涌浪-坝体相互作用及涌浪荷载分布模式研究

The damage assessment for hydraulic structure under the surge pressure caused by the landslide is an important problem in the Engineering design. Current research focuses on the surge generation and propagation, relatively few on the interaction between landslide surge and hydraulic structure. Surge load distribution is not clear yet. Using Unsteady Navier-Stokes equations to describe the propagation of surge, the nonlinear analysis model system of dam, near-field surge and ground is built based on the idea of entirely numerical manifold method. Numerical decoupling algorithm is analyzed. Fluid free surface is captured and the maximum wave height is predicted by using separation the characteristic of mathematical grid covering and physical grid covering. The property of large deformation of surge is reviewed coupling with the physical test. To clarify the coupling characteristics between surge and dam, the impact effect of high speed flow to dam and the barrier effect of dam to flow are researched. The propagation and climb height of surge triggered by landslide in reservoir is simulated. The surge pressure load is discussed and described by considering the different surge impact and surface type in the numerical tests. This project will quantify the landslide surge hazard on hydraulic structures, benefit to the dam disaster prevention and provide the support for engineering design.

库岸滑坡激起的涌浪对水工建筑物的安全危害评估是工程设计关注的重要问题，目前涌浪研究主要集中在涌浪生成和传播过程，关于涌浪和水工建筑物相互作用的研究还相对较少，涌浪荷载分布规律还不明确。本项目采用可考虑自由面的非定常Navier-Stokes方程描述涌浪传播，基于完全数值流形法的思想建立坝体、近场涌浪和地基耦合体系的动力响应非线性分析模型。研究数值解耦算法，利用数值流形法中数学覆盖与物理覆盖两套网格分离的特性来捕捉流体自由表面，预测最大浪高，结合试验研究，揭示近场涌浪自由面大变形特性。研究涌浪对坝体的冲击和坝体对水流阻挡的作用，阐明涌浪和建筑物相互耦合作用特性。模拟水体在堤坝前涌浪传播和爬高过程，综合考虑涌浪作用方式、坝面型式等不同条件，分析涌浪压力分布规律，建立坝前涌浪荷载分布模式。本项目将量化滑坡涌浪对水工建筑物的危害，为大坝防灾减灾提供科学依据，同时具有很强的工程指导意义。

库岸滑坡激起的涌浪对水工建筑物的安全危害评估是工程设计关注的重要问题。目前涌浪研究主要集中在涌浪生成和传播过程，关于涌浪和水工建筑物相互作用的研究还相对较少，涌浪荷载分布规律还不明确。本项目研究了涌浪模拟的新方法，讨论了部分重叠覆盖的有限控制体方法的收敛特性以及控制体的移动方法、提高计算精度的措施。最终选择固定网格流形法，采用拉格朗日型的控制方程及欧拉法的固定网格建立涌浪不可压缩流体求解格式，利用数值流形法中数学覆盖与物理覆盖两套网格分离的特性来捕捉流体自由表面，数值算例表明，本方法可以很好的捕捉流体自由面。结合算例，研究了涌浪的传播特性，涌浪传播初期，涌浪竖向移动距离大于水平向距离，之后随着向前传播，水平向移动距离逐渐增大；当涌浪远离坝体时，移动速度较快，移动到近场时，移动速度减慢。应用位移模式实现涌浪-坝体的数值解耦算法，比较不同涌浪初始位置条件下，涌浪在坝面的爬高过程，随着涌浪初始位置逐渐靠近坝体，涌浪爬高相同的高度，近场涌浪用时明显减小，说明涌浪初始位置距离大坝越近，涌浪爬高的速度也越快。比较了涌浪不同位置条件下，涌浪荷载分布规律，涌浪荷载分布形式呈现非线性特性，与静水压力的分布差异明显，静水面以下部分的荷载分布接近指数形式，而静水面以上部分的荷载分布接近于线性变化；涌浪荷载分布的量值与涌浪的起始位置有很大的关系，当涌浪距离坝体较近时，涌浪的动量较大，涌浪荷载也较大，同时，静水面以上部分荷载的分布非线性特性明显。当涌浪距离坝体较远时，涌浪的传播过程中，能量衰减，涌浪荷载减小，静水面以上部分荷载的分布呈现明显的线性分布特性；当涌浪距离坝体较远时，涌浪荷载分布规律和《海港水文规范》中的波浪荷载分布规律类似。本项目将为大坝防灾减灾提供科学依据，同时具有很强的工程指导意义。