状位置信息建立三维计算域模型。
也就是说，本发明实施例可以根据实际的地形资料、已监测到的潜在滑坡体形状位置信息，利用前处理软件，如ArcGIS、Surfer等建立三维计算域模型。
在步骤S103中，根据沿滑坡体厚度及水深方向积分的Navier-Stokes偏微分方程组得 到水体、滑坡体的运动及其相互作用，并根据滑坡体入水后水体压强的变化模拟涌浪产生、 传播及沿岸爬高过程。
可以理解的是，本发明实施例可以利用本发明推导的沿滑坡体厚度及水深方向积分的Navier-Stokes偏微分方程组描述水体、滑坡体的运动及其相互作用，考虑滑坡体 入水后水体压强的变化，真实模拟涌浪产生、传播及沿岸爬高过程。也即本发明实施例 可以将库岸滑坡体入水到涌浪传播、爬高各阶段作为统一的过程进行模拟分析，其中模型 如图2所示。
进一步地，在本发明的一个实施例中，滑坡体运动的控制方程为：
其中，ρs、ρf分别为滑坡体与水体的密度，hs为滑坡体厚度，H为总水深，分别为水体与滑坡体沿x、y方向的速度，g为重力加速度，θ为地 形坡度，R为地形曲率半径，kap为侧向土压力系数，Cp为动水压力系数，n为曼宁阻力 系数，分别为床面阻力沿方向的分量。
可以理解的是，本发明实施例可以考虑动水圧强后的沿深度积分的模型采用两套参考坐标系，滑坡体的求解采用沿坡面的坐标系，波浪的求解采用常规的笛卡尔坐标 系，并通过滑坡体-水体交界面处的相互作用进行耦合。假设滑坡体运动过程中密度保 持不变，则滑坡体运动的控制方程可表示为：
其中，方程(1)代表滑坡体连续方程，方程(2)和(3)分别代表滑坡体沿方向动量方程；式中ρs、ρf分别为滑坡体与水体的密度，hs为滑坡体厚度，H为总水 深，分别为水体与滑坡体沿x、y方向的速度，g为重力加速度，θ 为地形坡度，R为地形曲率半径，kap为侧向土压力系数，Cp为动水压力系数，n为曼 宁阻力系数，分别为床面阻力沿方向的分量。对于方程(2)和(3)， 等式右边的各项分别表征滑坡运动过程中重力、滑坡体内部压力、界面处水体压力、 界面处水体拖曳力和底部摩擦阻力对滑坡体的影响作用。
对于滑坡体运动方程(2)、(3)中的未知参数需要进一步模化，侧向土压力系 数kap可以表示为：
其中，为滑坡体组成材料的内摩擦角，是基底摩擦角。当滑坡体处于压缩状态时，上式取“+”，此时kap称为被动压力系数；当滑坡体处于膨胀状态时，上式取“-”， 此时kap称为主动压力系数。
床面阻力起阻碍滑坡体运动，促使滑坡体最终沉积的作用，采用床面摩擦模型进行模化，床面阻力与滑坡体的有效正应力成正比，可以表示为：
其中，为滑坡体的正应力，计算公式可用公式(7)表示；ru为孔隙水压力，取 值范围为0～1。公式(7)为：
进一步地，在本发明的一个实施例中，涌浪模拟的控制方程为：
其中，η为涌浪高度，P、Q分别为水体沿x,y方向的体积通量，fd,fp分别为水体 与滑坡体交界面处的拖曳力与压力。
可以理解的是，对于涌浪模拟的控制方程是：
其中，方程(8)代表水体连续方程，方程(9)和(10)分别代表水体沿x,y方向 动量方程；式中η为涌浪高度，P、Q分别为水体沿x,y方向的体积通量，fd,fp分别 为水体与滑坡体交界面处的拖曳力与压力。fd、fp可用如下公式表示：
在步骤S104中，可视化呈现滑坡运动及涌浪传播规律，并对涌浪运动轨迹和冲击影 响区域进行数值预报，评价涌浪灾害。
也就是说，本发明实施例可以进行可视化滑坡运动及涌浪传播规律，对涌浪运动轨迹和冲击影响区域进行数值预报，评价涌浪灾害。
可选地，在本发的一个实施例中，涌浪运动轨迹包括浪高和振幅。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过后处理程序进行可视化滑坡运动及涌浪传 播规律，后处理程序为Matlab或Surfer。
可以理解的是，本发明实施例可以通过上述的数值求解便可得到每一时刻滑坡体厚度、速度；涌浪波高、传播速度等信息，利用该信息数据，采用后处理软件，如Matlab、Surfer等进行可视化滑坡运动及涌浪传播规律，对涌浪运动轨迹和冲击影响区域进行数值预报，评价涌浪灾害。
根据本发明实施例提出的滑坡涌浪灾害的模拟计算方法，可以通过对滑坡体、水体的 质量及动量守恒方程沿深度积分，并考虑滑坡体入水后的动水压力作用，得到滑坡体与水 体各自的运动控制方程，并模拟滑坡体运动及涌浪传播过程，对涌浪运动的特征参数(如 浪高、振幅等)和影响区域进行数值预报，评价涌浪灾害，从而对库岸滑坡及涌浪次生灾 害的预测具有重大的理论意义和实用价值，而且对类似的泥石流、堰塞湖等地质灾害的数 值模拟亦具有借鉴意义。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的滑坡涌浪灾害的模拟计算装置。
图3是本发明一个实施例的滑坡涌浪灾害的模拟计算装置的结构示意图。
如图3所示，该滑坡涌浪灾害的模拟计算装置10包括：获取模块100、计算模块200、处理模块300和预测模块400。
其中，获取模块100用于获取地形、水位和滑坡体形状位置信息。计算模块200用于根据地形、水位和滑坡体形状位置信息建立三维计算域模型。处理模块300用于根据沿滑坡体厚度及水深方向积分的Navier-Stokes偏微分方程组得到水体、滑坡体的运动及其相互 作用，并根据滑坡体入水后水体压强的变化模拟涌浪产生、传播及沿岸爬高过程。预测模 块400用于可视化呈现滑坡运动及涌浪传播规律，并对涌浪运动轨迹和冲击影响区域进行 数值预报，评价涌浪灾害。本发明实施例的装置10对库岸滑坡及涌浪次生灾害的预测具有 重大的理论意义和实用价值，而且对类似的泥石流、堰塞湖等地质灾害的数值模拟亦具有 借鉴意义。
进一步地，在本发明的一个实施例中，滑坡体运动的控制方程为：
其中，ρs、ρf分别为滑坡体与水体的密度，hs为滑坡体厚度，H为总水深，分别为水体与滑坡体沿x、y方向的速度，g为重力加速度，θ为地 形坡度，R为地形曲率半径，kap为侧向土压力系数，Cp为动水压力系数，n为曼宁阻力 系数，分别为床面阻力沿方向的分量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，涌浪模拟的控制方程为：
其中，η为涌浪高度，P、Q分别为水体沿x,y方向的体积通量，fd,fp分别为水体 与滑坡体交界面处的拖曳力与压力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，涌浪运动轨迹包括浪高和振幅。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过后处理程序进行可视化滑坡运动及涌浪传 播规律，后处理程序为Matlab或Surfer。
需要说明的是，前述对滑坡涌浪灾害的模拟计算方法实施例的解释说明也适用于该实 施例的滑坡涌浪灾害的模拟计算装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的滑坡涌浪灾害的模拟计算装置，可以通过对滑坡体、水体的 质量及动量守恒方程沿深度积分，并考虑滑坡体入水后的动水压力作用，得到滑坡体与水 体各自的运动控制方程，并模拟滑坡体运动及涌浪传播过程，对涌浪运动的特征参数(如 浪高、振幅等)和影响区域进行数值预报，评价涌浪灾害，从而对库岸滑坡及涌浪次生灾 害的预测具有重大的理论意义和实用价值，而且对类似的泥石流、堰塞湖等地质灾害的数 值模拟亦具有借鉴意义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、 “顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的 方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或 元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者 隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐 含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三 个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术 语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元 件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术 人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是 第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特 征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅 仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面” 可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二 特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包 含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须 针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一 个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合 和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种滑坡涌浪灾害的模拟计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取地形、水位和滑坡体形状位置信息；
根据所述地形、水位和滑坡体形状位置信息建立三维计算域模型；
根据沿滑坡体厚度及水深方向积分的Navier-Stokes偏微分方程组得到水体、滑坡体的运动及其相互作用，并根据滑坡体入水后水体压强的变化模拟涌浪产生、传播及沿岸爬高过程；以及
可视化呈现滑坡运动及涌浪传播规律，并对涌浪运动轨迹和冲击影响区域进行数值预报，评价涌浪灾害。
2.根据权利要求1所述的滑坡涌浪灾害的模拟计算方法，其特征在于，滑坡体运动的控制方程为：
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3.根据权利要求2所述的滑坡涌浪灾害的模拟计算方法，其特征在于，涌浪模拟的控制方程为：
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其中，η为涌浪高度，P、Q分别为水体沿x,y方向的体积通量，fd,fp分别为水体与滑坡体交界面处的拖曳力与压力。
4.根据权利要求1所述的滑坡涌浪灾害的模拟计算方法，其特征在于，所述涌浪运动轨迹包括浪高和振幅。
5.根据权利要求1-4任一项所述的滑坡涌浪灾害的模拟计算方法，其特征在于，通过后处理程序进行可视化滑坡运动及涌浪传播规律，所述后处理程序为Matlab或Surfer。
6.一种滑坡涌浪灾害的模拟计算装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取地形、水位和滑坡体形状位置信息；
计算模块，用于根据所述地形、水位和滑坡体形状位置信息建立三维计算域模型；
处理模块，用于根据沿滑坡体厚度及水深方向积分的Navier-Stokes偏微分方程组得到水体、滑坡体的运动及其相互作用，并根据滑坡体入水后水体压强的变化模拟涌浪产生、传播及沿岸爬高过程；以及
预测模块，用于可视化呈现滑坡运动及涌浪传播规律，并对涌浪运动轨迹和冲击影响区域进行数值预报，评价涌浪灾害。
7.根据权利要求6所述的滑坡涌浪灾害的模拟计算装置，其特征在于，滑坡体运动的控制方程为：
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其中，ρs、ρf分别为滑坡体与水体的密度，hs为滑坡体厚度，H为总水深，v(vx,vy)分别为水体与滑坡体沿x、y方向的速度，g为重力加速度，θ为地形坡度，R为地形曲率半径，kap为侧向土压力系数，Cp为动水压力系数，n为曼宁阻力系数，分别为床面阻力沿方向的分量。
8.根据权利要求7所述的滑坡涌浪灾害的模拟计算装置，其特征在于，涌浪模拟的控制方程为：
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其中，η为涌浪高度，P、Q分别为水体沿x,y方向的体积通量，fd,fp分别为水体与滑坡体交界面处的拖曳力与压力。
9.根据权利要求6所述的滑坡涌浪灾害的模拟计算装置，其特征在于，所述涌浪运动轨迹包括浪高和振幅。
10.根据权利要求6-9任一项所述的滑坡涌浪灾害的模拟计算装置，其特征在于，通过后处理程序进行可视化滑坡运动及涌浪传播规律，所述后处理程序为Matlab或Surfer。
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