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清華大學:徐文傑-庫岸滑坡湧浪鏈生災害動力學研究進展

2024-01-13科學

清華大學:徐文傑-庫岸滑坡湧浪鏈生災害動力學研究進展

隨著大規模梯級水電工程的不斷發展,庫岸滑坡的穩定性及潛在的湧浪災害將是影響水電工程(群)全生命周期安全執行的關鍵因素。

本文分別從庫岸邊坡穩定性及滑坡湧浪研究兩個方面,對目前國內外的相關研究成果進行了系統總結和分析。在庫岸邊坡穩定性研究方面,越來越多的研究集中於降雨、庫水位變動等水動力環境下的庫岸邊坡的水-巖耦合作用及穩定性演化的分析方法方面。透過對滑坡湧浪的物理模型試驗法、解析法及數值模擬法3大類方法的優缺點分析,隨著數值計算技術的飛速發展其在滑坡湧浪鏈生災害動力學分析方面體現出其強大的生命力。庫岸滑坡從漸進破壞→啟動→高速運動、湧浪→堆積、湧浪傳播與爬坡等構成了滑坡湧浪災害鏈的不同階段,也是一個連續的災害過程,而不同階段災害特點又有很大的差異。然而,目前通常將庫岸滑坡穩定性分析和湧浪分析分割開來,從而不能很好地反應這一災害鏈過程。

基於高效能數值計算技術,從全過程的物理力學機制出發構建災害鏈的模擬和分析方法,將是目前的發展趨勢,也是從解決庫岸滑坡湧浪鏈生災害動力學分析的關鍵。

文中主要圖件

結論與展望

隨著世界各國水電工程建設的不斷發展,尤其是梯級水電工程群的建設,滑坡湧浪鏈生災害動力學過程是影響甚至至於水電工程(群)穩定性的重要因素。建立合理的分析與評價方法,將對於最佳化工程建設、防災減災具有重要的理論意義和工程價值。

水動力環境的劇烈變化是影響庫岸邊坡穩定性的重要外部誘發因素。因此,構建水-巖耦合的數值分析方法,是目前庫岸滑坡穩定性演化及評價的發展趨勢。

在滑坡湧浪災害方面的研究:解析法通常將滑坡體視為一個剛性體或剛性條塊集合,透過研究剛體質心的運動,將其視為移動的邊界,極大地忽略了滑體與水體間的強耦合作用;物理模型試驗的方法固然能夠在解決滑坡湧浪問題方面具有一定的優勢,但是由於其試驗費用較高,而且模型的縮尺效應在一定程度上也會影響試驗的結果;數值計算方法為深入研究滑坡湧浪問題開辟了新的方法,尤其是近些年來隨著電腦技術及數值演算法的不斷發展,在滑坡湧浪災害分析方面體現了強大的優勢,當然由於涉及巖土體-水耦合、多相流及流體自由面等復雜的數值計算問題也給數值計算帶來了新的挑戰!

滑坡體的運動狀態對其湧浪起決定性作用,滑坡變形破壞機理是研究其運動狀態的重要基礎。滑坡體的漸進破壞和啟動取決於自身的地質條件及外動力誘發因素;運動過程滑坡將不斷破裂、解體,這種結構的改變進而又影響著外動力對其運動狀態的影響。滑坡的災害過程也是滑坡與外動力(如,降雨、地下水、地表水等)的強耦合過程。傳統的滑坡湧浪災害研究中,將滑坡體視為剛性體或非牛頓流體,忽略了滑坡災害機理,甚至忽略了滑坡體與庫水間的耦合作用,從而給滑坡體災害動力學特性研究帶來很大誤差甚至錯誤。運用滑坡災害動力學、流體力學及流-固耦合理論,從災害全過程角度揭示水動力環境下滑坡體漸進破壞、啟動、高速運動、到湧浪形成、傳播與爬坡災害鏈效應,是進行滑坡湧浪災害研究的關鍵。

基於先進的數值計算分析方法,從滑坡湧浪災害全過程的物理力學機制出發,構建多種方法的耦合(聯合)分析,充分利用不同分析方法的優勢,實作滑坡湧浪的不同階段、不同過程的分析,對於深入揭示水動力環境下庫岸滑坡動力學、湧浪災害機理及災害鏈效應,同時對於發展現代巖土災害分析理論方法,及指導滑坡湧浪災害防治具有理論和工程意義。

文獻來源

徐文傑. 2023. 庫岸滑坡湧浪鏈生災害動力學研究進展[J]. 工程地質學報, 31(6): 1929-1940.

Xu Wenjie. 2023. Research advances in disaster dynamics of landslide tsunami[J]. Journal of Engineering Geology, 31(6): 1929-1940.

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