堰塞坝慢顶溃决流量过程数值模拟

堰塞坝的溃口流量过程是堰塞湖应急处置与风险管理的关键问题，采用数值模型计算分析堰塞坝溃口流量过程的关键是正确模拟溃口形成机理。本文在前人工作基础上，根据一般滑坡堰塞坝特点和实际观测到的堰塞坝溃口发展规律建立了一个溃口扩展模式，将溃口扩展过程归纳为三种主要表现形式，采用试验资料建立的高强度泥沙冲刷计算公式将溃口冲刷的三种表现方式联系在一起，建立堰塞坝逐渐溃决数学模型，利用实测溃坝资料验证了模型的可靠性。考虑到溃坝洪水计算的极大不确定性，对计算模型中一些关键参数给定一定变幅范围研究了这些参数对计算结果的影响。     

改进DB-IWHR模型及其在尾矿库溃坝影响分析中的应用

为预测尾矿库溃坝对下游的影响,基于修正的Shields曲线,改进了DB-IWHR模型中临界剪应力的计算,并通过唐家山堰塞坝实例验证了改进DB-IWHR模型具有更高的溃坝溃口和下泄流量过程演化精度。采用改进DB-IWHR模型及二维水动力模型建立了某尾矿库溃坝影响数值分析模型,预测了尾矿库漫顶溃坝时下游的淹没范围、淹没深度、淹没出现时间以及溃坝对下游关键敏感点的影响程度,分析了改进模型对溃口初始宽度及冲刷侵蚀参数的敏感性,结果表明:改进DB-IWHR模型结合二维水动力模型能较好地模拟尾矿库溃坝过程和下泄沙流演进过程,结果符合沙流演进的一般规律;该模型对于初始溃口宽度的敏感性不强,但对于冲刷侵蚀参数的敏感性较强。     

堰塞坝漫顶溃口流量变化过程的数值模拟

根据一般滑坡堰塞坝特点和实际观测到的堰塞坝溃口发展规律建立了一个溃口扩展模式,并将溃口扩展过程归纳为溃口垂直下切、横向扩展和坝坡溯源冲刷3种主要表现形式,采用通过试验资料建立的高强度泥沙冲刷计算公式将这3种表现方式联系在一起,建立了堰塞坝逐渐溃决数学模型,并利用实测溃坝资料验证了模型的可靠性.考虑到溃坝洪水计算的极大不确定性,本文对计算模型中的关键参数给定一定变幅范围进行计算,研究了其对计算结果的影响.研究结果表明,堰塞坝残留坝体高度和坝体物质抗冲性是影响溃坝流量的最重要因素,库容特性的影响相对较小.     

堰塞坝溃决洪水的三维视景模拟关键技术

我国是地震多发区,地震形成的堰塞坝一旦溃决,对下游城市和保护区将产生严重影响。由于堰塞坝溃决的复杂性和不可重复性,因此单一的数值模拟和物理模型试验均无法全面展现其变化特征。而三维视景模拟可在虚拟环境中精确地提供堰塞坝溃决及洪水演进的动态演变过程,具有显著的优势。本文重点阐述了堰塞坝溃决洪水三维视景模拟的基本原理和关键技术,基于堰塞坝溃决洪水计算模型和三维视景仿真技术之间的耦合,对堰塞坝溃决洪水进行三维分析和仿真,实现堰塞坝溃决洪水的三维视景模拟仿真与应用。相比传统的一维或者二维水动力学计算和展示,三维视景模拟更为准确和直观,它为堰塞坝溃决洪水问题的深入研究提供了一条行之有效的途径,可为提前制订应对方案和降低堰塞坝溃决所带来的损失提供参考依据。     

金沙江白格堰塞湖溃坝洪水演进高性能数值模拟

为高效准确地计算堰塞湖溃坝洪水演进过程,采用基于GPU加速技术的二维水动力模型模拟了2018年金沙江"10·10"与"11·3"白格堰塞湖溃坝洪水演进过程,并将模拟流量过程结果与下游叶巴滩、苏洼龙的实测流量结果进行了对比。模拟结果表明:对于无高精度地形资料的山区,该二维水动力模型可以较好地模拟溃坝洪水演进过程。在计算效率方面,在462万网格的地形数据上模拟40 h洪水演进过程,两次模拟事件分别耗时61 min和74 min。可见该二维水动力模型在模拟洪水演进时非常高效,对洪水应急抢险事件可做到快速预测,为决策者提供有力的数据支撑。     

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。     

对唐家山堰塞湖溃坝洪水计算的主要认识

通过溃坝计算可以对堰塞坝的溃决影响作出定量估计，以制定有效的除险方案和避险措施。采用MIKE 11溃坝洪水计算模型，对唐家山堰塞湖不同溃决历时、溃口形状及溃口发展过程情况下的溃坝洪水进行了计算分析，并对河道糙率、通口电站滞洪、干流洪水遭遇等条件进行了敏感性分析。通过上述计算分析，提高了对溃坝洪水及下游洪水演进的基本认识。     

堰塞湖逐渐溃决洪水模拟及溃口变化影响分析

堰塞湖溃决一般为逐渐溃方式,溃决洪水与溃口变化关系密切。基于MIKE11水动力学模型和谢任之逐渐溃经验公式,开展了雅鲁藏布江堰塞湖典型溃坝方案下的溃坝洪水复演工作。在此基础上,针对溃口演变形式及演变历时差异,探讨其对溃坝洪水的影响。研究表明:MIKE11模型及谢任之经验公式模拟结果相近,假定的2/3溃坝方案成果可作为溃坝洪水计算的安全阈值;溃口演变形式及历时均对溃坝洪水有一定影响,溃口线性变化下形成的洪峰较非线性变化增加约15.3%～19.5%;洪峰与溃口历时存在非线性关系,溃口历时越短,洪峰越大;溃口大小及演变历时受堰塞体土质影响较大。研究成果进一步加深了我们对堰塞湖溃坝洪水的认识,可为堰塞湖抗洪抢险决策提供技术参考。     

长距离溃堰洪水演进二维数值模拟

建立了用于模拟溃堰洪水演进的平面二维水流数学模型。采用非规则四边形网格划分计算区域，用有限体积法求解水深积分方程，显式MacCormack预测—校正格式步进计算，采用基于界面属性与单元属性的动边界技术处理干湿变动网格。模拟了唐家山堰塞坝溃堰过程及溃堰洪水在长约70 km河道中的演进过程，给出了各溃堰方案下溃口及沿程测站的水位流量过程，以及沿程最大洪峰流量，模拟结果充分反映了河道平面形态变化、漫滩及槽蓄对洪水演进的影响，为堰塞坝溃坝预案的制定提供了科学依据。     

堰塞坝漫顶溃决计算方法研究

准确快速进行溃坝洪水预报能够为防灾减灾提供重要的技术支撑。堰塞坝漫顶溃坝模型试验显示,在强烈的非恒定流作用下,坝体材料以高强度推移质输沙同时伴有悬移质挟沙的运动形式向下游输移,水流对坝体的冲刷输移量不断增大并逐渐趋于平衡。溃口因受侧向侵蚀而逐渐拓宽,边岸随着侵蚀后退而逐渐变陡并发生坍塌,直接影响洪水的下泄过程。在上述试验基础上,采用非平衡输沙变化方程及河流动力学输沙公式计算溃口通道的冲淤变形,引入边岸侵蚀和崩塌模式模拟溃口展宽过程,并依据横向变形方程计算侧向侵蚀的宽度,建立了堰塞坝漫顶溃决洪水预测计算方法。利用唐家山堰塞坝溃坝实测资料检验的结果表明,本文建立的预测计算方法同实际测量资料较为符合。     

堰塞湖溃坝快速定量风险评估方法——以2014年鲁甸地震形成的红石岩堰塞湖为例

2014年8月3日云南昭通市鲁甸县发生6.5级地震,形成高83 m,库容2.6亿m³的红石岩大型堰塞湖,严重威胁上下游生命财产安全。由于震后地质条件恶劣,道路堵塞,环境危险,且堰塞坝寿命极短,现有方法很难在有限时间内对堰塞坝进行快速且定量风险评估。本文提出一套基于最基本的堰塞坝几何参数、河道三维地形信息和人口分布数据的快速定量风险评估方法,可以实现任何堰塞坝突发区域内的溃坝、洪水演进和生命损失分析:首先采用地理信息工具快速获取坝址、上下游河道三维地形信息;然后采用统计模型和HEC-RAS软件模拟溃坝和洪水演进过程;最后采用风险分析模型计算得到下游生命损失。本文将该方法应用于红石岩堰塞湖案例分析发现:开挖泄流槽可以降低峰值流量和生命损失,但不能防止溃坝;开挖泄洪支洞后,可以避免在非汛期情况下发生溃决;但在极端洪水情况下(如百年一遇)仍会发生溃坝,并产生较大的洪水和生命损失,因此仍需要加固坝体,做好观测,并准备好应急预警和疏散预案。本方法可针对突发堰塞湖进行快速定量的风险评估,为堰塞湖的应急管理和决策提供依据。     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE FAILURE OF CASCADE LANDSLIDE DAMS

This paper presents results of model tests for the landslide dam failure of a single dam and cascade dams in a sloping channel. The dams were designed to be regular trapezoid with fine sand. A new measuring method named the labeled line locating method was used to digitalize the captured instantaneous pictures. Under two different inflow discharges, the morphological evolution and the flow patterns during one dam failure and the failure of cascade dams were investigated. The results indicate that when the inflow discharge is large, the deformation pattern of the downstream dam is similar to that of the upstream dam, and both dams are characterized with the overtopping scour throughout the dam failure process. When the inflow discharge is small, the upstream dam is scoured mainly through a sluice slot formed by the longitudinal incision, and the downstream dam is characterized with the overtopping scour. The data set presented in this paper can be used for the validation of numerical models and provide a reference for the flood risk management of cascade landslide dams.     

土石坝漫顶溃决过程数值模拟研究

针对水动力条件变化复杂、水土耦合作用强烈的土石坝溃决过程,结合水库调洪演算、清水冲刷以及溃口冲刷侵蚀机理,在Breach模型基础上建立了土石坝漫顶溃口流量过程计算物理模型。结果表明:模型对JP水库大坝溃决过程的模拟,很好地再现了溃决洪水流量过程线、溃口展宽和下切过程,验证了模型的合理性和应用潜力。     

坝体溃决过程与溃坝洪水演进耦合数值模拟

研究坝体的溃决过程与溃坝洪水演进对于处置由溃坝引起的洪水灾害、提升水利安全具有重要的意义。鉴于目前大多模型均将坝体溃决过程与溃坝洪水演进分别进行模拟,不能反映土体与水流相互耦合的特点,模拟结果精度有限。基于对土体有限抗冲能力的考虑,选取双曲线型冲蚀速率表达式描述坝体冲蚀、采用简化Bishop法搜索临界滑裂面描述溃口边坡坍塌和具有总变差不增特性的MacCormack有限体积法离散控制方程,建立了坝体溃决过程与溃坝洪水演进耦合的平面二维数值模型。实际算例表明模型合理地模拟了溃口的发展过程与洪水演进过程,在溃口急缓流转换区展现了较强稳定性,守恒性良好,可作为溃坝洪水风险评估与洪灾预报的有力工具。     

金沙江“10·10”白格堰塞湖溃坝洪水反演分析

准确预测堰塞湖溃坝洪水流量过程在堰塞湖应急抢险过程中极其重要。以白格堰塞湖下游水文站实测的洪水过程为依据,通过DB-IWHR溃坝洪水分析程序和GST洪水演进模型,分别采用不同冲刷侵蚀参数对"10·10"白格堰塞湖漫顶自然泄流过程进行了反演分析。结果发现:冲刷参数a=1.100 0、b=0.000 6时,叶巴滩、拉哇水文站模拟结果与实测流量结果最为接近。由此判断"10·10"白格堰塞湖溃决洪峰流量为10 882.78 m~3/s,溃决历时6.2 h到达洪峰流量,最终溃口水面宽度为99.66 m。运用DB-IWHR溃坝洪水分析程序结合基于GPU加速技术的GST洪水演进模型,计算效率得以大大提高,可以在应急抢险工作中实现快速、精准的预测。     

水库溃坝洪水数值模拟及下游风险评价

以锦屏二级水库为例,利用DAMBRK和一维水动力模型模拟多种组合工况下水库溃坝和洪水演进过程,并对计算得到的溃口流量及下游洪水演进结果进行分析。根据溃坝洪水模型计算获得的水库下游地区洪水淹没情况,综合考虑洪水的危险性、暴露性和易损性,利用模糊综合评价法对水库下游8个重要乡镇进行了洪水风险评价,评价结果可以为该流域进行安全应急预案制定、洪水灾害风险管理等提供技术参考。     

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.     

土石坝溃坝离心模型试验系统研制及应用

研制成功了一套土石坝离心模型溃坝试验系统,采用旋转接水环,确保了高加速度条件下溃坝试验过程中能持续提供足够的对坝体进行冲蚀的水量;采用先进的数据量测方法和图像采集系统能多角度捕捉和摄取土石坝的溃坝全过程,且该系统在高加速度和泥石流条件下能正常工作。利用该离心试验系统以32cm坝高的模型对最大坝高达32m 的3 种不同坝高均质土石坝进行了漫顶溃坝模型试验,研究了坝高对均质坝溃口发展规律和溃坝洪水流量过程的影响。结果发现：随着坝高的增加,溃口的纵向下切与溃口边坡的失稳坍塌速度明显加快,溃口流量过程线更为陡峭,峰值流量增大,且峰值流量出现时间更早,溃坝历时更短,因此,溃坝致灾后果将更为严重。     

BREACH模型与MIKE21模型在溃坝风险中的耦合分析

BREACH模型常用来模拟水库大坝漫顶及管涌溃坝模式并获取溃口流量与时间关系,MIKE21模型常用来模拟湖泊、河口、海湾等二维水动力学并获取洪泛区内洪水风险信息要素,两大模型耦合分析在保障水库大坝安全运行及风险管理方面发挥了积极作用。以BREACH模型模拟溃口流量动态数据过程与溃口演变尺寸为基础,通过ArcGIS预处理地形文件、工程建筑物参数与水文数据,构建MIKE21二维水动力学模型并计算网格差值空间,利用Flow Model模块生成溃坝洪水模拟文件,采用判别溃口流量差值是否满足精度要求的迭代法来耦合两大模型,最终结合所要分析水库大坝的工程概况,计算不同风险情况下的水库大坝溃坝洪水淹没水深与范围,进而模拟溃坝洪水演进过程。该方法已成功应用于郑州常庄水库风险分析,结果表明,该方法能客观反映溃坝洪水行洪情况,使用方便,为水库大坝运行管理与应急处置提供了一定的技术支持。