庫(kù)區(qū)滑坡涌浪爬高研究現(xiàn)狀與展望

摘 要：在對(duì)庫(kù)區(qū)滑坡涌浪資料的整理分析基礎(chǔ)上，概述典型庫(kù)區(qū)滑坡涌浪實(shí)例及其災(zāi)害。滑坡涌浪會(huì)給庫(kù)區(qū)周圍居民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大威脅，為了更好地防治滑坡涌浪災(zāi)害，該文從滑坡涌浪爬高方面出發(fā)，對(duì)近年來(lái)滑坡涌浪在物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，在物理模型實(shí)驗(yàn)方面，研究者們通過(guò)調(diào)整不同的參數(shù)，如滑坡形狀、斜度、體積等，模擬滑坡涌浪的爬高過(guò)程，并得出一些重要的結(jié)論。在數(shù)值模擬方面，研究者們通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值方法計(jì)算滑坡涌浪的運(yùn)動(dòng)和爬升過(guò)程。這種方法可以很好地理解滑坡涌浪的動(dòng)力學(xué)行為，并預(yù)測(cè)其爬高過(guò)程。未來(lái)應(yīng)該繼續(xù)深入研究影響滑坡涌浪爬高行為的因素，以期取得更多的突破和進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：滑坡涌浪；爬高；物理模型實(shí)驗(yàn)；數(shù)值模擬；綜述

中圖分類號(hào)：P642.22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）27-0115-04

Abstract： Based on the collation and analysis of the data of surge landslides in the reservoir area， this paper summarizes the typical examples of landslide surges and their disasters in the reservoir area. The landslide surge will bring great threat to the life and property safety of the residents around the reservoir area. In order to better prevent the landslide surge disaster， this paper starts from the aspect of landslide surge climbing， this paper summarizes the research progress of landslide surge in physical model experiment and numerical simulation in recent years. In physical model experiment， researchers simulate the climbing process of landslide surge by adjusting different parameters， such as landslide shape， slope， volume and so on， and some important conclusions are drawn. In the aspect of numerical simulation， researchers establish mathematical models and use numerical methods to calculate the movement and climbing process of landslide surges. This method can well understand the dynamic behavior of landslide surge and predict its climbing process. In the future， we should continue to study the factors that affect the climbing behavior of landslide surge， in order to make more breakthroughs and progress.

Keywords： landslide surge; climbing; physical model experiment; numerical simulation; summary

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)在水利水電工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了迅猛發(fā)展。特別是高壩建設(shè)技術(shù)，已經(jīng)逐步趨于成熟，并開始在全球范圍內(nèi)占據(jù)領(lǐng)先地位。目前，我國(guó)已經(jīng)成功建造了超過(guò)五百座中大型水庫(kù)，其中不乏世界級(jí)的重要水利工程，例如三峽、錦屏、白鶴灘和烏東德等。這些高壩建成后形成的大型水庫(kù)，在降雨、地震及水庫(kù)水位變化等多種因素的影響下會(huì)產(chǎn)生庫(kù)岸滑坡，從而導(dǎo)致涌浪的產(chǎn)生?；掠坷俗鳛橐环N由滑坡體滑入水中引發(fā)的次生災(zāi)害，其破壞力往往遠(yuǎn)超滑坡本身，經(jīng)常會(huì)對(duì)周圍居民、沿岸建筑物以及設(shè)備設(shè)施造成極大損失，甚至是慘痛的災(zāi)難性后果。每年全世界有數(shù)百人因?yàn)榛掠坷硕鴨适?963年10月9日，意大利的瓦伊昂水庫(kù)因?yàn)樾钏僮鲗?dǎo)致左岸約2.7億 m3的巖土體失穩(wěn)并滑入庫(kù)區(qū)，由此產(chǎn)生的涌浪在對(duì)岸攀升了大約250 m的高度，漫過(guò)壩頂超100 m，摧毀大壩壩體內(nèi)所有設(shè)備設(shè)施，在1分鐘左右的時(shí)間造成約3 000人死亡[1]；1971年3月，秘魯?shù)膴W德斯由于巖石崩塌而形成的滑坡涌浪，在數(shù)秒鐘內(nèi)吞沒(méi)了丘加礦區(qū)400～600人，同時(shí)損壞了大量設(shè)施設(shè)備[2]；1985年6月，長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)新灘鎮(zhèn)北岸由于巖崩而造成約3 000萬(wàn)m3的滑坡體沖入長(zhǎng)江，形成的滑坡涌浪在對(duì)岸的爬高為49 m，導(dǎo)致2人失蹤，8人受傷，10人死亡[3]；在2009年7月，由于持續(xù)降雨的影響，瀾滄江上的小灣水電站遭遇了一次嚴(yán)重的滑坡涌浪事故，其中約有100萬(wàn)m3的土體滑入了瀾滄江中。這次滑坡產(chǎn)生了超過(guò)30 m高的涌浪，不幸造成了14人失蹤[4]。表1中詳細(xì)列出了我國(guó)歷史上的典型滑坡涌浪災(zāi)害案例。

表1 我國(guó)典型滑坡涌浪災(zāi)害實(shí)例

產(chǎn)生滑坡涌浪的過(guò)程是復(fù)雜的，按照其發(fā)展變化，主要分為3個(gè)階段：產(chǎn)生、傳播、爬高。在第一階段，即涌浪的起始階段，滑坡體在眾多因素的共同影響下開始滑動(dòng)，其原本具有的較高勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，當(dāng)這些動(dòng)能沖擊水面時(shí)，便形成了能量巨大的涌浪。這些涌浪能夠迅速破壞附近的建筑和設(shè)施設(shè)備，給社會(huì)造成巨大損失[5]。第二個(gè)階段是涌浪的傳播階段，相較于涌浪的產(chǎn)生階段，其破壞力更大，影響的范圍更廣，由于能量傳遞作用，導(dǎo)致河道中的庫(kù)水位會(huì)瞬間上升，產(chǎn)生水位差而形成壓力差，同時(shí)還會(huì)混雜水體回流以及波浪疊加等現(xiàn)象，導(dǎo)致涌浪流動(dòng)不均勻而增大破壞力。涌浪的傳播不僅會(huì)對(duì)沿岸的建筑物和船舶造成威脅，還會(huì)對(duì)大壩壩面和庫(kù)區(qū)岸坡產(chǎn)生極強(qiáng)的沖刷，使其穩(wěn)定性降低。第三個(gè)階段是涌浪的爬高階段，對(duì)于狹窄的河道，涌浪爬高階段的破壞力高于前兩個(gè)階段[6]。涌浪爬高一旦超過(guò)大壩，會(huì)給沿岸居民的生命安全帶來(lái)極大的威脅，更嚴(yán)重是會(huì)沖刷大壩，影響壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，給沿岸的居民和建筑物帶來(lái)極大的危害。目前，對(duì)于滑坡涌浪爬高研究的系統(tǒng)梳理較少，本文基于以往物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)滑坡涌浪爬高的研究成果進(jìn)行了總結(jié)并提出展望。研究成果將豐富滑坡涌浪研究體系，提高后續(xù)研究的有效性與針對(duì)性。

1 物理模型實(shí)驗(yàn)

Mueller等[7]基于物理模型實(shí)驗(yàn)造出了脈沖波列，并研究了在爬坡角度β為18.4、45和90°時(shí)，滑坡涌浪首波的爬高和漫壩過(guò)程。Synolakis[8]對(duì)孤立波爬高進(jìn)行了研究，提出了非破碎波理論的近似解，并做了大量實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行比較，結(jié)果表明非線性理論能夠較好地預(yù)測(cè)孤立波的爬高。然而，Synolakis提出的近似解僅適用于爬坡角度β為2.9°。Evers等[9]研究了在爬坡角度β為10～90°范圍內(nèi)脈沖波的爬高，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的預(yù)測(cè)方程得出的理論值與實(shí)際結(jié)果相比偏小。Lo等[10]針對(duì)斜坡上的單、雙孤立波的爬高和反射過(guò)程，發(fā)現(xiàn)第一波產(chǎn)生的反射強(qiáng)度會(huì)影響第二波的爬高高度，第二波的爬高高度隨第一波的分離時(shí)間而變化。彭勇等[11]研究了在斜坡上多個(gè)孤立波的爬高和相互作用規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明第二個(gè)孤立波與第三個(gè)孤立波的爬高放大系數(shù)與相鄰的波峰間距有關(guān)，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了等波幅三孤立波在緩坡上的爬坡經(jīng)驗(yàn)公式。汪洋等[12]根據(jù)流體力學(xué)方程、非恒定流的連續(xù)性方程和沿程水頭損失理論，以新灘滑坡為例對(duì)滑坡涌浪的爬坡高度進(jìn)行計(jì)算。殷坤龍團(tuán)隊(duì)[13]運(yùn)用正交試驗(yàn)法，綜合考量了滑坡體量、滑動(dòng)面角度、岸邊坡度、水深和入水速度等多個(gè)因素對(duì)滑坡涌浪產(chǎn)生的影響。他們以三峽庫(kù)區(qū)的白水河滑坡事件為原型，構(gòu)建了一個(gè)按1∶200縮小比例的河道物理模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，他們成功推導(dǎo)出了適用于三峽庫(kù)區(qū)滑坡涌浪爬高的計(jì)算公式[13]。S？覸levik等[14]研究者基于透水性泥沙斜坡的分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了孤立波爬高的經(jīng)驗(yàn)公式。Fuchs團(tuán)隊(duì)[15]利用二維水槽的實(shí)體模型實(shí)驗(yàn)，深入探究了孤立波在傳播過(guò)程中的特性及其爬坡行為。McFall等[16]則利用三維物理實(shí)驗(yàn)手段，構(gòu)建了以鵝卵石作為滑體材料的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以此?lái)研究孤立波的爬高現(xiàn)象，其物理模型如圖1所示，通過(guò)此裝置來(lái)研究孤島以及水平滑道下的滑體運(yùn)動(dòng)和滑坡涌浪爬坡規(guī)律。Liyanage等[17]研究人員探討了在不同的波高、水深和斜坡角度條件下滑坡涌浪的爬坡特性，通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型分析，構(gòu)建了一個(gè)用于預(yù)測(cè)孤立波爬升高度的模型。

2 數(shù)值模擬研究

Titov研究團(tuán)隊(duì)[18]采用了有限差分法來(lái)求解非線性方程組，以此構(gòu)建了孤立波在斜坡上破碎并爬升的數(shù)值模型，為了解決數(shù)值穩(wěn)定性問(wèn)題，他們對(duì)邊界條件進(jìn)行了調(diào)整，盡管如此，波浪破碎位置的數(shù)值模擬結(jié)果仍顯示出振蕩現(xiàn)象。Grilli等[19]運(yùn)用邊界元方法對(duì)孤立波的傳播行為及其爬升高度進(jìn)行了研究，該模型能夠模擬水體粒子運(yùn)動(dòng)的垂直分布，但是在處理波浪破碎時(shí)產(chǎn)生的射流與自由表面的碰撞時(shí)，計(jì)算過(guò)程會(huì)中斷，因此該模型無(wú)法計(jì)算孤立波在岸邊的最大爬升高度。黃波林團(tuán)隊(duì)[20]運(yùn)用水動(dòng)力學(xué)模型，并融合地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，共同研發(fā)了滑坡涌浪災(zāi)害的快速評(píng)估系統(tǒng)軟件，簡(jiǎn)稱FAST，該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的工況迅速評(píng)估滑坡涌浪的傳播特性和爬升高度，以三峽地區(qū)茅草坡滑坡為例，如圖2所示，通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際滑坡事件的數(shù)據(jù)，對(duì)FAST系統(tǒng)的實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證。Barranco等[21]對(duì)潰壩生成的鉆孔進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了潰壩滑坡涌浪爬高公式。楊渠鋒等[22]以三峽斗巖滑坡作為研究對(duì)象，模擬了在不同的堆放組合情況下矩形滑坡體涌浪的產(chǎn)生和傳播過(guò)程，得出了適合陡巖滑坡的涌浪爬高公式。Viroulet等[23]采用了SPHysics和Gerris兩種數(shù)值模型來(lái)研究滑坡涌浪問(wèn)題，SPHysics是基于拉格朗日無(wú)網(wǎng)格法來(lái)精確描述撞擊階段，Gerris是基于兩相有限體積法來(lái)研究滑坡涌浪波的傳播和爬高特性。首先模擬了2個(gè)經(jīng)典算例：二維楔形塊體沿斜面下滑入水試驗(yàn)和滑塊垂直入水試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比吻合較好。

圖1 鵝卵石滑坡物理模型

圖2 茅草坡位置圖

3 展望

滑坡涌浪作為一種由滑坡體入水引發(fā)的次生災(zāi)害，其爬高特性對(duì)于評(píng)估和預(yù)防水庫(kù)區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。本文通過(guò)系統(tǒng)梳理滑坡涌浪爬坡特性的研究現(xiàn)狀，并分析影響其特性的多種因素。由于滑坡涌浪的爬坡特性受到多因素的影響，目前的理論分析、物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法均無(wú)法全面涵蓋所有相關(guān)因子。因此，對(duì)庫(kù)區(qū)滑坡涌浪的爬高特性研究必須采取具體問(wèn)題具體分析的方法。研究人員可以在以下幾個(gè)方面對(duì)滑坡涌浪的爬高特性進(jìn)行深入研究。

1）大部分物理模型試驗(yàn)?zāi)壳岸际窃诙S情況下進(jìn)行的。在這種二維條件下，地形邊界對(duì)滑坡涌浪產(chǎn)生的反射、衍射和折射效應(yīng)很難被充分考慮進(jìn)去，導(dǎo)致涌浪爬高預(yù)測(cè)的結(jié)果較為單一，并且無(wú)法充分考慮到沿岸地區(qū)的影響。三維涌浪模型因其能夠提供更為全面和精確的模擬結(jié)果，正逐漸成為該領(lǐng)域研究發(fā)展的重要趨勢(shì)。

2）依托于工程實(shí)例，探究滑坡涌浪爬高特性，對(duì)滑坡涌浪的爬高進(jìn)行預(yù)測(cè)并給出指導(dǎo)性意見(jiàn)。

3）滑坡體的物理特性是影響涌浪爬坡特性的關(guān)鍵因素之一?；麦w的體積、質(zhì)量、形狀以及滑坡物質(zhì)的顆粒大小和密度都會(huì)對(duì)涌浪的形成和爬高產(chǎn)生顯著影響。研究人員可以通過(guò)收集和分析不同類型滑坡事件的數(shù)據(jù)，建立滑坡體物理特性與涌浪爬坡特性之間的關(guān)聯(lián)模型。

4）滑坡體入水時(shí)的初始條件，如入水速度、入水角度和入水深度等也是影響涌浪爬高特性的重要因素。這些初始條件決定了涌浪的起始動(dòng)能和動(dòng)量，從而影響其在斜坡上的爬升能力。為了更好地理解這些初始條件對(duì)涌浪爬高特性的影響，對(duì)于不同入水條件下的涌浪行為還需要深入展開研究。

5）地形條件，尤其是滑坡發(fā)生區(qū)域的岸邊地形，對(duì)涌浪的爬坡特性有著直接的影響。岸邊地形的坡度、長(zhǎng)度和材料特性都會(huì)改變涌浪的傳播路徑和爬升能力。通過(guò)對(duì)不同地形條件下的涌浪爬坡特性進(jìn)行研究，可以為水庫(kù)區(qū)的災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)急響應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

6）環(huán)境因素，如風(fēng)、波浪和降雨，也會(huì)對(duì)滑坡涌浪的爬坡特性產(chǎn)生影響。這些環(huán)境因素可能會(huì)改變水體的表面條件，從而影響涌浪的傳播和爬升。因此，考慮這些環(huán)境因素在涌浪爬坡過(guò)程中的作用并將其納入模型中，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)涌浪爬高具有重要意義。

7）數(shù)值模擬方法的發(fā)展為滑坡涌浪爬坡特性的研究提供了新的工具。通過(guò)采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，如有限元分析、有限差分法和邊界元法等，研究人員可以在計(jì)算機(jī)中模擬復(fù)雜的涌浪行為，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)涌浪的爬坡高度。然而，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性依賴于輸入?yún)?shù)的精確性和模型的合理性，因此，對(duì)模型參數(shù)的校準(zhǔn)和驗(yàn)證是未來(lái)研究滑坡涌浪的一個(gè)重點(diǎn)方向。

滑坡涌浪的爬高特性研究是一個(gè)多學(xué)科、多因素的復(fù)雜問(wèn)題。研究人員需要綜合考慮滑坡體物理特性、滑坡體入水條件、環(huán)境因素以及數(shù)值模擬方法等多個(gè)方面，才能更全面地理解和預(yù)測(cè)滑坡涌浪的爬高特性。未來(lái)的研究應(yīng)該著重于提高模型的準(zhǔn)確性，完善參數(shù)的測(cè)量和校準(zhǔn)方法，以及發(fā)展更為精確和實(shí)用的數(shù)值模擬技術(shù)，以便更好地服務(wù)于水庫(kù)區(qū)滑坡涌浪災(zāi)害的預(yù)防和應(yīng)對(duì)工作。

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