滑坡运动过程数值模拟文献研究综述

滑坡动态数值模拟文献综述

引言

由于受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响，斜坡上的土体或岩石在重力作用下会沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动，造成滑坡事故。根据一项已经完成的290个县（市）地质灾害调中，滑坡28738处,占这些地区地质灾害总数的51% [1]，由此可见，滑坡是一项比较频发的自然灾害，这些灾害给人民的财产和生命安全造成了很大的影响。特别是对于我国多山的国家，许多高速公路、铁路都绕山而行，还有一些重要的国家战略设施也都依山而建，若山体发生滑坡，滑坡体势必会对这些重要设施造成破坏，造成正常的交通和生产秩序的紊乱。因此，研究山体滑坡，实现对滑坡的预报预警是亟需解决的一项艰巨任务。

课题背景及研究意义

二十世纪六十年代以后,在世界范围内陆续发生过许多大型高速滑坡,给人类造成很大灾难。这类滑坡大多具有极高的滑速和极远的滑程,在平缓的地面上,滑速有的超过10Okm/h,滑程可达几公里,甚至十几公里,并通过远程和高速及其引起的气浪和碎屑流化将不安全区扩展到滑坡形成区以外极远处,致使造成很大的灾害。

1963年10月9日意大利威尼斯省瓦依昂河下游的托克山斜坡,在瓦依昂特水库开始蓄水时坡体整体性高速下滑,激起了巨大的涌浪,致使坝内所有设施遭受破坏;对岸朗格尼亚镇、下游皮拉哥城和维拉诺尼镇、上游拉瓦佐镇均遭涌浪袭击而摧毁,死亡2400余人,整个水库完全破坏,造成震惊世界的灾难性事故【1】。

在我国,特别是在西北和西南地区,这类大型高速滑坡也多次发生,如1983年3月7日发生的甘肃东乡洒勒山大型高速滑坡,在不到一分钟的时间里滑出160Om,摧毁4个村庄,伤亡278人,最高滑动速度达30m/s[2].

1985 年6 月12 日凌晨，新滩江家坡至广家岩1300万m3滑坡体高速向下滑动，新滩镇这个千年古镇顷刻之间被推入长江。共有1569 间房屋、780 亩农田、77 艘船只被毁,

直接经济损失832 万元。滑坡产生的260 万m3土石高速入江，过江首浪高达70m，江中涌浪达39m，使上、下游各110km 的江段内96 条船只沉没，损失惨重，长江也因此断航一周，造成经济损失1 亿多元。

1991年9月23日发生的云南昭通头寨沟大型高速岩质滑坡,总体积大约1800x104m3的滑体高速下滑,仅在2~3分钟时间内冲入盘河,滑体的最大移动距离达3.65km,这场罕见的巨型滑坡一碎屑流灾害,造成了极为惨重的人员伤亡和损失,共有216人死亡,202间房屋被摧毁,94户村民半数以上无家可归,300头牲畜被埋,覆盖农田300亩,经济损失达200余万元[3];

2000年4月9日发生在西藏易贡藏布下游的扎木弄巴特大规模滑坡,波及长度2600m,堵塞长度15O0m,形成高130m的天然坝,堵断易贡错(湖)的出口,使正常流量100m3/s左右的易贡藏布断流,而中、上游的地表径流和冰雪融水又不断地注入,使得库容75.4x108m3的易贡错水位由海拔2220m,每天以50cm的涨幅上升,直接威胁着湖区周围藏、汉等多民族居民和享誉中外的易贡茶基地l4]。

2008 年5月12日,汶川8.0 级大地震也触发了大量的高速远程滑坡,造成重大地质灾难,

加重了地震灾害的损失,如北川县城城西滑坡直接导致1600 人被埋,数百间房屋被毁,北川老县城几乎一半被该滑坡摧毁。如图1-7 所示为位于湔江北川上游约5km 处唐家山滑坡所形成的堰塞湖，对下游数十万人民群众的生命财产造成巨大威胁。

2009 年重庆武隆的鸡尾山滑坡运行了1.5km,造成10人死亡,64人失踪。2010年贵州关岭滑坡体积约174.9万m3,滑程约1.5km,使得两个村组被毁,99人遇难。2013年1月11日上午8时20分,云南省昭通市镇雄县果珠乡高坡村赵家沟村民组发生特大山体滑坡,46人被山体掩埋,2人受伤。

综上所述，这些滑坡事故所造成的次生灾害均给人类造成了巨大的损失。水利水电工程建设属百年大计，目前修建于峡谷中的高坝大库愈来愈多，正确地预测库区可能的滑坡涌浪，是工程可行性论证中的一个重要内容，在保证工程安全的情况下，可以大幅度减少成本，为国民建设节约资金。通过滑坡涌浪预测研究，可以及时采取适当的工程防范和治理措施，以最大限度地减小滑坡涌浪造成的灾害，从而保障人民的生命和财产安全，且可为防灾减灾决策的制定提供科学依据。

滑坡所引发的另一次生灾害－溃坝的发生和溃坝洪水的形成属于非正常和难于预测的事件，因而溃坝洪水造成的灾害往往是毁灭性的。但是，如果做好溃坝洪水的分析与研究，进而制定切实可行的防洪预案，就可以在灾害发生时大大减轻下游的损失。在我国，随着社会经济的发展，人口和社会财富在沿江和水库下游地区不断集中，因此，对溃坝洪水的分析与研究更加具有紧迫性和重要性。

这些重大滑坡事故给我们造成了重大损失，急需用一种更有效的手段预防滑坡灾害的发生。而近些年来随着计算机技术的快速发展，计算机仿真模拟已经成为研究和预防灾害的一项重要技术，并且在工程的几乎所有领域都获得了较好的应用和效果，应用计算机仿真技术研究，是研究滑坡灾害机理，找出滑坡运动规律的更有效的手段，通过计算机建模模拟灾害的动态过程，可以对灾害的致灾范围和破坏强度做出预报预防，结合GIS技术，还可以生动逼真地再现灾害的发生过程。

滑坡运动过程特征描述

滑坡的主要研究方法

滑坡灾害给人类造成的损失巨大，越来越引起人们的关注。国内外众多学者对滑坡涌浪的生成和传播规律进行了研究，通过建立模型模拟滑坡引起的涌浪的发生、发展和衰减。早在十八世纪中期就有关于库岸滑坡撞击水体产生巨大涌浪的现象记载，但人们对涌浪的研究则是从二十世纪初开始。滑坡涌浪计算研究主要是从1958年阿拉斯加的Lituya 湾事件以及1963 年意大利Vajont 水库失事之后才成为研究热点。由于影响滑坡涌浪的因素十分复杂且难以清楚地表述，只能对其估计，加之在计算时边界条件和初始条件也难以明确确定，所以，直至目前滑坡涌浪的计算还没有一种通用的方法。普遍采用的主要有以下三种：经验公式法、物理模型试验和数值模拟。

经验公式法起始于二十世纪四十年代，是一经典的解析方法。经验公式法是建立在一定的理论及实际观测数据分析的基础上，通过资料分析建立经验公式来研究滑坡涌浪问题。此法简便易行，但存在较大局限性，无法提供完整和系统的滑坡涌浪信息。目前较为广泛使用的经验公式法有：Noda 法、Kanphuis & Bowering 公式、潘家铮法、水科院经验公式法、美国土木工程学会法、Slinger-land & Voight 公式[9]等。

物理模型试验方法从二十世纪七十年代开始采用，已取得一定经验。物理模型试验克服了原型观测的一些缺点，因自身原因引起的限制很多，比如模型制作、滑体模型时速控制、场地限制、测量仪器的精度与灵敏度等。

长江科学院[10](1984)应用库首河段的水工模型，选择距离坝址较近且其稳定性差和规模大的新滩滑坡(距坝址26km-27km)和链子崖危岩体(距坝址65km)，按不同的破坏条件、规模、不同库水位进行了涌浪试验。庞昌俊[11](1985)在波浪水槽中进行了斜滑坡的涌浪试验来探索岸坡失稳而产生高速整体滑动所激起的涌浪特征和演变规律。袁银忠[12](1990)在模型池中进行了滑坡模拟试验，用以确定数值模型计算结果的可靠性、涌浪经弯道后的变化及涌浪遇壁爬高及反射规律。王育林等[13](1994)运用河工模型试验模拟了不同方量、不同入江角度的产生的危岩崩滑，进而提出峡谷型河道滑坡最大初始涌浪极其沿程衰减计算公式。余仁福[14](1995)对龙羊峡水库近坝段进行了滑坡涌浪模型试验，模型比例尺是采用1：500。Wiegel、Heinrich、Watts、Fritzet al[15-17]等也都针对不同的滑坡实例进行了涌浪物理试验。到了二十世纪八十年代，随着计算机及数值理论的迅速发展，开始基于流体力学的基本方程(如N-S 方程)建立涌浪数值模型并利用计算机进行二维及三维有限差分或有限元计算。数值模拟可以提供完整性和系统性的信息、不受时空的限制、模型可以重复使用、极大地节省时间和人力、物力和财力等。但其不能独立于物理模型试验或原型观测而存在。在许多实际问题中，还需要通过原型观测或模型试验提供某些参数并对所建立的数值模型进行验证。按照不同的滑坡涌浪控制方程的离散方式，有关滑坡涌浪数值模拟研究主要有以下几种方法，包括有限单元法(FEM)、有限差分法(FDM)、有限体积法(FVM)、边界元法(BEM)和SPH(smoothed particlehydrodynamics)法等。基于有限单元法的有：严骏龙[18](1983)，王晓鸿[19](1996)，Walters[20](1998)等；基于有限差分法的有周剑华[21](2003)、Lynett 和Liu[22](2005)等；基于有限体积法的有Heinrich[23](1992)，姜治兵[24](2005)，任坤杰[25](2006)等；基于边界元法的有S.T.Grilli[26](1999)刘建秀[27](1994)等；基于SPH 法的有杜小弢[28](2006), B. Ataie-Ashtiani[29](2007)等。关于溃坝问题的研究基本上是从数值模拟和室内试验两方面进行的。目前数值模拟是溃坝研究的主流，数值模拟一般仍从明渠水流运动方程出发，通过有限差分法(FDM)、有限体积法(FVM)和有限元法(FEM)等对控制方程进行离散[52-58]。从工程实际应用的角度来看，溃坝的模型试验仍必不可少，特别是大型的工程，模型试验的参数是工程设计和施工的主要依据，同时模型试验的结果能用来验证数值模拟计算方法的可行性[59-63]。

统计分析