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

本发明专利技术属于水利工程领域，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水利工程领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种研究滑坡涌浪传播规律及其对大坝寿命预测的方法，其特征在于：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；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。...

【技术特征摘要】
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，其特征在于：
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

【专利技术属性】
技术研发人员：彭辉，吴胜亮，李密，张金来，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42