滑坡冲击波诱发的大坝漫顶数值研究

《Ocean Engineering》：Numerical investigation of dam overtopping induced by landslide-generated impulse waves

　　

**改进的SPH模拟了滑坡—涌浪—坝顶漫溢的全过程。**
**滑坡厚度是控制峰值流量和累计漫溢量的主要因素。**
**提出了一种Logistic准则来预测坝顶漫溢的发生。**
**提出了坝顶峰值漫溢流量和累计漫溢量的预测模型。**

## 引言

天然坝（如滑坡坝和冰碛坝）以及人工坝（包括土石坝和混凝土坝）通常在上游拦蓄大量水体，因此可能受到陆上或水下重力运动产生的涌浪影响（Ermini和Casagli, 2003；Harvey等, 2025；Sassa, 2005；Wang等, 2026；Wu等, 2024a, 2026）。当滑坡发生在坝体附近时，其对水库的影响可能产生快速传播的涌浪，对坝体施加强烈的水动力和水静力荷载。在极端情况下，大型滑坡涌浪可能漫溢坝顶，引发滑坡—涌浪—坝顶漫溢（LWO）灾害链（Chen等, 2024；Ma等, 2025；Nian等, 2026；Xu等, 2020, 2025）。这种由波浪引起的漫溢对坝体安全构成严重威胁，因为它可能产生高度瞬时的水流荷载和下游大量洪水流量。一个典型例子是1963年意大利瓦伊昂特大滑坡，大量岩体以约30 m/s的速度冲入水库，产生了高达250 m的涌浪，造成灾难性漫溢及严重的下游后果，导致1900多人死亡（Iba?ez和Hatzor, 2018）。随着山区和峡谷地区水电基础设施的持续扩建，理解坝体对滑坡涌浪的水力响应，特别是控制漫溢的条件，对于坝体安全评估和初步灾害筛查越来越重要（Fan等, 2025；Shugar等, 2021）。

已有大量工作致力于阐明滑坡涌浪的产生和演化机制。先前的实验、解析和数值研究表明，初始波浪特征受滑坡和水库条件两方面控制，包括滑坡体积、厚度、速度、冲击角、密度、变形模式、水深以及水库几何形态（Heller和Hager, 2011；Heller和Ruffini, 2023；Heller和Spinneken, 2015；Wu等, 2024a, 2025）。这些研究表明，较大的滑坡体积或厚度通常会增强水体位移，而较高的滑坡速度会增加传递给水体的动能。因此，波幅、波速和波能通常与滑坡弗劳德数、相对滑坡厚度、相对滑坡体积和相对水深等无量纲参数相关。目前已发展出多种经验模型和半经验模型来预测近场波幅、波型、传播衰减和爬高。这些研究为理解滑坡到涌浪的能量传递过程以及估算滑坡涌浪的初始灾害水平提供了重要基础。

除涌浪的产生外，滑坡涌浪的传播及其与水工结构的相互作用也受多种因素控制。在涌浪产生阶段，初始波浪特征受滑坡体积、厚度、速度、冲击角、变形模式和水深的影响。在传播阶段，产生的波浪可能进一步经历色散、衰减、浅化、反射、折射和局部放大，具体取决于水库几何形态、底部地形、水深和边界条件（Evers和Hager, 2016）。当波浪到达坝体时，最终的水力响应还进一步受到波周期、波形、前缘陡峭程度、当地水深、坝坡和自由板的综合影响，共同控制爬高、瞬时压力和可能的漫溢流（Hess等, 2023；Tessema等, 2019）。因此，坝顶漫溢不能仅由产生的波高决定，而是滑坡冲击、波浪传播和波浪—坝体相互作用等连续过程的综合结果。

大多数现有预测方法聚焦于上述单个阶段，例如将滑坡参数与产生波高关联、将波浪特征与传播衰减或爬高关联，或基于当地波浪条件估算波浪诱发的压力和漫溢。这些特定模型极大推进了对滑坡涌浪的理解。然而，如果将产生、传播和坝体响应各阶段的经验模型分别耦合来评估LWO过程，由于这些模型往往基于不同假设推导，不确定性可能在各阶段之间累积。LWO灾害链的形成机制和灾害效应也日益受到关注。Westoby等（2014）总结了滑坡涌浪引发坝顶漫溢的两种主要模式：一种是孤立波冲击，另一种是足够大的滑坡入水后水库水体振荡引起的反复爬高和冲击。Balmforth等（2008）开展实验研究发现，孤立波通常不足以造成坝顶漫溢，而是更可能在 upstream 水位处于临界位置且坝体受到反复波浪冲击时发生漫溢。Xu等（2015）分析了接触面积、滑坡高度和入水点至坝址距离对滑坡坝稳定性的影响。Huber等（2017）通过实验研究了静水深、波幅和坝体材料如何影响滑坡孤立波作用下的坝顶漫溢水力过程。Hess等（2023）进一步考察了滑坡孤立波对垂直坝体的冲击力，并考虑了波幅，提出了不同坝高程处波浪荷载的计算模型。Peng等（2019, 2021）和Lu等（2022）利用造浪机研究了孤立波冲击下的坝顶漫溢水力过程，而Du等（2025）考虑了从滑坡入水到涌浪产生再到坝体溃决的全过程，并将滑坡涌浪引起的坝体溃决归纳为三个典型阶段。

尽管先前研究通过实验和数值模拟探索了LWO灾害链，但仍存在若干未解决的关键问题。本研究聚焦于尚未完全明确的三个方面。第一，大多数现有研究使用造浪机产生简化孤立波来研究其对坝体稳定性、抗侵蚀能力和冲击力的影响，而忽视了滑坡运动在控制整个过程中的重要作用（Wu等, 2024b）。第二，许多研究已阐明滑坡特征如何影响涌浪的产生和传播，并已建立一系列预测模型来估算波幅、波速和爬高等关键波浪特征（Cao等, 2026；Heller等, 2021；Heller和Ruffini, 2023；Heller和Spinneken, 2015；Wu等, 2024b）。这些模型可进一步用于评估坝顶漫溢潜力。然而，一个基于滑坡、水库和坝体特征的LWO灾害链关键参数的直接预测模型，将提供更为高效和准确的方法。这样的模型可以避免耦合不同阶段的独立模型所引入的错误，以及各阶段之间边界条件不明确所带来的不确定性。第三，滑坡产生的孤立波不一定能漫溢坝顶并引发溃坝。目前，涌浪导致坝顶漫溢的阈值条件仍不明确。该阈值取决于滑坡、水库和坝体的状态条件，但尚缺乏基于这些控制因素的定量预测表达式。

针对上述问题，本研究基于改进的光滑粒子流体动力学（SPH）方法，建立了LWO灾害链演化的理想化二维数值模型。本研究的目标并非开发另一个涌浪波高的经验模型——这在前人研究包括我们此前工作（Wu等, 2024b）中已有探讨——而是进一步评估滑坡涌浪引发的后续坝顶漫溢响应。具体而言，系统研究了坝前水深、滑坡厚度和滑坡速度对漫溢过程线的影响。基于数值结果，提出了一个预测漫溢发生的准则模型，并建立了估算峰值漫溢流量和累计漫溢量的经验模型。本研究为坝顶漫溢潜力和漫溢严重程度的快速评估提供了理论和技术基础。

### 章节片段

**SPH建模**

SPH方法是一种无网格拉格朗日技术，其中连续介质由一组携带物理变量（如密度、速度、压力和位置）的粒子来表示。SPH的构建通常依赖两个步骤：核近似和粒子近似。由于标准SPH框架在文献中已有广泛描述，此处仅给出本研究采用的主要公式，更多细节可参见（Monaghan, 1992）。

**波浪诱发坝顶漫溢的水动力演化**

以Test S16-4为例说明波浪诱发坝顶漫溢的水动力演化过程，如图2所示。在滑坡入水瞬间（t = 0），为滑坡体沿倾斜床面设定60 m/s的初始下坡速度。在t = 30 s时，滑坡体到达水下最远位置并停止运动。此时，滑坡涌浪以约……的速度向坝体传播。

**影响漫溢过程关键因素的对比分析**

为阐明hw、hs和vs在控制漫溢行为中的相对作用，对包括无量纲首波峰值漫溢流量Q1、无量纲整体峰值漫溢流量Qp和无量纲累计漫溢量$\bar{V}$在内的漫溢指标进行了对比分析（图7）。由于每个因素水平在不同变量组合下对应多个漫溢响应，各因素水平的响应值为……

## 结论

为阐明滑坡—涌浪—坝顶漫溢（LWO）灾害链的水动力演化及关键控制因素，本研究利用改进的SPH方法开展了64组数值模拟。在坝体几何和滑坡起始位置固定的条件下，系统考察了滑坡厚度、滑坡速度和坝前水深的影响。主要结论如下：

（1）滑坡涌浪引发的坝顶漫溢过程线……

## CRediT作者贡献声明

Hao Wu：撰写—初稿，方法论，研究经费获取。Jianpeng Fang：撰写—审阅与编辑，调查研究。Pui San So：撰写—审阅与编辑，调查研究。Zhijian Wu：指导，研究经费获取，概念设计。Yuqiu Guo：调查研究。

## 数据可用性

数据可按请求提供。

## 资金支持

本研究得到国家自然科学基金（42330704、42577172和42207228）以及国家自然科学基金委员会/研究资助局联合研究计划[N_HKUST660/24]的支持。

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

作者衷心感谢上述资金支持单位的资助。同时，我们真诚感谢编辑和两位匿名审稿人提出的建设性意见和建议，这些意见帮助提高了本文的质量。

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