基于能量守恒和张量分析的复杂边界河道型水库滑坡涌浪机理研究

论文摘要

滑坡涌浪是滑坡体滑入江河湖海后,将所携带的能量在水体中进行充分转换,而激起的巨大波浪。滑坡涌浪是滑坡的次生灾害,但对涌浪生成区域和传播区域所造成灾害非常巨大,有时甚至超过了滑坡本身。而河道型水库滑坡涌浪由于其独特的水文地质特征,所造成的灾害往往更加严重。纵观滑坡涌浪从入水生成到传播扩散的整个过程,系统地研究河道型水库滑坡涌浪的机理,需要抓住三个关键节点:一是滑坡涌浪的首浪高度,它代表着滑坡涌浪的总能量,对整体的灾害程度起着控制性作用。二是滑坡涌浪的传播规律,它代表着滑坡涌浪的影响范围,以及可能造成的最大灾害程度。三是河道边界对涌浪传播的作用规律,它代表着滑坡涌浪反射叠加程度,以及后续的传播方向。本文在分析国内外研究进展的基础上,以国家自然科学基金项目为支撑,针对滑坡涌浪的三个关键节点,即滑坡涌浪的首浪高度、传播规律、河道边界对涌浪传播作用等方面开展试验研究。滑坡入水产生滑坡涌浪,滑坡的特征与后期涌浪的特征存在着必然的因果关系,本文首先以滑坡体的岩土结构、滑动面的力学特性入手,从滑坡启动、滑坡加速下滑、滑坡体入水准备等三个阶段研究河道型水库滑坡的运动机制,从滑坡特征分析涌浪的形成条件。以长江三峡库区典型弯曲河道为原型,概化成弯曲河道型水库模型,从滑坡的几何尺寸、内部散体构造、物理指标等方面对滑坡体进行模拟,以河道水深、滑面角度、滑体厚度、滑体宽度、临水状态、入水处河床坡度为试验参数,从凸、凹两岸滑坡入水,开展了物理模型试验。分析首浪形态特征,统计首浪波高,从能量的守恒的角度出发,研究从滑坡启动到涌浪生成的能量转换过程,基于能量交换机理对滑坡涌浪的首浪高度进行研究。分析滑坡涌浪的传播特点,统计沿程各测点的最大波高,采用张量分析方法,研究滑坡涌浪传播与衰减的一般规律,准确判断滑坡涌浪的危害范围和沿程的最大危害程度。建立三维滑坡涌浪数值模型,针对不同的岸坡角度、不同的平面曲率、不同的波陡,开展复杂河道边界对滑坡涌浪传播作用的研究,以期得到反射波波高、波周期及传播方向的变化规律。取得了以下创新性成果:(1)基于河道型水库滑坡的运动机制,推导出了滑坡体入水前的总机械能。以波能流为主线,根据首浪波峰线的分布特征,推导出了首浪总波能。以物理模型试验为基础,推导出了能量转换系数与滑面角度、水深、入水面积的三维曲面模型。最终建立了基于能量守恒与交换机理的滑坡涌浪首浪高度的计算模型。以能量的守恒的角度出发,建立了滑坡体入水后的首浪总波能、滑坡体入水前的总机械能和能量转换系数的三者关系。通过研究滑坡体从启动到入水前的滑坡运动特征,以滑坡体脱离滑槽为关键节点,通过岩土理论和牛顿运动定律,理论推导出滑坡动能公式和势能公式,建立滑坡体入水前的总机械能公式。通过等值线图分析首浪波峰线的分布特征,以波能流为主线,运用波能理论,分析波动能、波势能和压力做功,从理论上推导出首浪总波能公式。以试验数据和计算分析为基础,建立了能量转换系数与滑动面角度、库区水深、滑坡体入水面积的三维曲面模型和能量转换系数公式。最后推导出基于能量守恒和交换机理的首浪高度计算模型。(2)基于张量分析方法,推导出了最大波高传递率与相对距离呈负指数函数、与方位角呈二次函数、与工况(初始波高与水深比值)呈线性函数的张量表达式,建立了最大波高传递率与工况、方位角、相对距离的四维模型,形成了一个覆盖整个传播区域,全面反映涌浪最大波高沿程变化的经验波场。在试验分析滑坡涌浪传播特点和统计沿程测点最大波高的基础上,对弯曲河道滑坡涌浪经验波场区域划分。在对沿程最大波高、初始最大波高、河道水深、方位角、传播距离无量纲化的基础上定义了研究指标。首先建立了波高传递率与相对距离的二维模型,得出了波高传递率与相对距离呈负指数曲线分布的规律,随着相对距离的增大,波高传递率呈单调递减关系;其次建立了波高传递率与方位、相对距离的三维模型,得出了波高传递率与方位角、相对距离呈负指数曲面分布的规律;最后建立波高传递率与工况、方位角、相对距离的四维模型,形成了一个覆盖整个传播区域,全面反映滑坡涌浪最大波高沿程变化的经验波场,得到了滑坡涌浪在弯曲河道型水库中各个区域的传播与衰减规律。(3)探寻了顺直河道、凹岸和凸岸对滑坡涌浪反射波传播方向的作用规律。建立了波谱强度与频率关系图,得出了岸坡坡度、平面曲率和圆弧角度对涌浪反射波周期的作用规律。推导出了波高反射率与平面曲率、岸坡坡度、波陡、糙渗系数的径向基函数表达式,建立了弯曲河道滑坡涌浪反射波波高的计算模型。建立了滑坡涌浪三维数值模型,经与物理模型试验验证符合性较好。按照滑坡入水点位于河道直线段、弯道凸岸顶点、弯道凹岸顶点三种工况,得到了复杂河道边界对涌浪反射波传播方向和反射波周期的作用规律。按照不同的弯曲河道平面曲率、不同的河道岸坡坡度、不同的滑坡入水点开展研究,得了河道边界单因素对反射波波高的影响规律,波高反射率与河道平面曲率、岸坡放坡系数和波陡均呈负指数曲线关系,随着平面曲率、岸坡放坡系数、涌浪波陡的增大,波高反射率呈单调递减的关系。最后基于径向基函数,建立了弯曲河道滑坡涌浪反射波波高计算模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 滑坡涌浪国内外研究现状
•     1.2.1 初始涌浪高度研究现状
•     1.2.2 滑坡涌浪传播规律研究现状
•     1.2.3 河道边界对滑坡涌浪传播作用研究现状
•   1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 河道型水库滑坡特性及涌浪形成条件研究
•   2.1 河道型水库滑坡的分类特征
•   2.2 河道型水库滑坡的岩土结构
•     2.2.1 滑坡体的岩土结构
•     2.2.2 滑面土的岩土特征
•   2.3 河道型水库滑坡的运动机制
•     2.3.1 滑坡启动阶段
•     2.3.2 滑坡加速下滑阶段
•     2.3.3 滑坡体入水准备阶段
•   2.4 滑坡涌浪的形成条件分析
•   2.5 小结
• 第三章 河道型水库滑坡涌浪物理模型试验
•   3.1 试验目的及方法
•   3.2 试验模型设计
•     3.2.1 模型比尺
•     3.2.2 河道型水库模型
•     3.2.3 滑坡体模型设计
•   3.3 仪器设备
•     3.3.1 波浪水位采集系统
•     3.3.2 滑架
•     3.3.3 滑槽
•   3.4 试验工况的确定
•     3.4.1 三峡水库 145m工况
•     3.4.2 三峡水库 155m工况
•     3.4.3 三峡水库 175m工况
•   3.5 物理模型试验
•     3.5.1 凸岸模型试验
•     3.5.2 凹岸模型试验
•   3.6 小结
• 第四章 基于能量守恒的滑坡涌浪首浪高度研究
•   4.1 初始涌浪特性分析
•   4.2 首浪的定义
•   4.3 滑坡体入水的能量守恒原理
•   4.4 滑坡体入水前的总机械能分析
•     4.4.1 滑坡体入水前的运动特征分析
•     4.4.2 滑坡体入水前的动能分析
•     4.4.3 滑坡体入水前的势能分析
•     4.4.4 滑坡体入水前的总机械能计算模型
•   4.5 滑坡体入水后产生的首浪波能分析
•     4.5.1 首浪波能分布
•     4.5.2 首浪波能计算模型
•   4.6 滑坡体入水前后的能量转换系数
•     4.6.1 研究指标的定义
•     4.6.2 滑坡体入水前后的能量转换因素分析
•     4.6.3 滑坡体入水前后能量转换系数的确定
•     4.6.4 滑坡体入水前后能量转换的机理分析
•   4.7 基于能量交换机理的首浪高度计算模型
•   4.8 小结
• 第五章 基于张量分析的滑坡涌浪经验波场研究
•   5.1 滑坡涌浪经验波场研究目的和方法
•   5.2 弯曲河道滑坡涌浪经验波场区域划分
•   5.3 研究指标的定义
•   5.4 张量分析方法的应用
•   5.5 基于张量分析的滑坡涌浪经验波场研究
•     5.5.1 波高传递率与相对距离的二维模型
•     5.5.2 波高传递率与方位、相对距离的三维模型
•     5.5.3 波高传递率与工况、方位、相对距离的四维模型
•   5.6 小结
• 第六章 复杂河道边界对滑坡涌浪传播的作用研究
•   6.1 研究目的与方法
•     6.1.1 研究目的
•     6.1.2 研究方法
•   6.2 试验模型的建立与验证
•     6.2.1 试验模型的建立
•     6.2.2 试验模型的验证
•   6.3 复杂河道边界对涌浪传播方向的影响规律
•     6.3.1 复杂河道边界对涌浪传播方向作用的数模试验
•     6.3.2 顺直河道边界作用下的涌浪传播方向
•     6.3.3 凸岸顶点入水凹岸边界作用下的涌浪传播方向
•     6.3.4 凹岸中点入水凸岸边界作用下的涌浪传播方向
•   6.4 复杂河道边界作用下的滑坡涌浪反射波波高研究
•     6.4.1 复杂河道边界对涌浪反射波波高作用的数模试验
•     6.4.2 河道边界单因素对反射波高的影响规律分析
•     6.4.3 基于径向基函数的复杂河道边界作用下的涌浪反射波波高研究
•   6.5 复杂河道边界对滑坡涌浪周期的影响规律
•     6.5.1 岸坡坡度对滑坡涌浪周期的影响规律
•     6.5.2 弯曲河道凹岸对滑坡涌浪周期的影响规律
•     6.5.3 弯曲河道凸岸对滑坡涌浪周期的影响规律
•   6.6 小结
• 第七章 主要研究结论及展望
•   7.1 研究结论
•   7.2 主要创新点
•   7.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论文和取得的学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 祖福兴

导师: 王平义

关键词: 滑坡涌浪,能量守恒,首浪高度,波高传递率,复杂边界

来源: 重庆交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,水利水电工程,水利水电工程

单位: 重庆交通大学

基金: 国家自然科学基金项目,山区河道型水库弯曲段滑坡涌浪特性及对航道通航影响机理的研究(51479015),2015.1~2018.12

分类号: TV223;P642.22

DOI: 10.27671/d.cnki.gcjtc.2019.000001

总页数: 155

文件大小: 10636K

下载量: 67