CN116362001A - 基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法 - Google Patents

基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法 Download PDF

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郭德存
陈宇
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Abstract

本发明公开了基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，包括：确定滑体质心、计算滑速变化值、计算入水速度和分析滑坡入水速度及涌浪特征，可以通过本方法确定滑体质心高度势能，并用以准确计算出不同库区库水位滑坡失稳入水速度和涌浪大小，计算出水电站库区水位升降时滑坡涌浪的浪高，避免了涌浪的灾害链和严重威胁大坝安全与稳定的问题，更好地解决了实际工程中的问题。

Description

基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法
技术领域
本发明涉及水利工程和岩土工程中库岸滑坡失稳涌浪灾害链技术领域，具体涉及基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法。
背景技术
在西南地区高坝大库的建设和运行过程中，库水位的频繁调度常常会引起库岸滑坡失稳滑动，进而产生涌浪灾害链，严重威胁了大坝的安全与稳定。因此，如何预测滑坡的入水速度及涌浪的大小是一个关键工程问题。现阶段对涌浪的预测方法主要分为经验公式法、模型试验法和数值模拟法。其中，经验公式法分析滑坡涌浪概念清晰、应用广泛、工程认可度高，但如何确定真实的入水速度目前并未提及。而在实际水电工程中，库水位的调度异常频繁，涌浪经验算法中涌浪大小对入水速度的取值非常敏感，确定不同水位下涌浪经验算法的入水速度尤为重要。
专利号为“CN201611191288.0”的“一种滑坡涌浪计算方法”，该发明公开了将库岸边坡滑坡体入水到涌浪传播各阶段作为完整统一的过程进行分析研究。采用原始的不可压缩粘性流体Navier-Stokes方程描述水体、空气、滑坡体的相互作用。采用改进的守恒式Level Set方法，准确捕捉流体自由表面，真实模拟涌浪产生过程，为涌浪传播及灾害预测提供合理的前提条件。在此基础上，采用沿水深积分的流体控制方程模拟涌浪传播过程，对涌浪运动轨迹和泛滥区域进行数值预报，评价涌浪灾害。但是该发明并没有对滑坡各个不同水位处进行预测，得到的结果并不准确，并不能精准地预测到滑坡，进而无法有效避免发生一系列灾害。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，该方法基于滑坡滑体质心距离不同水位间的高度势能的不同，来精确计算不同库区库水位滑坡失稳入水速度和涌浪的大小，设置高位滑坡入水速度的控制因素主要为重力势能，库水位的高度直接决定滑坡失稳入水速度及涌浪高度，根据滑体质心高度势能来计算滑坡的真实入水速度，进而更精准的预测滑坡涌浪的产生和传播特征。
为解决上述技术问题，本发明提供如下的技术方案：
S110、确定滑体质心，具体为确定目标区域的滑坡，根据目标滑坡各土层密度采用加权平均法确定所述滑体质心；
S120、计算滑速变化值，基于条分法计算目标滑坡失稳后单位时间内的滑速变化值；
S130、计算入水速度，采用单峰函数拟合得到滑速与时间曲线及表达式，再根据能量法计算质心不同高度势能下的滑动入水时长，将不同水位下的滑动时长代入所述拟合表达式计算得到入水速度；
S140、分析滑坡入水速度及涌浪特征，根据不同水位下的入水速度计算涌浪首浪高度、对岸浪高以及远场传播特征。
前述基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，在步骤S110中，所述确定滑体质心包括，将不同土层组成的滑坡体转化为均值体来确定质心，进而确定质心距离不同水面的高度，从能量角度确定滑体质心距水位不同高度的势能。
前述基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，所述滑体质心距水位不同高度势能计算式为：
Figure SMS_1
其中，
Figure SMS_2
为加权平均质量，g为重力加速度，H0为加权质心所在的高程，Hn为不同水位对应高程。
前述基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，在所述步骤S120中，应用所述条分法计算目标滑坡失稳后单位时间内的滑速变化值，应根据目标区域的水库水位情况考虑对水阻力修正，所述目标区域的滑坡为非悬于水面的高位滑坡时，应考虑水阻力对滑坡运动影响。
前述基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，所述目标区域的滑坡滑带强度参数选取应采用残余强度参数，所述残余强度参数的取值应根据所述滑带岩土试样环剪试验确定，所述水阻力的表达式为：
Figure SMS_3
其中，cw为粘滞阻力系数，ρf为浮密度，v为水下运动条块的速度，S为水下运动条块的表面积，所述浮密度为岩士体的密度与水密度之差。
前述基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，在所述步骤S130中，所述滑速和时间曲线的拟合中应用的单峰函数包括Extrme函数、Gauss函数和Lorenz函数，优化算法采用Levenberg-Marquardt优化算法，其中，拟合得到的滑速和时间曲线应包含明显的加速上升阶段、到达峰值速度和减速下降阶段。
前述基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，所述单峰函数的一般拟合表达式如下：
Figure SMS_4
Figure SMS_5
其中，v为滑速；t为滑动时间；v为滑速；a、b、c、d为拟合参数。
前述基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，在所述步骤S130中，将所述入水时长定义为所述目标区域的滑体滑动后至其质心接触水面瞬间的时长，所述能量法在计算不同水位下的入水时长时，应将所述目标区域的滑体重心距离水面的距离作计算标准，所述滑动时间计算公式如下：
Figure SMS_6
其中，t滑动时间；h为滑体重心离水面距离；φ为滑带土内摩擦角；c为滑带土粘聚力；α为滑面倾角；m为滑体质量。
前述基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，在所述步骤S130中，所述求解入水速度应根据所得到的拟合关系式进行带入计算，将滑动时长和入水速度作为主要输入条件进行后续涌浪计算。
前述基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，在所述步骤S140中，所述涌浪计算分为近场计算和远场计算，所述近场计算包括初始浪高、对岸浪高和对岸爬高，所述远场计算包括典型河道监测点的浪高及爬高；对水电站库区的河道还考虑枢纽区构筑物的浪高、爬高及涌浪冲击压力。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：切实考虑了滑坡滑体质心距离不同水位间的高度势能的不同等实际问题及影响因素，可以精确计算出不同库区库水位滑坡时失稳入水速度和涌浪的大小，还适用于高位滑坡入水速度的精确计算。
本申请的创新点在于：利用滑体质心移动特征和不同水位间的高度势能，极大程度地提高了计算不同库区库水位滑坡失稳入水速度和涌浪的大小的准确度，密切结合实际的建设及运行过程中的应用，及时解决了工程问题。
附图说明
图1是本发明的基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法流程图；
图2是本发明的实施例中水位下该滑坡的滑速和时间曲线示意图；
图3是本发明的实施例中滑坡滑体质心距四种水位的距离示意图；
图4是本发明的实施例中采用潘家铮法计算示意图；
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例1：基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，如图1所示，包括以下步骤：
S110、确定滑体质心，具体为确定目标区域的滑坡，根据目标滑坡各土层密度采用加权平均法确定所述滑体质心；
S120、计算滑速变化值，基于条分法计算目标滑坡失稳后单位时间内的滑速变化值；
S130、计算入水速度，采用单峰函数拟合得到滑速与时间曲线及表达式，再根据能量法计算质心不同高度势能下的滑动入水时长，将不同水位下的滑动时长代入所述拟合表达式计算得到入水速度；
S140、分析滑坡入水速度及涌浪特征，根据不同水位下的入水速度计算涌浪首浪高度、对岸浪高以及远场传播特征。
在实际工程中，以西南地区高坝大库的建设和运行为例，该大坝的库水位频繁调度引起库岸滑坡，进而导致失稳滑动，还会因此产生涌浪灾害链等一系列危害，将严重威胁到大坝的安全与稳定，如果可以精准获取大坝不同库水调度使得状态，则可以有效避免上述威胁、减少再发生的概率。现有的计算滑坡涌浪入水速度往往采用最大速度法，包括经验公式法、模型试验法和数值模拟法，其中潘家铮法计算滑速及涌浪在工程中广为应用，但实际计算中往往将峰值速度等效为入水速度进行涌浪计算，如何确定真实的入水速度目前在潘家铮法中并未提及。在上述方法中认为滑坡在下滑的过程中的最大速度为其入水速度，这样的计算方法由于仅是统计入水速度，不能把握滑坡的状态，也不能解决库水水位变动时，对滑坡入水状态进行精确模拟，也不能精确计算出水电站库区水位升降时滑坡涌浪的浪高等。而在实际水电工程中，库水位的调度异常频繁，涌浪经验算法中涌浪大小对入水速度的取值非常敏感，如何确定不同水位下涌浪经验算法的入水速度尤为重要。
因此，本发明提供了一种基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，以滑坡滑体的质心为基础，根据质心距离不同水位时，高度势能的不同来进行计算和统计，不同库区库水水位处滑坡入水速度和涌浪大小，尤其适用于高位滑坡入水速度的精确计算。因此，在本实施例中，首先确定滑坡滑体的质心，具体地，确定目标区域的滑坡，根据目标滑坡各土层密度采用加权平均法确定滑体质心。接着计算目标滑坡失稳后单位时间内的滑速变化值，与滑体质心一起对滑坡入水状态进行精确模拟。再具体计算滑体入水速度，采用单峰函数拟合得到滑速与时间曲线及表达式，根据能量法计算质心不同高度势能下的滑动入水时长，将不同水位下的滑动时长代入所述拟合表达式计算得到入水速度。最后分析滑坡入水速度及涌浪特征，进而可以精确地计算出水电站库区水位升降时滑坡浪涌的浪高，以此避免了一系列的涌浪灾害链的发生，降低了危害发生率。
具体地，在步骤S110中，确定滑体质心包括，将不同土层组成的滑坡体转化为均值体来确定质心，进而确定质心距离不同水面的高度，从能量角度确定滑体质心距水位不同高度的势能。
滑体质心距水位不同高度势能计算式为：
Figure SMS_7
其中，
Figure SMS_8
为加权平均质量，g为重力加速度，H0为加权质心所在的高程，Hn为不同水位对应高程。在本实施例中，根据滑坡各土层的密度采用加权平均法确定滑体质心，将不同土层组成的滑坡体转化为均值体来确定其质心，进而确定出质心距离不同水面的高度，从能量角度确定出质心距离不同水面的势能，并计算分析不同位置处的势能，并分析势能。
进一步地，在步骤S120中，应用条分法计算目标滑坡失稳后单位时间内的滑速变化值，应根据目标区域的水库水位情况考虑对水阻力修正，目标区域的滑坡为非悬于水面的高位滑坡时，应考虑水阻力对滑坡运动影响。
目标区域的滑坡滑带强度参数选取应采用残余强度参数，所述残余强度参数的取值应根据所述滑带岩土试样环剪试验确定，所述水阻力的表达式为：
Figure SMS_9
其中，cw为粘滞阻力系数，ρf为浮密度，v为水下运动条块的速度，S为水下运动条块的表面积，所述浮密度为岩士体的密度与水密度之差。在实际应用条分法时，条分法应根据水库水位情况考虑水阻力的修正，滑坡为非悬于水面的高位滑坡，应将水阻力对滑坡运动的影响考虑在内。另外，在滑坡滑带强度参数的选取上应采用残余强度参数，残余强度参数的取值应根据滑带岩土试样的环剪试验确定。
本发明的实施例2：基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，如图1、图2和图3所示，步骤S130中，滑速和时间曲线的拟合中应用的单峰函数包括Extrme函数、Gauss函数和Lorenz函数，优化算法采用Levenberg-Marquardt优化算法，其中，拟合得到的滑速和时间曲线应包含明显的加速上升阶段、到达峰值速度和减速下降阶段。
单峰函数的一般拟合表达式如下：
Figure SMS_10
Figure SMS_11
其中，v为滑速；t为滑动时间；v为滑速；a、b、c、d为拟合参数。
进一步地，将入水时长定义为所述目标区域的滑体滑动后至其质心接触水面瞬间的时长，能量法在计算不同水位下的入水时长时，应将目标区域的滑体重心距离水面的距离作计算标准，滑动时间计算公式如下：
Figure SMS_12
其中，t滑动时间；h为滑体重心离水面距离；
Figure SMS_13
为滑带土内摩擦角；c为滑带土粘聚力；α为滑面倾角；m为滑体质量。入水时长定义为滑体滑动后至质心接触水面瞬间的时长，能量法计算不同水位下的入水时长应将滑体的重心距离水面的距离作计算标准。
求解入水速度应根据所得到的拟合关系式进行带入计算，将滑动时长和入水速度作为主要输入条件进行后续涌浪计算。
在本实施例中，涌浪计算分为近场计算和远场计算，近场计算包括初始浪高、对岸浪高和对岸爬高，远场计算包括典型河道监测点的浪高及爬高；对于水电站库区的河道还考虑枢纽区构筑物的浪高、爬高及涌浪冲击压力。
以西南某地区滑坡为目标区域滑坡，如图2和图3所示，将得到滑速变化值采用Extrme单峰函数进行拟合，得到如图2所示的滑速和时间曲线，同时得到拟合方程：
Figure SMS_14
Figure SMS_15
其中，v为滑速；t为滑动时间；z为拟合参数。
再根据滑坡质心距四种水位的距离不同，采用能量法计算滑动入水的时长，如图3所示，示出四种水位的状态特点。可知各个水位处的质心距离水平面的位置均不相同，将各个位置的质心入水速度及涌浪高度算出后，即可掌握对实际情况的模拟结果。具体地，将不同水位下的滑动时长带入上述拟合表达式，即可算出四种水位处的入水速度，这样就可以准确的模拟出不同水位的滑坡状态，更好的进行预警处理，有效避免了各类灾害的发生。对比采用潘家铮法计算的涌浪首浪高度、对岸浪高以及远场传播特征，如图4所示，该方法并不能精准得到不同水位的滑坡状态，无法真正有效的对滑坡进行模拟，无法降低灾害的发生率。
本发明的一种实施例的工作原理：如图1所示，首先确定目标区域的滑坡及目标区域内的环境及影响因素，根据目标区域内的滑坡的各土层的密度确定处滑体的质心，其中可以采用加权平均法确定滑体质心。接着利用条分法计算目标区域内的滑坡失稳后，单位时间内的滑速变化值。然后采用单峰函数进行拟合，以得到滑速和时间曲线及其表达式，再根据能量法计算出质心不同高度势能下的滑动入水时长，再将不同水位下的滑动时长带入拟合表达式即可得到入水速度。最后，根据不同水位下的入水速度计算涌浪首浪高度、对岸浪高以及远场传播特征。采用本方法基于滑体质心高度势能来准确计算出不同库区库水位滑坡失稳入水速度和涌浪大小，精准计算出水电站库区水位升降时滑坡涌浪的浪高，避免了涌浪的灾害链和严重威胁大坝安全与稳定的问题，更好地解决了实际工程中的问题。

Claims (10)

1.基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，其特征在于，包括以下步骤：
S110、确定滑体质心，具体为确定目标区域的滑坡，根据目标滑坡各土层密度采用加权平均法确定所述滑体质心；
S120、计算滑速变化值，基于条分法计算目标滑坡失稳后单位时间内的滑速变化值；
S130、计算入水速度，采用单峰函数拟合得到滑速与时间曲线及表达式，再根据能量法计算质心不同高度势能下的滑动入水时长，将不同水位下的滑动时长代入所述拟合表达式计算得到入水速度；
S140、分析滑坡入水速度及涌浪特征，根据不同水位下的入水速度计算涌浪首浪高度、对岸浪高以及远场传播特征。
2.根据权利要求1所述的基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，其特征在于，在步骤S110中，所述确定滑体质心包括，将不同土层组成的滑坡体转化为均值体来确定质心，进而确定质心距离不同水面的高度，从能量角度确定滑体质心距水位不同高度的势能。
3.根据权利要求2所述的基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，其特征在于，所述滑体质心距水位不同高度势能计算式为：
Figure FDA0004086652360000011
其中，
Figure FDA0004086652360000012
为加权平均质量，g为重力加速度，H0为加权质心所在的高程，Hn为不同水位对应高程。
4.根据权利要求1所述的基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，其特征在于，在所述步骤S120中，应用所述条分法计算目标滑坡失稳后单位时间内的滑速变化值，应根据目标区域的水库水位情况考虑对水阻力修正，所述目标区域的滑坡为非悬于水面的高位滑坡时，应考虑水阻力对滑坡运动影响。
5.根据权利要求4所述的基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，其特征在于，所述目标区域的滑坡滑带强度参数选取应采用残余强度参数，所述残余强度参数的取值应根据所述滑带岩土试样环剪试验确定，所述水阻力的表达式为：
Figure FDA0004086652360000021
其中，cw为粘滞阻力系数，ρf为浮密度，v为水下运动条块的速度，S为水下运动条块的表面积，所述浮密度为岩士体的密度与水密度之差。
6.根据权利要求1所述的基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，其特征在于，在所述步骤S130中，所述滑速和时间曲线的拟合中应用的单峰函数包括Extrme函数、Gauss函数和Lorenz函数，优化算法采用Levenberg-Marquardt优化算法，其中，拟合得到的滑速和时间曲线应包含明显的加速上升阶段、到达峰值速度和减速下降阶段。
7.根据权利要求6所述的基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，其特征在于，所述单峰函数的一般拟合表达式如下：
Figure FDA0004086652360000031
Figure FDA0004086652360000032
其中，v为滑速；t为滑动时间；v为滑速；a、b、c、d为拟合参数。
8.根据权利要求1所述的基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，其特征在于，在所述步骤S130中，将所述入水时长定义为所述目标区域的滑体滑动后至其质心接触水面瞬间的时长，所述能量法在计算不同水位下的入水时长时，应将所述目标区域的滑体重心距离水面的距离作计算标准，所述滑动时间计算公式如下：
Figure FDA0004086652360000033
其中，t滑动时间；h为滑体重心离水面距离；φ为滑带土内摩擦角；c为滑带土粘聚力；α为滑面倾角；m为滑体质量。
9.根据权利要求1所述的基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，其特征在于，在所述步骤S130中，所述求解入水速度应根据所得到的拟合关系式进行带入计算，将滑动时长和入水速度作为主要输入条件进行后续涌浪计算。
10.根据权利要求1所述的基于滑体质心高度势能计算高位滑坡入水速度及涌浪方法，其特征在于，在所述步骤S140中，所述涌浪计算分为近场计算和远场计算，所述近场计算包括初始浪高、对岸浪高和对岸爬高，所述远场计算包括典型河道监测点的浪高及爬高；对水电站库区的河道还考虑枢纽区构筑物的浪高、爬高及涌浪冲击压力。
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