摘要：分析库区滑坡涌浪的诱发原因和危害。随后，从经验公式、模型试验、数值模拟这三个方面介绍了近些年来国内外的研究成果，着重介绍了与现代计算机技术相结合的新方法。最后展示了研究理论的实际应用，以及对未来研究方向的展望。
关键词：滑坡涌浪；研究方法；进展；综述
1 引 言
大坝建成后会有一个蓄水的过程，库区两岸原有的不稳定段和滑坡段，在受到上涨几十米的水面线的托浮和浸润作用下，就容易引发滑坡事件。大坝水电站在运行过程中，间歇性的排水蓄水，形成幅度几十米的涨落带，水库水位迅速下降的过程中，土体孔隙中的水未来得及排出，孔隙水压力降低了坡体软弱面的抗剪强度，坡体稳定性降低，进一步诱发滑坡事件。同时，暴雨也是滑坡的另一重要诱因。
水库动辄蓄水几十米深，滑坡体滑入水库，击起巨大的涌浪，沿岸坡和河道，摧毁两岸的建筑，击翻上下游的船只，甚至一直传到坝前，形成巨大水压力，对大坝安全构成严重隐患，这些由滑坡涌浪造成的严重的次生灾害，在国内外已经屡见不鲜，造成了巨大影响。如1963年意大利瓦依昂水库滑坡，约2.7亿方的滑坡体以上百公里的时速涌入水库，激起巨大涌浪，摧毁上下游的大片居民地，造成近2000人的伤亡[1-2]。在中国，1985年发生的新滩滑坡，和2007年大堰塘滑坡，滑坡涌浪打翻上下游船只，爬上对岸，造成人员失踪和伤亡[3-4]。
这些危害严重的滑坡涌浪，引起国内外专家的高度重视，并展开各种形式的研究。至今，滑坡涌浪的研究方式主要分为：经验公式法、物理模型试验法、数值模拟法。与现在科学技术的发展相结合，这些技术有了新的改进和应用。
2 研究方法
2.1经验公式法
Noda[5]根据能量守恒，将滑坡体看成重心的质点运动，并在半无限水体范围内，做垂向运动和横向运动，由实验测得待定系数，得到初始涌浪高度和水深、滑坡体速度之间的关系。潘家铮[6]在1980年根据前者的假设，进一步将滑坡体沿数值方向等距分条，并且将每块都看成是刚体，认为水平和竖直方向上的加速度有一定相关比例。潘家铮假设每一块刚体之间的运动没有剪力存在，互不干扰。潘家铮的方法因为简单易行被很多科研人员应用。如李辉[7]采用潘家铮公式，对某水电站水库滑坡涌浪进行了计算分析和预测，结论为初始涌浪为5.1m，到坝前只有1.3m，对电站影响很小。刘平[8]用同样的方法，对迪那河五一水库库区进行分析，结果表明：到坝前的浪高只有1m，对大坝影响较小。
经验公式法除此之外还有水利水电科学院经验公式法、美国土木工程协会推荐法等。这些方法都有易于操作的特点，同时，由于他们对滑坡涌浪进行了很多假设简化，在理想状态下得出的结果，在有些具体问题上会有很大出入，不能普遍适应各种工况。任兴伟[9]于2009年在潘家铮的基础上，采用线性插值，研究滑块斜向运动时首浪高度的计算，对潘家铮法进行修正，并取得与实际调查较符合的效果。王世梅等[10]考虑到实际滑坡并非简单一个质点，遂将其公式中的H重新定义为水面以上部分滑体重心距水面高度，从而对美国土木协会推荐法进行修正。杜鹃等[11]分别用经验法和条块分析法预测大石板滑坡涌浪，指出大量土石可能会导致河道堵塞，形成新的次生灾害。
2.2模型试验法
Fritz 等[12]在2004年研究散体滑坡涌浪时，通过建立二维物理模型，研究滑坡涌浪的近场特性，发现滑动弗劳德数是最大涌浪高度的主要因素。李颖等[13]在2011年根据固流能量交换原理，以三峡为依据建立水槽概化模型试验，得出沿程涌浪与初始涌浪之间的关系，为估算沿程涌浪高度提供了一定依据。同年，任坤杰等[14]采用正交试验设计、在不同滑坡体体积、落差、水深、滑动面倾角等因素工况下进行涌浪物理模型试验。通过方差和极差以及量纲和回归分析，最终得出散体滑坡体初始涌浪高度经验公式及滑坡体体积、滑动面倾角为影响浪高的主要因素。其公式与试验较为符合，但仍欠缺实际案例验证。
肖莉丽等[15]于2014年同样以三峡库区为原型，进行滑坡涌浪三维物理模拟试验。阐述了水舌和首浪的概念和特征，补充了涌浪的概念。视水舌运动轨迹为抛物线、预测其拍打到河道对岸的高度，并和潘家铮公式进行对比。得出了潘家铮公式的计算浪高比水舌高度小而比首浪高度大的结论。对涌浪的进一步分化、为三峡库区的涌浪预测和实际涌浪调查提供了良好依据。丁湘鳕[16]设计了12组工况的概化模型试验，分析了原始波及合成波的三要素特征，并将两者的最大波高和平均波高展开对比。发现原始波的波高会随距离增加而迅速下降，对山区河道型水库治理有一定参考价值。
2.3数值模型法
汪洋[17]在2008年将涌浪衰减分为急剧过程和缓慢过程，急剧衰减符合指数衰减规律，而缓慢衰减符合沿程水头损失规律。袁晶[18]在同年突破了传统固定网格难以精确计算的缺陷，提出了动网格技术，当滑坡体下滑时，网格随之而下，计算结果与实测较为符合，为滑坡涌浪的研究、预测提供了一条新的渠道。王义军[19]于2011年根据造波机生成的波浪与滑块入水造成的涌浪有一定相似，引入造波理论，推导涌浪计算方程，经验证较符合实例，证实造波理论的可行性。周桂云等[20]于2013年基于浅水控制方程来进行涌浪数值模拟，并采用两步Taylor-Galerkin方法来提高精度，经过实例验证，证实了该模型的可行性，研究结果表明，涌浪以入水点为中心向四周扩散、衰减，浪高随距离增加而减小[21-23]。李稳哲等[24]建立平面二维河道涌浪模型，发现滑体前方局部水压可增至几十倍大气压强。明唯等[25]以整体连续构建涌浪产生、传播、翻坝的统一模型，用FLOW3D模拟整个过程，为滑坡涌浪研究补充了翻坝方面的内容。
Hirt[26]在1981年基于自由液面边界的追踪，提出了著名的VOF法，能够准确的捕捉水体的自由表面，为模拟涌浪的产生过程奠定了重要的基础。徐波等[27]于2011年从 Navier-Stokes方程出发，利用VOF法，采用FLOW3D流体计算软件，对宽广水域内的滑块涌浪的形成和传播进行数值模拟，研究了涌浪形成后水体自由液面及流场结构的变化过程，发现该模型能很好的模拟滑坡崩落而造成的涌浪现象，且具有不错的适应性和精确度，但只适用于河底平坦的河流。刘霞等[28]在2013年采用同上述相似的方法，利用FLUENT的UDF功能和重整化群.png)
湍流模型，得出了滑块下滑时先形成反向卷入波随后生成涡流及孤立波的结论，还发现整体化网格效率虽比分区域低，但精度却较之高。在模拟岩块入水的问题上，该模型有较好的适用性。
徐文杰[29]在2012年用CEL法（耦合的欧拉与拉格朗日算法）进行了多组正交试验，研究了滑坡体的体积、形状、形态，水面宽度等对涌浪的影响，其发现在近场范围内，相同体积的滑块中楔形体形成的涌浪最高，且随前端角度增大而更显明显；涌浪爬坡高度随水面宽度减小而增加的更快。张金水等[30]于2013年同样采用CEL法对滑坡涌浪进行研究分析，并在小浪底大柿树滑坡可能失稳长生的危害的问题上进行应用。对三种不同蓄水位分别预测，得到首浪高度、爬坡高度和坝前浪高，发现对大坝安全影响不大，同时也建议在暴雨和库水位变动期间加强对滑坡体的检测。CEL法中采用的是节点可固定、可同步运动、可单方向运动单方向固定的网格，在研究固液相互作用、碰撞等位移较大的问题上，有良好的适应性。
SPH法（光滑粒子动力学法）于1977年首先由Gingold等[31]提出，是一种无网格法，以大量一定间距的散点粒子代替流体，不需要网格，避免了采用局部近似带来的误差。在模拟瞬间大变形问题如涌浪、水花飞溅等问题上有很好的适应性。缪吉伦等[32]在2012年，基于SPH法模拟了滑块涌浪的形成变化，在不同滑速下对自由面进行研究，发现正常滑速时自由面形成卷碎波、水汽混掺；滑速较快时水汽基本分离。研究结果经过验证与VOF符合良好。SPH有良好的追踪自由液面的能力，且高度适应扭曲变形、大变形等，误差相对较小，可以进一步研究高速滑坡涌浪。缪吉伦等[33]在2013年在之前基础上采用分数步长法，考虑水阻力等因素，建立了SPH立面二维数值模型，并将结果与其他理论方法对比，发现SPH法能确定粒子对其他物体的压力，具有一定优越性，在确定涌浪爬坡范围方面有良好的的适用性，且能模拟大体积崩塌滑坡。
3 新应用及展
黄波林等[34]在2013年结合GIS（地理信息系统）技术，开发研制了FAST（滑坡涌浪灾害快速评价系统），富于效率且可视化，直观展示剖面线、水面及其高程变化等，并以三峡地区茅草坡滑坡为实例，验证了FAST系统的可行实用效果。王佳佳等[35]于2014年在三峡库区已有调查资料和研究基础上，开发了一款将 WEBGIS（网络地理信息系统）及四库一体技术联合应用的滑坡涌浪灾害预测预报系统，能有效在三峡地区评价滑坡危害等级、计算滑坡涌浪、预报灾害时间、实时发布信息等。
现阶段滑坡涌浪的研究还没有一个连续完整的体系，在今后的研究过程中可考虑以下几个方面：
（1）.在修正潘家铮法的基础上进行的斜向滑块涌浪试验，还可以进一步考虑参考竖直条分法进行理论改进。
（2）.滑坡初始涌浪形成实际是复杂的固、液、气三相混合作用机理，在数值模拟方面，应着步于构建新的模型体系。
（3）.在大流域范围内，结合地理、地质信息及水情、水位、断面、降雨信息等，形成实时监控预测系统，加入专家意见等，最后形成全国联网大数据库，完善资料体系，为滑坡涌浪研究提供便利。
参考文献：
[1] Vischer D L，Hager W H.Dam Hydraulics[M].
[2] Genevois R，Ghirotti M.The 1963 Vaiont landslide[J].
[3] 况仁杰.长江西陵峡新滩北岸大滑坡[J].
[4]殷坤龙，杜鹃，汪洋。清江水布垭库区大堰塘滑坡涌浪分析[J].
论文作者:刘航宇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/2
标签：涌浪论文; 滑坡论文; 模型论文; 公式论文; 库区论文; 高度论文; 数值论文; 《基层建设》2019年第27期论文;