土石坝漫顶溃决过程模拟

随着全球气候形势异常,局地极端强降雨频发,我国小型水库的安全度汛工作面临严峻形势,对小型水库开展必要的溃坝风险分析工作是非常必要的.以山东某小型水库为研究对象,分析计算了该水库在遭遇校核洪水和溃坝洪水两种情景下对下游高速铁路的影响,所得结果可以为相关管理单位应对溃坝风险提供决策支持.     

土石坝溃决过程数值模拟研究进

土石坝的溃决将对淹没区的人民生命财产带来巨大灾难,因此土石坝溃决过程的研究对溃坝致灾后果的评价具有重要意义。首先对大坝的溃决原因进行了分析,并依据常用的土石坝溃决数学模型的分类标准,着重介绍了土石坝溃决参数模型、土石坝溃决过程简化模型和土石坝溃决过程精细化模型的研究进展,对现有成果的优缺点进行了分析总结,并对今后研究的重点提出了相关建议。     

加筋无黏性土石坝漫顶溃坝试验研究

研制了封闭式循环供水土石坝溃坝模型试验装置,并应用该装置开展了室内模型试验,对加筋无黏性均质土坝的溃坝过程进行了系统研究,探讨了坝体加筋对溃坝流量过程线的影响规律。研究结果表明:在水泵出水口设置消能弯管和挡水隔板可保证模型上游供水的稳定性,在试验装置侧面设置连接上下游的U型测流弯管,把明渠流转化为满管管流,在U型弯管下侧平直段安装电磁式流量计量测溃口流量,可有效提高流量过程线的测量精度;加筋无黏性均质土坝的漫顶溃坝过程可分为坝体下游未加筋区域、加筋嵌固区和上游未加筋区域破坏3个阶段;随着加筋体埋深的增加,峰值流量呈现先增大、后减小,再增大的变化规律,在坝高的35%~50%范围内埋设加筋体,能够降低溃坝峰值流量;减小加筋体竖向间距能有效延滞溃坝峰现时间。     

土石坝漫顶破坏溃口发展数值模型研究

我国已溃决土石坝中由于漫顶破坏而造成的比例高达50%以上,因此,开展土石坝漫顶溃决机理和溃口发展过程研究,正确预测溃口流量过程线及溃坝致灾后果很有必要.本文首先根据现场溃坝调查资料和大型溃坝试验结果,研究分析了土石坝的溃决机理和溃决过程,在此基础上提出了一个描述土石坝漫顶破坏溃口发展过程的数值模型.该模型采用高速水流泥沙输移公式来计算溃坝水流对溃口纵横向的连续冲蚀;采用溃口边坡稳定性分析来模拟边坡失稳坍塌所引起的间歇性横向扩展;通过楔块体力的平衡计算来模拟坝体突发性崩塌所引起的溃口增大现象;通过下游坝体冲槽和坝顶溃口流量平衡来建立两者发展过程的相互影响.最后利用该模型计算分析了板桥水库土石坝发生漫顶溃决的溃口发展过程及溃口流量过程线,模拟结果与实测资料基本一致,从而证实了该模型的合理性.     

土石坝漫顶溃决模式与溃坝参数预测

利用黏土和黄砂混合配制试验筑坝材料,开展水槽试验,模拟均质土石坝漫顶破坏过程,研究溃坝模式对溃坝参数的影响。试验中观测到3种漫顶破坏模式:陡坎蚀退冲刷溃决模式(M1)、剪切蚀退坍塌溃决模式(M2)和浸泡剥蚀破坏模式(M3)。相同库容和坝高条件下,不同模式最大溃决流量差异较大:Q_p(M2)>Q_p(M1,M3);定义水流开始漫顶至水库内库存水流构成漫坝破坏的主要动力源的时间为漫顶临界时间T_C,则T_C(M2)<T_C(M1)<T_C(M3)。溃坝模式反映了漫顶流量、初始溃口、坝高和筑坝材料等因素对漫顶溃决的综合影响,是除坝高、库容外溃坝参数预测的重要影响因子。     

土石坝漫顶模型

讨论了一些土石坝漫顶的试验结果，并将流量过程线与利用文献中的数值公式计算所得下游坝面的侵蚀情况加以对比，得到一些漫顶的重要动力特性。另外，提出了一种新的数值模型，其计算结果与试验数据一致性良好。     

土石坝漫顶过程水力特性分析

土石坝漫顶过程极其复杂,溃决过程研究成果存在诸多争议。采用标准k~ε紊流模型和VOF方法对土石坝水流漫顶过程进行了水气两相流数值模拟,对漫顶过程水流流态、流速分布等进行了详细分析,揭示了坝面切应力分布规律。该规律的发现可以用于解释笔者先前提出的"落点冲蚀"猜想及"剪剥式"冲蚀理论,即漫顶条件下最先发生冲蚀的部位可能在坝坡中上部,漫顶冲蚀以台阶式冲蚀为溃决的主要特征。     

土石坝洪水漫顶模糊风险分析

基于大坝漫顶风险分析理论,建立漫顶失事模糊风险模型,并以新疆玛纳斯河夹河子水库为例,对其土石坝洪水漫顶模糊风险进行评估。得出主要结论,该水库大坝平均漫顶失事模糊风险率为5．02×10^-3,超过了我国大坝风险评价标准。综合评定该大坝的洪水漫顶破坏风险较大。     

土石坝溃口流量过程分析

基于土石坝漫顶溃决物理过程基础上,综合水库调洪演算、溃口泥沙冲蚀计算和溃口边坡稳定性分析,构建溃口流量过程的数值计算模型。利用该模型计算分析某土石坝水库发生漫顶溃决的溃口流量过程,计算分析结果表明,模型合理,计算精度较好,能反映土石坝溃口流量过程变化特点。     

土石坝漫顶应急除险技术的试验研究

为避免土石坝漫顶后迅速溃决,采用水槽试验的手段对临时加高坝顶和在坝体下游面铺设防 水布两种工程除险措施进行了研究。试验发现,临时加高坝顶后,可以有效地减缓漫顶时间,推迟洪 峰的到来,但是临时加高坝顶会使坝前水位升高,使得溃坝形成的洪峰流量值增大,因此在实践中采 用该工程措施时要慎重。而在下游坡面铺设防水布后,可以有效地减缓下游面的冲刷速度,不仅可以 将整个溃坝历时延长,推迟洪峰的出现,同时形成的溃坝洪峰值也会有所降低,相比较而言,该措施 是一种比较适宜的工程应急除险措施。     

堰塞坝漫顶溃决试验及相关数学模型研究

针对当前堰塞坝溃决试验粒径取值偏低和粒径相差不大的现状,采用两组粒径差别明显的砂样进行了堰塞坝垭口漫顶溃决试验。试验表明,同条件下粗、细两种颗粒坝体的溃决现象有着较明显的不同。垭口挡板提起后,细颗粒坝体以下切侵蚀为主,冲刷强度比较剧烈,坝体较容易发生溃决;而粗颗粒坝体则是以渗流出流形成的溯源冲刷为主,冲刷强度较低,溯源面逐渐向上发展,只有当其发展到垭口下端附近时坝体才有可能迅速发生溃决。试验还发现,下游坝坡对溃决过程的影响比较显著,坝坡越陡,坝体越易溃决,溃口的平均展宽速率也越大。此外以deVries输沙率公式为基础建立了具有物理意义的概念性溃口出流计算模型,并采用试验实测数据对该模型进行了验证,结果表明该模型具有良好的适用性。     

土石坝溃坝离心模型试验中水流控制与测量

针对目前土石坝溃坝离心模型试验中存在的问题,研发了一套伺服水阀流量控制装置,显著提高了土石坝溃坝离心模型试验上游来水条件的控制精度,有效降低了模型试验结果的不确定性;建立了土石坝溃坝离心模型试验的水流相似准则;提出了一种采用内置于模型箱端板上的薄壁矩形量水堰测量土石坝溃坝离心模型试验中溃坝洪水流量过程的方法,并通过超重力场下的放水试验,证明了薄壁矩形量水堰的流量系数与离心机加速度无关,采用内置于模型箱端板上的薄壁矩形量水堰可准确测定土石坝溃坝离心模型试验中的溃坝洪水流量过程。     

坝体土料黏粒质量分数对均质土坝漫顶溃决过程的影响

为了研究坝体土料黏粒质量分数对均质土坝漫顶溃决过程的影响,建立了描述均质土坝溃坝溃口发展规律的溃坝数值模型,对实体溃坝案例进行了反馈分析,验证了模型的合理性,并利用该模型重点研究了坝体土料黏粒质量分数对均质土坝溃口发展规律和洪水流量过程的影响。结果表明:坝体土料的黏粒质量分数对均质土坝的溃口发展规律、最终溃口形状以及溃口洪水流量过程具有明显影响,土体黏粒质量分数越高,其临界起动流速越大,冲蚀率越小,均质土坝溃口的发展速率越慢,溃口边坡的失稳坍塌临界深度越大,从而导致最终溃口形状也越小,相应地溃口洪峰流量及最大下泄水量也越小,溃口洪峰流量出现的时间越迟。     

均质土坝漫顶溃坝过程数学模型研究及应用

国内外大量模型试验表明,"陡坎"式冲蚀是均质土坝漫顶溃决的重要机理。近年来,各国学者开发了一系列的考虑"陡坎"式冲蚀的溃坝过程数学模型,但模型均采用了"陡坎"出现在下游坡脚的假设。通过大比尺均质土坝漫顶溃决模型试验发现,对于坝高较大的均质土坝,"陡坎"出现的位置与漫顶水头和下游坝坡坡比存在内在联系,且"陡坎"的移动速率与坝料的物理力学指标相关,因此初始冲坑的位置和"陡坎"移动参数的选取对于溃坝过程模拟结果的合理性具有重要意义。本文借鉴国内外的漫顶溃坝过程数学模型,提出一个可考虑均质土坝漫顶溃决过程中"陡坎"移动的数学模型。该模型通过漫顶水流特征和坝体形状参数确定下游坡初始冲坑的位置,采用能量分析方法模拟"陡坎"移动,并通过室内与现场模型试验提出可考虑坝料黏粒含量、含水率、干密度等指标的"陡坎"移动参数;利用基于水流剪应力原理的冲蚀速率公式模拟溃口纵向下切与横向扩展;采用宽顶堰流量公式计算溃口流量,通过极限平衡法分析溃坝过程中溃口边坡的稳定性,采用迭代的数值计算方法模拟整个溃坝过程。选择国内外典型的大比尺均质土坝漫顶溃坝试验和有实测资料的溃坝案例对模型进行验证,并研究了是否考虑"陡坎"冲蚀对溃坝模拟结果的影响;通过模型计算分析可以得出,本文提出的数学模型可合理模拟均质土坝的漫顶溃坝过程。     

含隐患土石堤坝的三维波场数值模拟及其特征分析

含隐患土石堤坝的三维波场特征分析,是利用波动测试信号反演识别土石堤坝内部隐患的前提和基础。为了获得含不同类型隐患的波场特征和波动测试信号的畸变规律,本文采用有限元数值方法对含隐患土石堤坝的三维波场进行模拟分析,结果表明隐患体的位置与堤坝表面接收到的波场信息有密切相关性,隐患正上方测点的时程曲线相位与测线上其他测点的时程曲线相位具有明显差异,且散射波起跳时间较周围测点提前,据此可初步判断隐患体沿测线方向的位置。为验证这一波场特征,采用模型试验对无隐患土石堤坝和含渗漏通道的土石堤坝分别进行了波动测试试验,结果表明:坝顶同一测线接收到的波动信号,对于无隐患堤坝仅存在直达波;对于含隐患体堤坝,由于散射波与直达波的叠加,在含隐患测点上方的波动信号发生畸变,发生信号畸变的测点与实际设置隐患位置完全对应。由此可见,数值模拟结果与试验结果在反应隐患的位置和波动测试信号特征上具有相同的变化规律。     

溃口近区二维数值模拟与溃坝洪水演进耦合

基于黏土心墙砂石坝的溃决过程,以及溃坝洪水传播和运动的特性,建立黑河金盆水库大坝溃口近区二维数值模型和下游地区溃坝洪水演进耦合数学模型。使用DAMBRK法计算逐渐溃坝,并应用其结果进行后续模拟。采用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解一维模型,采用单元中心的有限体积法求解二维模型方程。采用侧向连接方式,将黑河两岸计算水位点与二维网格单元相连,实现一、二维模型的耦合。采用所建立的二维模型对溃口近区进行计算与模拟,得到计算区域某一时刻的水深及流速分布。应用所建耦合模型对黑河金盆水库万年一遇入库洪水漫顶致溃坝洪水进行数值模拟,得到一维河道内各断面的水位和流量变化过程,以及二维计算区域内不同时刻的水深分布图、流速矢量图和淹没范围变化过程。溃口的形成过程不仅包括漫顶水流的直接作用,同时包括溃口形成过程中两侧漩涡状水流的反冲刷作用。耦合模型可以同时兼顾河道内的水流变化以及河道外计算区域内的洪水演进过程,从而减少由于计算结果偏大或偏小所带来的防洪资源浪费和防洪措施不利等不良影响。