滑坡体与非线性浅水波的相互作用

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滑坡体产生的海啸或涌浪造成惨重人员伤亡和经济损失的灾害在世界各地时有报道。为了适应防灾减灾的需要,各国学者综合采用灾后实地调查、物理模型实验、解析求解和数值模拟的研究方法,对滑坡体兴波问题开展了大量研究工作,以往研究表明滑坡体的高度、体积、密度、滑动距离、滑动面倾角、水深等对波峰高度有显著影响,相关研究成果也已经应用于灾害风险评估和早期预警之中。然而,在已经建立的许多波峰高度估计公式中,还没有一个公式能涵盖所有关键物理参数。这是因为目前的数学模型中多直接设定滑坡体运动过程,忽略了滑坡体和水波之间的相互作用复杂。这类模型虽经人为调整参数可应用于灾害后报,但对潜在滑坡体造成灾害的预测能力不足。本论文建立了滑坡体和水波相互作用的耦合数学模型。假设滑坡体兴波区域内水波横向能量扩散可忽略,在立面二维的简化下应用非线性浅水方程描述水波过程;假设滑坡体底部流体法向流速为零,应用简化的N-S方程描述底部流动;在滑坡体的运动方程中考虑了惯性力、水波波动压力、底部流体对滑坡体的阻力和浮托力、以及滑坡体和滑动面间的库仑摩擦力等。与线性浅水波理论解、物理模型实验结果和灾后调查资料对比表明,本论文的模型能很好的预测滑坡体运动和水波波峰高度,并能捕捉到向岸传播波峰、近岸水位降落等实际灾害过程。本论文首先通过设定滑坡体运动过程的方式研究了滑坡体兴波作用,数值结果表明,Fr数、水波非线性、滑坡体形状的非对称性对波峰高度有显著影响:当滑坡体高度和体积保持不变,波峰高度随滑坡体前端坡度的增大而增大;当Fr>1,波峰高度随滑坡体运动速度的减小而增大,并且水波非线性会进一步放大波峰高度。水波线性假设,及以往对滑坡体形状非对称性的忽视,都导致波峰高度的低估,不利于防灾减灾。随后,本论文通过理论分析和数值计算研究了水波对滑坡体运动的反作用,研究表明,水波对滑坡体上表面作用有直接的切向阻力,并通过法向压力和对滑坡体底部流动的驱动改变着滑坡体和滑动面间的库仑摩擦力。最后,对水波和滑坡体相互作用的数值模拟结果表明,库仑摩擦系数、滑坡体的入水速度等对相互作用有显著影响。耦合计算结果进一步表明,以往研究中忽视的Fr数和滑坡体形状的非对称性同样是影响波峰高度的关键因素。
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