CN117473892A - 一种基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，包括以下步骤：(1)设置岩土体参数与边界条件，以及水体参数和水流条件；(2)以河道转角为变量建立河道、滑坡体和水体模型；(3)运行CFD软件模拟滑体失稳运动、涌浪产生以及传播过程；(4)根据模拟结果分析涌浪高度与河道转角的关系，得出弯曲河道涌浪传播过程浪高折减系数；(5)使用折减系数修正潘家铮公式用于涌浪传播高度计算。本发明解决了潘家铮公式未考虑河道弯曲影响，仅适用于直线河道，难以准确模拟弯曲河道坡涌浪传播规律、计算得出涌浪高度不准确的问题，使计算结果更加符合实际。
Description
技术领域
本发明涉及水利土木工程领域中的滑坡涌浪的模拟方法，尤其涉及一种基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法。
背景技术
滑坡涌浪是指由于岩石崩塌或滑坡体高速冲入水体产生涌浪并传播到河道或库区的各个区域，滑坡涌浪具有很高的能量与毁灭性，涌浪高度通常可达几十米或数百米，对河道或库区沿岸的基础设施造成灾难性破坏。因此全面准确评价滑坡涌浪全过程对确保库区的正常安全运行有重要意义。
在解决滑坡涌浪传播的计算问题中，潘家铮公式作为一种理论计算公式，假设条件简单，操作便捷，在计算直线型河道涌浪高度时的实用性强，然而理论公式法的计算受边界条件影响较大，在多数情况下，河道呈现弯曲形态，导致潘家铮公式对弯曲河道计算得出的结果与实际结果存在一定的误差，因此试验假定过于理想，计算结果不够准确是当前滑坡涌浪传播预测技术的主要问题。
在目前诸多研究涌浪传播的方法中，物理模型试验是常见的传统方法，但此方法存在试验周期长、投入成本高、试验数据样本有限等诸多局限性，这是滑坡涌浪问题研究不足的原因之一。随着计算机技术发展，数值模拟方法在国内不断推广，该方法能够较短时间内进行大量工况模拟，计算过程效率高，计算结果可靠，相比传统方法具备高效、经济、准确、灵活的优点。
如何在模拟涌浪传播的同时又兼顾弯曲河道对水体的影响，准确反映弯曲涌浪高度衰减的过程，使计算结果更精确成为一个亟待解决的技术问题；此外，如何在考虑试验结果准确性的前提下，进一步缩短试验周期、提升试验效率也是重要的待解决的技术问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中滑坡涌浪存在的问题，本发明提出一种基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，解决了潘家铮公式在计算滑坡涌浪传播过程中未考虑河道弯曲对涌浪传播的影响，计算得出涌浪高度不准确的问题，使滑坡涌浪计算结果更加符合实际。
技术方案：本发明基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法包括以下步骤：
(1)在物理参数模块设置重力加速度；根据滑坡地质情况设置颗粒流模块的相关参数，所述相关参数包括岩土体参数、水体参数和模块参数；在流体模块设置流体为层流；
(2)根据滑坡地质情况建立并导出以河道转角为变量的河道、滑坡体与水体模型，并布置监测点；
(3)运行CFD软件FLOW-3D模拟滑体运动、滑坡失稳、涌浪产生与传播过程；
(4)根据步骤(3)中得出的滑坡涌浪模拟结果，导出不同河道转角条件下的涌浪高度峰值，根据涌浪高度与河道转角的关系，使用分析软件origin拟合得出弯曲河道涌浪传播过程浪高折减系数η；
(5)使用折减系数修正潘家铮公式用于涌浪传播高度计算。
步骤(1)包括以下过程：
(1.1)在物理参数模块中，重力加速度为z＝-9.81m/s2，在密度函数模块设置设置密度方程为一阶传递；
(1.2)在颗粒流模块中，岩土体参数包括平均粒径d mm,固体颗粒密度ρs(kg/m3),休止角φ(°)和运动角(°)；水体参数包括液体密度ρ(kg/m3),液体粘度μ(Pa·s)；模块参数包括最大颗粒体积分数全局通道系数，机械干扰临界体积分数/>最小颗粒体积分数颗粒阻力乘数Cdrg，阈值速度乘数，颗粒恢复系数e；在流体模块设置水流条件为层流。
步骤(2)包括以下过程：
(2.1)建立河道转角为0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，90°，100°，110°，120°的一系列河道模型，其中河道的深度、宽度及其它几何条件相同；布置监测点时，由于涌浪能量导致有沿程损失，因此控制各组试验首浪至监测点的路程相同，具体方法是保证滑坡体距离河道转角P1的距离相同，涌浪经过河道转角时，在各组涌浪经过相同的弯曲区段路程条件下，根据河道角度推算后续监测点的位置，得出后续监测点坐标。
(2.2)在距离河道转角相同距离的上游同一高程处建立几何特征相同的滑坡体模型；具体步骤为根据在rhino7中建立有特定长度、宽度、厚度的几何体；其中的几何特征是指滑坡体的长度、宽度和厚度。
(2.3)建立水深相同的水体模型，具体步骤为根据水体几何形状在rhino7中建立的几何体,其中各组几何体高度一致，每组水体的弯曲部分的弯曲角度与对应的河道模型弯曲角度相同；
(2.4)将建立的河道模型、滑坡体模型、河流模型导出为stl文件。
步骤(3)包括以下过程：
(3.1)创建工作空间，将每个河道转角工况单独设置为一个项目；
(3.2)根据滑坡用时和涌浪传递至监测点用时确定计算时长；根据计算时长设置计算时间间隔，并逐渐减小计算时间间隔以获得更精准的模拟效果；
(3.3)导入步骤(2.4)中生成的stl文件；
(3.4)设置输出计算内容为流速、颗粒物料体积分数、水力学数据、宏观密度和压强；
(3.5)运行项目，对滑坡涌浪过程中河道区域内水位进行求解，并生成fls文件用于后续的监测。
步骤(3.2)中，对首次运行生成的fls文件进行后处理，得到涌浪到达河道转角处所需时间。
步骤(4)包括以下过程：
(4.1)输入步骤(2.1)得出的监测点坐标，导出监测点涌浪高度时程曲线；其中横坐标为时间轴，纵坐标为涌浪高度，反映涌浪传播到该监测点的时间以及最高涌浪高度；
(4.2)将各监测点涌浪高度峰值导出，生成河道转角与涌浪高度峰值散点关系图，如图5所示；
(4.3)得出河道转角与涌浪高度的关系。具体的，当θ<80°时，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数≧0.8时，适合对涌浪高度峰值和河道转角的函数进行线性拟合；当θ>80°时，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数小于0.8时，选取涌浪高度峰值最大值作为涌浪高度参考值，对应河道转角为60°的情况。
步骤(5)包括以下过程：
(5.1)使用潘家铮公式计算直线边界情况下的涌浪传播高度ξp，方法为确定首浪高度ξ0，B为河道宽，滑坡体距监测点距离x0，滑坡体沿河道长度L参数后将数值代入公式
(5.2)根据河道转角得出折减系数η。
(5.3)将(5.1)得出的涌浪传播高度与折减系数相乘得到修正后的涌浪传播高度ξc。
步骤(5.2)中，当河道转角θ<80°时，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数≥0.8时，对二者数值关系进行线性拟合，根据涌浪峰值高度与自变量因子x＝(tanθ)0.5关系，得到弯曲河道涌浪高度折减系数η与河道转角θ的定量关系，η＝1-0.049(tanθ)0.5(θ≤80°)。
当θ>80°时，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数<0.8时，选取涌浪高度峰值最大值作为涌浪高度参考值，对应图5中河道转角为60°的情况，求得弯曲河道涌浪高度折减系数η＝0.93(θ>80°)，综上折减系数为
工作原理：本发明基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，包括以下步骤：(1)设置岩土体参数与边界条件，以及水体参数和水流条件；(2)以河道转角为变量建立河道、滑坡体和水体模型；(3)运行CFD软件模拟滑体失稳运动、涌浪产生以及传播过程；(4)根据模拟结果分析涌浪高度与河道转角的关系，得出弯曲河道涌浪传播过程浪高折减系数；(5)使用折减系数修正潘家铮公式用于涌浪传播高度计算。本发明解决了潘家铮公式未考虑河道弯曲影响，计算得出涌浪高度不准确的问题，使计算结果更加符合实际。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用CFD软件FLOW-3D实现滑坡涌浪的产生、传播与监测，获得不同河道转角与涌浪传播峰值衰减程度的数值关系，得出折减系数，进而提高理论公式准确性。
(2)与现有技术相比，本发明解决了现有涌浪传播计算公式仅适用于直线河道，难以准确模拟弯曲河道坡涌浪传播规律的技术缺陷，减小了模拟结果的误差；相比物理模型实验方法，使用数值模拟的方法能够快速准确地对大量不同河道转角工况实现计算，相对经济且灵活。
附图说明
图1为本发明基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例中的构建模型俯视示意图；
图3为本发明实施例中某监测点的涌浪高度时程曲线图；
图4为本发明实施例中的获取计算结果监测点示意图；
图5为本发明实施例中的不同监测点河道转角与涌浪高度关系图；
图6为本发明实施例中的涌浪高度与河道转角自变量因子关系图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法包括以下步骤：
(1)根据滑坡地质情况设置岩土体参数，水体参数和水流条件；
(2)根据滑坡地质情况建立并导出河道转角为变量的河道、滑坡体与水体模型，并布置监测点；
(3)运行CFD软件模拟滑体运动、滑坡失稳、涌浪产生与传播过程；
(4)根据步骤(3)中得出的滑坡涌浪模拟结果，分析涌浪高度与河道转角的关系，得出弯曲河道涌浪传播过程浪高折减系数η；
(5)使用折减系数修正潘家铮公式用于涌浪传播高度计算。
步骤(1)具体为以下过程：
(1.1)在物理参数模块中，设置重力加速度为z＝-9.81m/s2，密度函数模块设置密度方程为一阶传递，流体模块设置流体为层流；
(1.2)颗粒流模块中，涉及参数包括最大体积分数，最小体积分数，平均粒径，固体颗粒密度，流体密度，流体粘度，土颗粒摩擦角。
步骤(2)，中根据滑坡地质情况建立并导出河道转角为变量的河道、滑坡体与水体模型的过程具体为：
(2.1)建立河道转角为0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，90°，100°，110°，120°的一系列河道模型，如图2所示，由于涌浪能量有沿程损失，因此控制各组试验首浪至监测点的路程相同，具体方法是保证滑坡体距离河道转角P1的距离相同，实例为120m，涌浪经过河道转角时，在各组涌浪经过相同的弯曲区段路程条件下，根据河道角度推算后续监测点的位置，得出后续监测点坐标，如图4所示。
(2.2)在距离河道转角相同距离的上游同一高程处建立几何特征(滑坡体的长度、宽度、厚度)相同的滑坡体模型。具体步骤为根据在rhino7中建立有特定长度、宽度、厚度的几何体。
(2.3)建立水深相同的水体模型，具体操作步骤为根据水体几何形状在rhino7中建立的几何体,其中各组几何体高度一致，每组水体的弯曲部分的弯曲角度与对应的河道模型弯曲角度相同。
(2.4)将建立好的河道模型、滑坡体模型、河流模型导出为stl文件。
步骤(3)包括以下过程：
(3.1)创建工作空间，将每个河道转角工况单独设置为一个项目；
(3.2)根据滑坡用时和涌浪传递至监测点用时确定计算时长，根据计算时长设置计算时间间隔；其步骤是根据设置计算间隔为0.5s，逐渐减小计算时间间隔以获得更精准的模拟效果；
(3.3)导入步骤(2.4)已生成的stl文件；
(3.4)设置输出计算内容为流速,颗粒物料体积分数,水力学数据，宏观密度,压强。
步骤(4)包括以下过程：
(4.1)输入步骤(2.1)得出的监测点坐标，导出监测点涌浪高度时程曲线；如图3所示，其中横坐标为时间轴，纵坐标为涌浪高度，反映涌浪传播到该监测点的时间以及最高涌浪高度；
(4.2)将各监测点涌浪高度峰值导出，生成河道转角与涌浪高度峰值散点关系图，如图5所示；
(4.3)根据图5得出河道转角与涌浪高度的关系。当θ<80°时，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数≧0.8时，适合对涌浪高度峰值和河道转角的函数进行线性拟合；当θ>80°时，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数小于0.8时，选取涌浪高度峰值最大值作为涌浪高度参考值，对应图中河道转角为60°的情况。
步骤(5)包括以下过程：
(5.1)使用潘家铮公式计算直线边界情况下的涌浪传播高度ξp，方法为确定首浪高度ξ0，B为河道宽，滑坡体距监测点距离x0，滑坡体沿河长度L参数后将数值代入公式
(5.2)根据河道转角得出折减系数η。具体的，如图5所示，当θ<80°时，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数≧0.8时，对二者数值关系进行线性拟合，如图6所示，根据涌浪峰值高度与自变量因子x＝(tanθ)0.5关系，得到弯曲河道涌浪高度折减系数η与河道转角θ的定量关系，η＝1-0.049(tanθ)0.5(θ≤80°)；当θ>80°时，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数小于0.8时，选取涌浪高度峰值最大值作为涌浪高度参考值，对应图5中河道转角为60°的情况，求得弯曲河道涌浪高度折减系数η＝0.93(θ>80°)，综上折减系数为
(5.3)将步骤(5.1)中得出的涌浪传播高度与折减系数相乘得到修正后的涌浪传播高度ξc。
本发明以某滑坡产生的滑坡涌浪为例，具体过程如下：
1.根据滑坡地质情况设置岩土体参数，水体参数和水流条件；
2.根据滑坡地质情况建立并导出河道转角为变量的河道、滑坡体与水体模型。
3.运行CFD软件模拟滑体运动，涌浪产生与传播过程；
4.将各监测点涌浪高度峰值导出，生成河道转角与涌浪高度峰值散点关系图，如图5所示，其中P1至P8为沿程涌浪高度监测点；
5.根据计算结果导出涌浪高度数据，求得弯曲河道涌浪高度折减系数，分析河道转角与涌浪高度峰值的关系，具体的，当θ<80°时，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数≧0.8时，对二者数值关系进行线性拟合；如图6所示，根据涌浪峰值高度与自变量因子x＝(tanθ)0.5关系，得到弯曲河道涌浪高度折减系数η与河道转角θ的定量关系，η＝1-0.049(tanθ)0.5(θ≤80°)；当θ>80°时，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数小于0.8时，选取涌浪高度峰值最大值作为涌浪高度参考值，对应图5中河道转角为60°的情况，求得弯曲河道涌浪高度折减系数η＝0.93(θ>80°)，综上所述：
6.使用折减系数修正潘家铮公式用于涌浪传播高度计算，获得河道转角计算弯曲河道涌浪高度折减系数η，乘以使用潘家铮公式计算直线边界情况下得涌浪传播高度ξp，获得修正后的涌浪传播高度ξc。
Claims (10)
1.一种基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在物理参数模块设置重力加速度，根据滑坡地质情况设置颗粒流模块的相关参数，所述相关参数包括岩土体参数、水体参数和模块参数；在流体模块设置流体为层流；
(2)根据滑坡地质情况建立并导出以河道转角为变量的河道、滑坡体与水体模型，并布置监测点；
(3)运行CFD软件模拟滑体运动、滑坡失稳、涌浪产生与传播过程；
(4)根据步骤(3)得出的滑坡涌浪模拟结果，导出不同河道转角条件下的涌浪高度峰值，根据涌浪高度与河道转角θ的关系，得出弯曲河道涌浪传播过程浪高折减系数η；
(5)使用折减系数η修正潘家铮公式用于涌浪传播高度计算。
2.根据权利要求1所述的基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，其特征在于：步骤(1)包括以下过程：
(1.1)在物理参数模块中，设置密度方程为一阶传递，重力加速度为z＝-9.81m/s2；
(1.2)所述岩土体参数包括平均粒径dmm,固体颗粒密度ρskg/m3,休止角φ°和运动角°；水体参数包括液体密度ρkg/m3,液体粘度μPa·s；模块参数包括最大颗粒体积分数全局通道系数，机械干扰临界体积分数/>最小颗粒体积分数/>颗粒阻力乘数Cdrg，阈值速度乘数，颗粒恢复系数e。
3.根据权利要求1所述的基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，其特征在于：步骤(2)包括以下过程：
(2.1)建立河道转角为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°和120°的河道模型；其中，河道的深度、宽度及其它几何条件相同；控制各组试验首浪至监测点的路程相同；涌浪经过河道转角时，在各组涌浪经过相同的弯曲区段路程条件下，根据河道角度推算后续监测点坐标；
(2.2)在距离河道转角相同距离的上游同一高程处建立几何特征相同的滑坡体模型，即在rhino7中建立设定长度、宽度、厚度的几何体；
(2.3)建立水深相同的水体模型，具体步骤为根据水体几何形状在rhino7中建立多组几何体,各组几何体高度相同，每组水体的弯曲部分的弯曲角度与对应的河道模型弯曲角度相同；
(2.4)将建立的河道模型、滑坡体模型、水体模型导出为stl文件。
4.根据权利要求3所述的基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，其特征在于：步骤(2.1)中，控制各组试验首浪至监测点的路程相同的方法是保证滑坡体距离河道转角的距离相同，涌浪经过河道转角时，在各组涌浪经过相同的弯曲区段路程条件下，根据河道角度推算后续监测点的位置，得出后续监测点坐标。
5.根据权利要求3所述的基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，其特征在于：步骤(3)包括以下过程：
(3.1)创建工作空间，将每个河道转角工况设置为一个项目；
(3.2)根据滑坡用时和涌浪传递至监测点用时确定计算时长，根据计算时长设置计算时间间隔；
(3.3)导入步骤(2.4)中生成的stl文件；
(3.4)设置输出计算内容为流速、颗粒物料体积分数、水力学数据、宏观密度和压强；
(3.5)运行项目，对滑坡涌浪过程中河道区域内水位进行求解。
6.根据权利要求5所述的基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，其特征在于：步骤(3.2)中，对首次运行生成的fls文件进行后处理，得到涌浪到达河道转角处所需时间。
7.根据权利要求3所述的基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，其特征在于：步骤(4)包括以下过程：
(4.1)输入步骤(2.1)得出的监测点坐标，导出监测点涌浪高度时程曲线；
(4.2)将各监测点涌浪高度峰值导出，生成河道转角与涌浪高度峰值散点关系图；
(4.3)得出河道转角与涌浪高度的关系。
8.根据权利要求1所述的基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，其特征在于：步骤(5)包括以下过程：
(5.1)使用潘家铮公式计算直线边界情况下的涌浪传播高度ξp；方法为确定首浪高度ξ0，河道宽B，滑坡体距监测点距离x0，滑坡体沿河道长度L参数后代入公式
(5.2)根据河道转角得出折减系数η；
(5.3)将步骤(5.1)得出的涌浪传播高度与折减系数相乘得到修正后的涌浪传播高度ξ。
9.根据权利要求8所述的基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，其特征在于：步骤(5.2)中，当河道转角θ<80°，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数≥0.8时，根据涌浪峰值高度与自变量因子x＝(tanθ)0.5关系，得到弯曲河道涌浪高度折减系数η与河道转角θ的定量关系，η＝1-0.049(tanθ)0.5(θ≤80°)。
10.根据权利要求8所述的基于数值模拟弯曲河道涌浪传播浪高计算方法，其特征在于：步骤(5.2)中，当θ>80°时，涌浪高度峰值与河道转角相关性系数<0.8时，选取涌浪高度峰值最大值作为涌浪高度参考值，对应河道转角为60°，求得弯曲河道涌浪高度折减系数η＝0.93(θ>80°)。
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