库岸边坡失稳运动及涌浪产生传播全过程数值预测研究

Slope instability, sliding, initial surge generating and surge propagating should be taken into account as an integral continuous process due to the reliability of hazard forecasting is determined by the description accuracy for each stage, however, most of the current studies only focus on the certain stage aforementioned. The project intends to establish the numerical prediction analysis method for all the stages during the whole process of the reservoir landslides. The key problems for the slope stability analysis, including the trigger mechanism and the subsequent instability slide of the the reservoir bank slope, will be studied in detail. Meanwhile, the mechanism and the numerical simulating method for the surge generation and propagation will be investigated to forecast the hazard. The double-Level Set method is adopted to track the interface of different fluid, and the mixed FEM-DEM method and moving chimera grids technique are developed to simulate the strong coupling among the landslides, water and air. The evaluation of the effect of surge on dam safety and the numerical forecasting for the whole process is implemented through one-time computation in the same program by the seamless connection between each part and parallel computation technique. Under the presented work, the development of interdisciplinary field of solid and fluid mechanics will be promoted to solve the problems which cannot be accomplished according to single discipline. The shortcomings comes from the previous isolated research can be overcome hence the reliability of hazard forecasting can be improved.

库岸失稳、坡体滑动、首浪产生直至涌浪传播应为完整连续的过程，每一阶段的准确描述都将对灾害预报的可信度产生较大影响，但目前的研究基本只是针对其中某个阶段而展开。本项目拟建立库岸边坡失稳运动及涌浪产生与传播全过程数值预测分析方法。研究库岸边坡稳定分析中的关键问题、坡体失稳启动模式，开展坡体失稳滑动过程和入水产生涌浪的机理及数值模拟方法研究，进行涌浪传播过程数值模拟和灾害预测。采用双重LEVEL SET函数追踪不同介质分界面，开发有限元-离散元混合法和移动嵌套网格技术，反映滑坡体、库水和空气三者间强烈耦合作用。着力解决不同过程间的无缝连接，运用并行计算技术，在一个源代码中通过一次计算实现库岸边坡失稳运动及涌浪产生与传播全过程数值仿真计算，评价涌浪对大坝安全度的影响。推动固体力学与流体力学相关交叉学科的发展，解决单一学科知识所不能解决的问题，克服以往研究只是孤立开展的缺点，提高灾害预报的可信度。

库岸失稳、坡体滑动、首浪产生直至涌浪传播应为完整连续的过程，每一阶段的准确描述都将对灾害预报的可信度产生较大影响，但目前的研究基本只是针对其中某个阶段而展开。本项目将岸坡失稳—坡体滑动—首浪产生—涌浪传播等视为连续的四个阶段，建立了库岸边坡失稳运动及涌浪产生与传播全过程数值预测分析方法。具体研究内容如下：以有限元强度折减法为基础，提出了基于分区有限元与块体界面元混合解法的边坡稳定动力分析方法，应用饱和-非饱和非稳定渗流场与应力场耦合的方法，研究了超孔隙水压力的增长消散对边坡动力稳定的影响；针对土质和岩质边坡失稳运动问题，分别提出了三相流模型和距离势离散单元法，对松散土质坡体和岩质块体边坡分别建立失稳滑动过程的数值仿真模拟方法；提出了基于守恒式的Level-Set方法来捕捉滑坡体、库水和空气三者之间的交界面，模拟滑坡体入水首浪产生过程中强烈的耦合作用，并在此基础上分别提出了改进的守恒式Level-Set方法和基于薄界面的Particle Level-Set方法来捕捉自由液面的变化；以首浪产生数值模结果作为前提，基于限制水深法提出了修正水深梯度方法来处理干湿界面问题，模拟了涌浪的传播过程，研究了涌浪对大坝的冲击影响，并对涌浪灾害进行了评价。.本项目以金沙江下游向家坝、溪洛渡水电站库区8处代表性库岸边坡为例，进行了库岸稳定性及涌浪灾害全过程数值预测和灾害评价。以干海子滑坡为例，研究结果表明，滑坡前缘蓄水后有局部失稳的可能，失稳后绝大部分滑体滑入河道，涌浪沿着金沙江河道向上下游传播，涌浪浪高在滑坡附近几百米内发生急剧衰减；随时间增长，涌浪逐渐向坝址衰减传播，传播到坝址前的浪高低于大坝高度，对大坝的冲击速度较低，在无外界不可抗力因素的影响下，滑坡涌浪对大坝存在一定的影响，但不会产生危害性的破坏。.本项目发表标注基金资助的学术论文15篇，其中SCI检索论文11篇；培养博士研究生2名，硕士研究生2名；申请发明专利3项；申请计算机软件著作权1项；出版专著1本。各项研究指标均达到或超过原申请书之规定。