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滑坡涌浪影響因素研究

文檔作者：徐文杰文檔來源：清華大學		點擊數：	更新時間： 2025年02月19日
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Journal of Engineering Geology 工程地質學報 1004—9665／2012／20(4)．0491．17
滑坡涌浪影響因素研究冰
徐文杰
(清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室北京100084)
摘要滑坡涌浪問題是近水滑坡災害鏈上的一個重要的研究內容，長期以來一直是滑坡界、水電工程領域研究的難點和熱
點。特別是一些災難性的滑坡涌浪事故的發生，使人們越來越認識到涌浪作為近水岸滑坡災害鏈上的一個重要派生災害。
本文運用耦合的歐拉與拉格朗日(CEL)算法采用多種正交數值試驗的方法研究了滑坡體形狀、滑坡體前緣形態、滑坡體體積、
滑面摩擦角及水面寬度等對滑坡涌浪的影響。通過研究發現：對于同體積的滑體而言，楔形體的滑體形成的涌浪最大，且楔
形體的前緣角度越大形成的涌浪高度越高，這種影響在近場范圍內影響更為顯著；滑坡體的體積對涌浪高度影響較大，隨著
體積的增加浪高呈現明顯的增加趨勢；在相同條件下，滑面的摩擦系數越大所形成的涌浪高度越??；由于受到阻擋作用，隨
著水面寬度的減小，涌浪高度呈現增高的趨勢，尤其是涌浪爬坡高度有明顯的增加。
關鍵詞關鍵詞庫岸滑坡涌浪CEL算法影響因素
中圖分類號：O319．56 文獻標識碼：A
NUM EIUCAL STUDY oN FACToRS INFLUENCING RESERVoIR SURGE
BY LANDSLIDE
XU W enjle
(State Key Laboratory of Hydroscienee and Hydraulic Engineering，Tsinghua University，Bering 100084)
Abstract Study on the hazard of water surge induced by landslide is an important content in the chain of reservoir
landslide hazard．The surge hazard is a difficult and hot problem in landslide and hydropower project fields．In this
paper，the coupling of Euler and Lagrange(CEL)algorithm and the orthogonal numerical method are used to study
the influence of landslide body shape，landslide front morphology，landslide volume，friction factor of slide surface
and the water surface width on the surge．The results are as follows．For the slide body with the same volume
， the
wedge shape formats the largest surge．The larger of the front angle of the wedge the higher of the surge height．
This kind of effect is more significant in the near field．Secondly，the volume of landslide has a greater influence on
the surge height．With the increasing of the volume the surge height increases too．Thirdly，under the same condi．
tions，the surge height decreases with the increasing of the friction coeficient of sliding surface．Fourthly due to the
blocking effect，as the water surface width decreases，the surge height shows an increasing tendency．Especially the
climbing height of the surge increases significantly．
Key words Reservoir landslide，Surge，Coupled Euler-Lagrange(CEL)algorithm，Climbing height
收稿13期：2011一l0—20；收到修改稿13期：2012—03—25．
基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(51109117)，清華大學自主科研計劃(20111081125)，地質災害防治與地質環境保護國家重
點實驗室開放基金資助項目(SKLGP2011K015，GZ2007．10)．
作者簡介：徐文杰，主要從事巖土力學、地質工程及地質災害等方面的教學與研究．Email：wenjiexu@tsin曲ua．edu．cn
492 Journal ofEngineering Geology 工程地質學報2012
1 引 言
滑坡涌浪問題是近水滑坡災害鏈上的一個重要
的研究內容，一直以來是滑坡界、水電工程領域研究
的難點和熱點。特別是一些災難性的滑坡涌浪事故
的發生，使人們越來越認識到涌浪作為近水岸滑坡
災害鏈上的一個重要派生災害。庫岸滑坡涌浪問題
的研究逐漸被國內外眾多學者所關注，并紛紛從不
同角度開展了相關研究工作。
Wiegel等 利用水動力模型試驗研究了滑坡
涌浪與滑塊寬度、弗勞德數、水深及滑體速度等之間
的關系；Kamphis等 通過試驗的方法研究了影響
滑坡涌浪高度的無量綱組合模式，提出滑坡形成的
涌浪高度主要取決于滑體的體積及滑體的弗勞德
數，并建立了它們的相關關系式；Enet J，Fritz
等_4， ，Ashtiani等 及Risiod等 。 也分別采用不同
形式的室內模型試驗的方法研究了影響滑坡涌浪高
度的因素、涌浪傳播特征及機制等等。Davidson等
人_8’ 利用有限差分法和實驗模擬計算對滑坡涌浪
問題進行了研究，得出滑體最大速度與涌浪高度的
關系；Pastor等¨。。采用歐拉算法將滑體和水分別視
為2種流體，對滑坡的涌浪問題進行了分析；Ash—
tiani等 采用SPH方法來模擬潰壩過程中水體
的運動過程；Pacheco等¨ 則采用有限體積的方法
對滑坡涌浪問題進行了模擬。
我國對滑坡涌浪問題的研究開展的相對較少，
工程中最為常用的是潘家錚院士¨ 提出了滑坡涌
浪計算的潘家錚法。此外，黃種為等 根據模型試
驗，初步探討了滑坡涌浪的計算方法，并指出滑速和
滑體體積是影響滑坡涌浪高度的主要因素，并提出
了較為簡單的估算方法；汪洋等¨ 從明渠非恒定
流出發，提出了滑坡失事點涌浪的衰減變化規律，并
據此進行涌浪高度的疊加以得到滑坡失事點最終涌
浪高度的方法。
目前隨著數值計算技術的飛速發展，一些新型
的數值計算方法(如，SPH法、AEL法、CEL法及
VOF法等)為解決滑坡涌浪這一復雜的流一固耦合
問題提供了強大的技術支持。為更好解決滑坡涌浪
問題，作者研究和探討了耦合的歐拉與拉格朗日
(CEL)算法在滑坡涌浪研究應用中的可行性，其結
果表明這一方法可以很好地用來解決這一復雜的流
固耦合問題 J。本文在前述研究的基礎上，采用
CEL算法分別從滑體的整體形狀、滑體前緣形態、滑
體的體積、滑動面的摩擦角及水面寬度等5個方面
人手，對涌浪特征及機制進行了詳細的研究分析，以
為滑坡涌浪研究及防災減災提供有一些意義的借鑒
和指導。
2 滑體形狀與涌浪關系研究
2．1 計算分析模型
為研究滑動塊體形狀對涌浪問題的影響，本文
在研究過程中分別選用截面為矩形、楔形體(等腰
直角三角形)及橢圓體3種(圖1a—c)，且3種塊
體的截面面積均為50m 。此外，為減小因滑動面形
態對分析結果的影響，各模型的滑動接觸面均相等
(1414．2cm)。
"453
圖1 滑體形狀對涌浪問題影響計算分析模型(單位：am)
Fig．1 Models used to analysis the effect of the slide
body shape on the surge characteristics(units：am)
a．矩形；b．楔形體；c．橢圓體；d．計算分析模型
計算中采用的滑體入水高度為15m，滑面傾角
為30。，水體深度為25m，同時在水體傳播方向上考
慮為無限遠邊界條件。圖1d顯示了本文分析中采
用的計算分析模型。
計算采用滑面接觸面模型為摩爾一庫倫模型，
摩擦角大小為10。?；瑒訅K體模型采用彈性材料，
密度為2500kg·113～，彈性模量為3000MPa，泊松比
為0．1。水體采用狀態方程(EOS)模型，密度為
1000kg·in～。本文其他工況下的計算也采用本參
數。
2．2 計算成果分析
為研究3種形狀塊體入水后形成的涌浪運動特
征，分別對20m、40m、60m及80m處最大的浪高隨
20(4) 徐文杰：滑坡涌浪影響因素研究 493
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入水時間，s 人水時問，s
c d
圖2 距入水點不同位置處自由水面高度隨時間變化(滑體形狀不同)
Fig．2 The height of the water free $tlrface at different location from the point of the slide body
into the water(different slide body shape)
a．距入水點20m；b．距入水點40m；c．距入水點60m；d．距入水點80m
時間變化過程進行了記錄，并繪制了相應的浪高一
時間關系曲線(圖2)。圖3則顯示了不同時刻得
到的水體自由水面形態特征。
從圖2和圖3所示的曲線上看出：
(1)對楔體入水后形成的涌浪的第一個波峰最
大，其次是矩形塊體，而橢圓形塊體最小。這主要是
由于楔體從整體上來講厚度(即，楔體高度)較大，
在高速入水后容易將較大的水體掀起，從而形成較
高的涌浪，這一點從圖3中可以看出；而矩形體，其
厚度(即，矩形高度)雖然最小，但是在人水瞬間其
前緣與水體接觸面積較其他兩者均大，從而快速將
水體“推出”，同樣可以形成較高的涌浪，而且其涌
浪速度較其他兩者均快(圖2)；橢圓體，其前緣較
為圓滑，這種形態使得入水過程中與水體的作用較
為“柔和”(這方面從滑體運動速度上也可以證明，
在入水后前半段時問橢圓體的速度下降最為緩
慢。)，從而形成的涌浪較其他兩者均小。
(2)在涌浪的運動速度上，矩形塊體形成的涌
浪速度最大，其次是楔形體，而橢圓體形成的涌浪最
小(圖3)。這一點與上述第(1)點的分析是吻合
的。
(3)3種塊體形成的涌浪在第一個波段差別較
大，而后差別逐漸減小。
(4)在數據檢測范圍內：矩形塊體和楔形體形
成的涌浪最大值均出現在第一個波峰段；而橢圓形
塊體在距離入水點較近的距離范圍內，涌浪最大值
7 6 5 4 3 2 。o
n m 9 8 7 6 5 4 3 2。o 4 7 6 5 4 3 2 。o
Journal of Engineering Geology 工程地質學報2012
30
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— 20
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距人水點位置／m
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b
距入水點位置／m
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距人水點位置／m
f
距入水點位置，m
g
圖3 滑體入水后不同時刻自由水面特征(滑體形狀不同)
Fig．3 Characteristics of the free surface induced by slide body at different times(with different shape of slide body)
a．2s；b．4s；C．6s；d．8s；e．10s；f．12s；g．14s
出現在第一個波峰段(圖2a)，而較遠的距離內涌
浪最大值出現在第二個波峰段(圖2b)。
圖4顯示了計算得到的3種塊體情況下，距滑
體入水點不同距離處的最大涌浪高度關系。從圖中
可以看出：隨著距入水點的距離越來越遠，涌浪大小
在整體上呈現逐漸衰減趨勢，尤其是在近場范圍內
呈現急劇下降趨勢；楔形滑體形成的涌浪最大，其
次是矩形，而橢圓形塊體形成的涌浪最?。辉诰嚯x
入水點較遠后矩形與楔形滑體形成的涌浪基本趨于
一致，但均大于橢圓形塊體形成的涌浪。
3 滑體前緣形態與涌浪關系研究
3．1 計算分析模型
在滑體前緣形態對涌浪關系的研究方面，考慮
到一方面要使得模型具有代表性，另一方面計算模
型能夠簡單化，本文在分析過程分別采用等面積的
楔形體塊體來模擬，并通過變化塊體前緣夾角的方
如 加 m 5 0 加
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位水點入距隊n 0 3 2 211。 鑫 —
20(4) 徐文杰：滑坡涌浪影響因素研究 495
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圖4 最大浪高隨傳播距離變化曲線(滑體形狀不同)
Fig．4 Curves of the maximum wave height with the propagation
distance(different slide body shape)
式來模擬滑體的前緣形態變化(圖5)。分析總采
用的3個塊體的截面面積均為50m ，滑動接觸面均
相等(1414．2cm)，楔形體的高度均相等
(717．4cm)。
圖5 不同前緣形態的塊體分析模型(單位：on)
Fig．5 Models used to analysis the effect of the slide body
front shape on the surge characteristics(units：em)
a．30。；b．45。；c．60。
計算中選取滑體入水高度為15m，滑面傾角為
30。，水體深度為25m，同時在水體傳播方向上考慮
為無限遠邊界條件。采用的計算分析模型同圖1d
所示。計算采用滑面接觸面模型為摩爾一庫倫模
型，摩擦角大小為1O。。
3．2 計算成果分析
圖6顯示了計算分析得到的與圖4所示的不同
滑動塊體運動速度隨時間變化曲線及相應的理論計
算結果。
從圖5可以看出，在滑體入水前數值分析結果
與理論計算結果吻合較好，約在4．2s滑體開始進入
水中，約在7．4s塊體撞擊到水體底板。從曲線的形
態上可以看出，滑體入水后由于水流對滑體的沖擊
圖6 滑體運動速率隨時問變化曲線(前緣形態不同)
Fig．6 Curves of the slide body velocity with the time
(different front shape)
阻礙作用，滑體運動速度急劇降低。由于在塊體厚
度(楔體高度)相等的條件下，隨著塊體前緣夾角的
增大，水流的阻礙作用也成上升趨勢，從而使得滑體
速度的下降趨勢隨著其前緣夾角的增大而增大
(圖6)。
為研究3種情況下滑體入水后形成的涌浪運動
特征，分別對距離滑體入水點20m、40m、60m及80m
處最大的浪高隨時間變化過程進行了記錄，并繪制
了相應的浪高一時問關系曲線(圖7)。圖8顯示了
不同時刻得到的水體自由水面形態特征。
從圖7和圖8所示的曲線上看出：
(1)由于滑體的厚度(楔體高度)相同，在塊體
從與水接觸到完全浸沒入水中這一段時間內，隨著
滑體前緣夾角的增加單位時問內激起(或，排出)水
的體積逐漸增加，因此形成的涌浪也隨之增加。在
滑體入水初期及距離入水點較近的范圍內，這種效
應將更加明顯(圖7a，圖8a)。
(2)從3種塊體的涌浪衰減速率上看，隨著塊
體前緣夾角的增加涌浪的衰減速率也逐漸增加。這
主要是由于3種塊體的體積相等，入水前各個塊體
的能量近于相等，根據能量守恒定律，形成的水波能
量也應該近于相等。因此，在相同的情況下涌浪的
高度越高，其向前傳播的速度將越低，在各個位置處
的涌浪高度隨時間變化曲線上也表現為隨著塊體前
緣夾角的增加而變“窄”，尤其是對于第一個波段最
為明顯(圖7a)。這種結果，一方面導致涌浪傳播
速度隨著塊體前緣夾角的增加而降低(圖7，圖8)，
另一方面也導致了塊體完全人水后，涌浪的衰減程
度隨著塊體前緣夾角的增加而呈增加趨勢。
Journal of Engineering Geology 工程地質學報2012
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圖7 距入水點不同位置處自由水面高度隨時間變化(前緣形態不同)
Fig．7 The height of the water free suYface at different location from the point of the slide body into the water(different front shape)
a．距入水點20m；b．距入水點40m；C．距入水點60m；d．距入水點80m
(3)對于同一位置而言，隨著時間的進行等水
波運動進入第二個波段后，各個塊體形成的浪體高
度及自由水面形態逐漸趨于一致。
(4)隨著距入水點距離的增加，不同塊體形成
的涌浪特征差異性逐漸減小。
圖9顯示了計算得到的3種塊體情況下，距滑
體入水點不同距離處的最大涌浪高度關系。從曲線
上可以看出：在距離入水點較近的范圍內(近場)，
滑體前緣形態對涌浪高度影響加大，隨著塊體前緣
夾角的增加，形成的涌浪高度也逐漸增加，并且隨著
傳播距離的增加而急劇下降，這與前述分析是一致
的；隨著距離的增加3種塊體形成的涌浪高度差異
性逐漸減小，并逐漸趨于一致，如本文分析中約距離
入水點70m后3種塊體得到的涌浪高度基本一致。
4 滑體前緣形態與涌浪關系研究
4．1 計算分析模型
滑體的體積是影響其入水形成涌浪特征的一個
重要的因素。同時考慮到自然界中的滑坡其前緣形
態及宏觀形態上大致呈現一個橢圓形，因此本文在
研究過程中采用的滑體模型均為橢圓形。同時為簡
化起見，在改變滑體的體積時采用等比例縮放(即，
保持滑體的長短軸比不變)，分別采用滑體的截面
面積比為1．0、1．5、2．0及3．0共4種模型(表1)。
計算中選取滑體入水高度為10m，滑面傾角為
30。，水體深度為25m，同時在水體傳播方向上考慮
為無限遠邊界條件。采用的計算分析模型同圖1d。
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20(4) 徐文杰：滑坡涌浪影響因素研究 497
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圖8 滑體入水后不同時刻自由水面特征(前緣形態不同)
Fig．8 Characteristics of the free suFface induced by slide body at different times(with different front morphology of slide body)
a．2s；b．4s；c．6s；d．8s；e．1Os；f．12s；g．14s
計算采用滑面接觸面模型為摩爾一庫倫模型，摩擦
角大小為l0。。
4．2 計算成果分析
圖10顯示了數值計算分析得到的各個滑動塊
體運動速度隨時間變化曲線及理論計算曲線。
從圖l0可以看出，在滑體入水前數值分析結果
與理論計算結果吻合較好，約在3．4s滑體開始逐漸
進入水中，約在7．2s塊體撞擊到水體底板。從曲線
的形態上來看，塊體入水后受水體的阻礙作用其加
速度逐漸降低，最終轉換為負值，導致滑體入水后其
速度逐漸緩慢增加至一個最大值而后急劇下降，并
撞擊底板。而且這一過程中，滑體運動速度的最大
值隨著其體積的增大而增大。
O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5
3 2 2 ● ● 一
目、越惺
Journal ofEngineering Geology 工程地質學報2012
圖9 最大浪高隨傳播距離變化曲線(前緣形態不同)
Fig．9 Curves of the maximum wave height with the propagation
distance(different front shape)
表1 滑體體積與涌浪關系研究計算模型參數
Table 1 Parameters used for the study on the relationship
between the slide body volume and surge characteristics
圖10 滑體運動速率隨時間變化曲線(滑體體積不同)
Fig．10 Curves of the slide body velocity
with the time(different volume)
為研究3種情況下滑體入水后形成的涌浪運動
特征，分別對距離滑體入水點20m、40m、60m及80m
處最大的浪高隨時間變化過程進行了記錄，并繪制
了相應的浪高一時間關系曲線(圖11)。圖l2顯示
了不同時刻得到的水體自由水面形態特征。
從圖11和圖12所示的曲線上看出：
(1)在近場范圍：計算分析采用的4個滑體形
成的涌浪最大值出現在第一個波峰段(圖1la)，且
各位置處的涌浪最大高度隨著滑體體積的增加而增
加；而后隨著時間的增加，水體波動逐漸衰減，波峰
逐漸降低。這種效應在某種程度上，主要是由于隨
著體積的增加，滑體的能量也逐漸增加，從而產生更
大的水體“激波”。
(2)在遠場范圍：滑體形成的涌浪最大值則逐
漸出現在第二個波峰段，如圖11c中所示的1倍、
1．5倍及2倍體積的滑體形成的涌浪。
(3)隨著距入水點位置的增加，各個位置出形
成的水波波長逐漸增加(圖11)。
(4)隨著塊體體積的增加，在入水過程中“排
出”水的體積就越大(圖12a)，從而當滑體入水后將
重新回落充填滑體形成的“空腔”的水體越多，在慣
性作用下將形成較高的涌浪“爬坡”現象(圖12c，
e)。
(5)滑體入水形成的涌浪傳播速度隨著滑體體
積的增加而增加。
圖13顯示了計算得到的3種塊體情況下，距滑
體入水點不同距離處的最大涌浪高度關系。從曲線
上可以看出：滑體的體積對其入水后形成的涌浪高
度影響較大，特別在距離入水點較近的近場范圍內
其差別最大，如在距離入水點30m處3倍體積的塊
體形成的最大涌浪要較1倍體積的塊體高4m多。
隨著距離的增加形成的涌浪高度差異性逐漸減小，
但是從整體上來講涌浪高度隨著體積的增加而呈現
增加趨勢。
5 滑面摩擦角與涌浪關系研究
5．1 計算分析模型
為探討滑面內摩擦角與滑體涌浪的關系，本文
在研究過程中滑體模型采用橢圓形塊體，其橫截面
面積為50m ，沿著傾角為45。的傾斜滑面下滑，滑體
前緣距離水面高度為15m，水體深度為25m，同時在
水體傳播方向上考慮為無限遠邊界條件(圖14)。
計算中分別考慮內摩擦角為0。、10。、20。、30。及40。
共5種工況。
5．2 計算成果分析
圖l5顯示了數值計算分析得到的滑面不同內
摩擦角情況下滑體運動速度隨時間變化曲線及理論
計算結果。從圖中可以看出，在滑體入水前數值分
析結果與(5—1)式計算的理論計算結果吻合較好。
20(4) 徐文杰：滑坡涌浪影響因素研究
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圖11 距入水點不同位置處自由水面高度隨時間變化(滑體體積不同)
Fig．1 1 The height of the water free surface at different location from the point of the slide body into the water(different volume)
a．距入水點20m；b．距入水點40m；e．距入水點60m；d．距入水點80m
滑體的從下滑到入水的時間隨著內摩擦角的增加而
增加，滑面不同內摩擦角情況下的滑體入水時間分
別為：2．5s(0。)、2．74s(10。)、3．1S(20。)、3．8s
(3O。)及6．17s(40。)。而且滑體入水瞬間的速度衰
減隨著滑面內摩擦角的增大而變得更加緩慢，這從
另一個角度也說明了在水體對滑塊的沖擊阻力隨著
滑速的增加而增加。
為了研究滑面內摩擦角不同情況下滑體入水后
形成的涌浪運動特征，分別對上述五種內摩擦角情
況下距離滑體入水點20m、30m、40m、60m及80m處
最大浪高隨時間變化過程進行了記錄，并繪制了相
應的浪高一時間關系曲線(圖16)。附錄四顯示了
不同時刻得到的水體自由水面形態特征。
從圖16和圖l7的曲線上看出：
(1)在近場范圍：計算分析采用的5種滑面內
摩擦角情況下滑體形成的涌浪最大值出現在第一個
波峰段(圖16a)，且各位置處的涌浪最大高度隨著
滑體內摩擦角的增加而呈現降低趨勢；而后隨著時
間的增加，水體波動逐漸衰減，波峰逐漸降低。這種
效應在某種程度上，主要是由于隨著滑面內摩擦角
的減小，滑體入水時的速率增加，從而滑體的能量也
增加，以產生更大的水體“激波”。
(2)在遠場范圍：滑體形成的涌浪最大值則逐
漸出現在第二個波峰段(圖16d)，而且滑面內摩擦
角越小，這種現象首先出現的位置距滑體入水點的
距離也越小。
(3)隨著距入水點位置的增加，各個位置處形
成的水波波長逐漸增加(圖16)。
8 7 6 5 4 3 2 。o
8 7 6 5 4 3 2 。0
8 7 6 5 4 3 2 。o
加
￡j
問
m入樹 。
4
2
0
500 Journal ofEngineering Geology 工程地質學報2012
3O
25
20
15
10
5
0
恒一5
一lO
一15
— 2O
- 25
— 40 —2O 0 20 40 60 8O tO0 120 140
距入水點位置／m
a
距入水點位置／m
C
距入水點位置／m
e
距入水點位置／m
b
3O
25
20
15
10
目5
0
桅一5
— 1O
一15
— 20
— 25
距入水點位置／m
d
距入水點位置／m
f
距入水點位置／m
g
圖12 滑體入水后不同時刻自由水面特征(滑體體積不同)
Fig．12 Characteristics of the free surface induced by slide body at different times(with different volume of slide body)
a．2s；b．4s；c．6s；d．8s；e．1Os；f．12s；g．14s
(4)隨著滑面內摩擦角越小，滑體入水時的速
率就越大，在入水過程中“排出”水的體積就越大
(圖16a)，從而當滑體入水后將重新回落充填滑體
形成的“空腔”的水體越多，在慣性作用下將形成較
高的涌浪“爬坡”現象(圖17c，e)。從圖16a中滑
面內摩擦角為0。時的水面高度隨時間變化曲線在
第二個波峰后，其波動較為不規則，這主要是由于水
體的這種“爬坡”現象，又重新回落而導致的(圖
17e)。
(5)在相同條件下，滑體入水形成的涌浪傳播
速度隨著滑面內摩擦角的增加而增加。這主要是由
于隨著滑面內摩擦角的增加，滑體入水時的速率將
減小，即入水時的能量將減小，從而激起的涌浪將降
低，這在某種程度上將低了涌浪的傳播速率。
∞ m 5 o m m
目、 慪
20(4) 徐文杰：滑坡涌浪影響因素研究
圖13 最大浪高隨傳播距離變化曲線(滑體體積不同)
Fig．1 3 Curves of the maximum wave height
with the propagation distance(different volume)
一一一
圖14 滑面摩擦系數不同時計算分析模型(單位：am)
Fig．14 Models used to analysis the effect of the slide surface
friction coeficient on the surge characteristics(units：cm)
圖15 滑體運動速率隨時間變化曲線(滑面內摩擦角不同)
Fig．15 Curves of the slide body velocity with the time
(different friction coeficient on slide surface)
圖l8顯示了計算得到的5種滑面內摩擦角情
況下，滑體入水形成的涌浪特征。從曲線上可以看
出：在落差相同的情況下，滑面的內摩擦角大小對其
入水后形成的涌浪高度影響較大，從整體上看來涌
浪高度隨著滑面內摩擦角的增加而呈現降低趨勢。
滑面內摩擦角從0。～10。范圍內變化時，涌浪高度
隨著內摩擦角的增加而呈急劇降低趨勢；而當滑面
內摩擦角從10。～40。范圍內變化時，涌浪高度隨著
內摩擦角的增加而呈現緩慢降低的趨勢。
6 水面寬度與涌浪關系研究
6．1 計算分析模型
自然界中的江、河及水庫等水面寬度千差萬別，
前面的研究均為基于水體為無窮遠邊界的基礎上，
本部分將探討水面寬度對滑體入水形成涌浪的影
響?；w模型仍然采用橢圓形塊體，其橫截面面積
為50m ，沿著傾角為30。的傾斜滑面下滑，滑體前緣
距離水面高度為lOm，水體深度為25m(圖19)。計
算中分別考慮水面寬度為150m、200m及250m等3
種工況。
6．2 計算成果分析
計算得到的滑體運動速度隨時間的變化曲線如
圖10所示的1倍體積塊體的速度曲線，在此不做贅
述。同時，為研究滑面內摩擦角不同情況下滑體入
水后形成的涌浪運動特征，分別對上述3種水面寬
度情況下距離滑體入水點20m、30m、40m、60m、
80m、100m及120m處最大浪高隨時間變化過程進
行了記錄，并繪制了相應的浪高一時間關系曲線
(圖20)。圖21則顯示了不同時刻得到的水體自由
水面形態特征。
從圖20和圖21所示的曲線上看出：
(1)在近場范圍(圖20a)：尤其是在滑體入水
后的初期階段(如，本文分析中的7s左右)水面寬
度對滑體入水形成的涌浪運動特征影響較小，而且
3種情況下滑體形成的涌浪最大值出現在第一個波
峰段，波峰的大小基本相等。
(2)在遠場范圍：滑體形成的涌浪最大值則逐
漸出現在第二個波峰段(圖20c)，而且水面寬度越
小，這種現象首先出現的位置距滑體入水點的距離
也越小。尤其是在靠近對岸位置，由于受對岸的阻
擋作用涌浪的變化較大。
(3)隨著入水時間的增加，水面寬度小的河道，
水流首先到達對岸，并受到對岸的這種阻擋作用，各
位置處的水面波動逐漸出現分異現象(圖20)。本
文分析中當滑體入水7s左右時，水面寬度為150m
502 Journal of Engineering Geology 工程地質學報2012
一
? ～
0 2 4 6
5
4
3
2
l
0
糕
l逗一1
— 2
— 3
— 4
— 5
．
．
-．‘ 。
f
．|
8 to 12 14 16 18 20 0 2 4 6
入水時間，s
l
：
O O
O 2 4 6
5
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3
2
1
0
惶一1
— 2
— 3
— 4
— 5
8 1O 12 14 l6 18 20
入水時間，s
b
； 、
8 lO l2 14 l6 18 20 0 2 4 6
入水時問，s
C
5
4
3
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1
0
魁
窿一1
— 2
— 3
— 4
- 5
8 1O 12 14 l6 l8 2O
入水時間，s
d
m O~
；7／
0 2 4 6 8 1O 12 14 16 18 20
入水時間，8
e
圖16 距入水點不同位置處自由水面高度隨時間變化(滑面摩擦系數不同)
Fig．16 The height of the water free snrface at different location from the point of the slide body into the water
(different friction coeficient on slide surface)
a．距入水點20m；b．距入水點30m；C．距入水點40m；d．距入水點60m；e．距入水點80m
5 4 3 2 。 o
、 惺
5 4 3 2 o
uv 罐
20(4) 徐文杰：滑坡涌浪影響因素研究 503
目
越
坦
距人水點位置，m
距人水點位置，m
距入水點位置，
目
幢
目
越
譴
目
幢
目
掘
距人水點位置／m
b
距入水點位置／m
距人水點位置Ira
距人水點位置，m
圖17 滑體入水后不同時刻自由水面特征(滑面摩擦系數不同)
Fig．17 Characteristics of the free surface induced by slide body at different times(with different friction factor of slide surface)
魯
惶
熙
嘣
a．2s；b；4s；c；6s；d．8s；e．10s；f 12s；g．14s
距離／m
高
越
幄
醒
圖18 滑面內摩擦角不同情況下涌浪特征
內摩擦角／。
b
Fig．18 The surge characteristics with different friction coefficient on slide surface
最大浪高隨傳播距離變化曲線；b．涌浪高度與內摩擦角的關系
∞ m，o m=2加 ∞ ∞ m 0 m=2加 ∞ 加：2m 0 m 加
∞ 拍=2m 0 m：。加
504 Journal ofEngineering Geology 工程地質學報2012
5
4
3
2
1
0
l追一1
— 2
— 3
— 4
- 5
圖19 水面寬度不同時計算分析模型(單位：cm)
Fig．19 Models used to analysis the effect of the water surface width on the surge characteristics(units：cm)
—
? 、 ? ～
0 2 4 6 8 10 12 14 l6 18 20 22 24
入水時間，8
I一150in J
’ l? ? 200ml
八 ?
V 一一
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2O 22 24
入水時間，s
一
V
0 2 4 6 8 tO 12 14 16 18 2O 22 24
入水時間，8
5
4
3
2
1
0
挺一1
— 2
— 3
— 4
- 5
5
4
3
2
1
0
一l
一2
— 3
— 4
— 5
5
4
3
2
l
0
梭一I
一2
— 3
— 4
— 5
八
V ～?～ 一
． 八 ，
，
O 2 4 6 8 10 12 l4 16 18 20 22 24
入水時間，B
d
I— I50ml
? ? 200m1
．
? ? ～ 250ml
一 ／
O 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
入水時間，s
f
圖20 距入水點不同位置處自由水面高度隨時間變化(水面寬度不同)
Fig．20 The height of the water free surface at different location from the point
of the slide body into the water(different water surface width)
a．距入水點20m；b．距入水點40m；C．距入水點60m；d．距入水點80m；e．距入水點lOOm；f．距入水點120m
M
4 ● 問柑
0
人
8
6
4
2
O
5 4 3 2 。 o
、 惺
5 4 3 2 ● o
目、越恒
20(4) 徐文杰：滑坡涌浪影響因素研究 505
目
鍵
目
檀
目
惺
距人水點位置／m
距入水點位置Ira
距人水點位置／m
目
齷
目
幄
目
．窿
距人水點位置／m
b
距入水點位置／m
d
距入水點位置／m
f
圖2l 滑體入水后不同時刻自由水面特征(水面寬度不同)
Fig．21 Characteristics of the free Surface induced by slide body at different times(with different width of water surface)
a．2s、4s；b．6s、8s；c．10s、12s；d．14s~16s；e．18s、20s；f．22s、24s
水面寬度／m
圖22 水面寬度不同情況下對岸涌浪爬坡高度變化
Fig．22 The climbing height of the surge
with different water surface width
魯
惺
圖23 水面寬度不同情況下涌浪特征
Fig．23 The surge characteristics with
diferent water surface with
uv 惺繇掣
Journal of Engineering Geology 工程地質學報2012
的模型涌浪首先達到對岸(圖21c)，而后約11 s左
右時水面寬度為200m 的模涌浪到達對岸(圖
21d)，約15s左右時水面寬度為250m的模涌浪到
達對岸(圖21e)。
(4)隨著距入水點位置的增加，各個位置處形
成的水波波長逐漸增加(圖20)。
(5)水面寬度在一定程度上影響著涌浪的傳播
速率，當涌浪到達對岸后由于受到阻礙作用，各個位
置處的涌浪傳播速率將有所降低。
(6)涌浪到達對岸后由于慣性作用，將繼續沿
著對岸坡面運動，形成“爬坡”現象(圖21d—f)，而
且爬坡高度隨著水面寬度的增加而減小(圖22)。
圖23顯示了計算得到的3種水面寬度情況下
滑體入水形成的涌浪高度分布特征。從曲線上可以
看出：對于近場范圍內，水面寬度對涌浪影響較??；
隨著與對岸距離的減小，對岸對涌浪的影響效應逐
漸增加(如圖23所示的水面寬度為150m的模型在
約超過水面1／2處)，涌浪高度呈現略有增高的趨
勢
4 結論
滑坡入水形成涌浪是一個涉及滑坡動力學、巖
土力學及流體力學等多學科的問題，也是一個復雜
的流一固耦合問題。本文運用CEL算法采用多種正
交數值試驗的方法對滑坡涌浪機制及影響因素進行
了系統的研究分析，得到以下結論：
(1)通過對滑坡體形狀與涌浪關系的研究發
現：楔形滑體形成的涌浪最大，其次是矩形，而橢圓
形塊體形成的涌浪最??；在距離入水點較遠后矩形
與楔形滑體形成的涌浪基本趨于一致，但均大于橢
圓形塊體形成的涌浪。
(2)通過對滑體前緣形態與涌浪關系研究發
現：在近場范圍內，滑體前緣形態對涌浪高度影響加
大，隨著塊體前緣夾角的增加，形成的涌浪高度也逐
漸增加；隨著距入水點距離的增加塊體前緣形態對
滑坡涌浪影響逐漸減小。
(3)通過對滑體體積與涌浪關系的研究發現：
滑體的體積對其入水后形成的涌浪高度影響較大，
特別在近場范圍內其差別最大；隨著距入水點距離
的增加形成的涌浪高度差異性逐漸減小，但是從整
體上來講涌浪高度隨著體積的增加而呈現增加趨
勢。
(4)通過對滑面摩擦角與涌浪關系的研究發
現：在落差相同的情況下，滑面的內摩擦角大小對其
入水后形成的涌浪高度影響較大，從整體上看來涌
浪高度隨著滑面內摩擦角的增加而呈現降低趨勢。
(5)通過對水面寬度與涌浪關系的研究發現：
當涌浪達到對岸后，由于受到阻擋作用，對岸對涌浪
的影響效應逐漸增加，隨著水面寬度的減小涌浪高
度呈現略有增高的趨勢，尤其是涌浪的爬坡高度有
明顯的增加。
參考文獻
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