考虑滑坡运动过程的涌浪波模型及色散效应产生机理研究

Landslide generated surge wave is one of the most important natural disasters in reservoirs, lakes and oceans. The generation and transformation of the surge waves involve multi principles and are complicated physical phenomenon. Recent investigations have shown that the generated surge waves are dispersive when landslide accelerates or decelerates into water body. In order to study the mechanism of dispersion during the wave generation and then predict the surge waves accurately, we propose to improve the Boussinesq equations with dispersion by including the time variation of boundary condition at seabed. The improved equations are suitable for the generation of surge waves. Further, for solving the equations numerically by using finite volume method we propose a method to overcome the limitation of dispersive terms and the improved Boussinesq equations are rewritten in conservative form. Combining wave breaking model and related numerical techniques, a dispersive numerical model which is suitable for the process of landslide induced surge waves from generation to transformation is developed. Finally, the developed numerical model is used to investigate the dispersive effects of surge wave by landslide which moves accelerated or decelerated. This project will develop an accurate, efficient and robust numerical model, which can be used to study the generation and propagation of landslide generated surge waves. And this project is of important scientific value and poses great engineering prospective.

滑坡涌浪在水库、湖泊、海洋等水体中经常发生，其产生、传播变形及爬坡破碎涉及多个物理过程，是一种非常复杂的自然灾害现象。已有研究表明，当滑坡体非匀速下滑时，产生的涌浪波具有明显色散特性。为探明滑坡涌浪波生成及传播过程中色散效应的产生机理，提高滑坡涌浪的预测精度，本项目将具有色散特性的Boussinesq方程进行改进，将滑坡体运动变形作为运动边界条件考虑，提出适用于滑坡涌浪生成过程的改进控制方程。研究方程中高阶色散项对有限体积法求解的限制，提出色散项的有效处理方法并推导守恒形式控制方程。耦合滑坡体运动变形模型、波浪破碎模型等建立一套适用性更广的计算涌浪波生成及传播变形过程的具有色散特性的水动力数值模型。采用数值模型对滑坡体非匀速下滑时产生涌浪波的色散特性进行研究，揭示色散效应的产生机理。该项目为滑坡涌浪波生成、传播变形的预测提供一种精确、稳健的模拟工具，具有重要的科学研究价值和工程应用前景。

滑坡涌浪是水库、湖泊、海洋等水体中经常发生的具有极大破坏力的次生灾害之一，掌握滑坡涌浪波的特性、生成机理，揭示滑坡体运动对涌浪波特性的影响机理，建立高效高精度的滑坡涌浪数值模型，对灾害防治等具有重要意义。本项目针对滑坡体非匀速下滑产生的涌浪波色散效应问题，开展了理论研究，建立了三个不同精度的涌浪波模型，理论上证明了滑坡体加速下滑会导致生成的涌浪波具有色散效应。研究了滑坡体形状对涌浪波远场特性的影响，结果表明深水条件下涌浪波的远场特性与滑坡体的形状（相同体积条件下）无关，这主要是由于涌浪波色散效应导致的；而浅水条件下涌浪波色散效应较弱（可以忽略不计），涌浪波远场特性会受到滑坡体形状的影响。开展室内水槽实验并结合理论分析研究了涌浪波的类型、特性和生成机理，提出了涌浪波类型的判别方法，理论分析建立了类孤立波和耗散涌波两类涌浪波的波高、波长的预测公式，并采用实验结果证明了公式的精度。开展了基于Boussinesq方程的具有弱色散效应的滑坡涌浪数值模型研究，提出了该类方程色散项的处理方法以及有限体积求解方法，建立并验证了数值模型的可靠性。开展了RANS方程的三维流固耦合滑坡涌浪数值模型研究，建立了滑坡体运动动力学模型，研究滑坡体近场和远场精度对网格尺度的敏感性，在此基础上提出了三维模型网格优化方法，在保证模拟精度的条件下提高了三维模型计算效率。本研究揭示可滑坡涌浪波的生成机理和色散效应影响，具有重要的科学意义，同时提出的基于Boussinesq方程的涌浪波数值模型、三维数值模型为实际工程滑坡涌浪问题研究提供模拟工具，具有广泛的工程应用前景。