两种土坝溃坝数学模型的研究与比较

针对土坝的溃坝失事，建立了逐渐溃坝和瞬时溃坝两种数学模型，在论述它们各自的机理后，结合实例验证其实用性，并对其各自特点分别加以分析和比较，从而为防汛部门的防洪预报提供科学依据。     

溃坝洪水的数学模型应用

根据溃坝洪水传播和运动的特点,采用守恒性较好和能够捕捉间断波的有限体积法,建立了一个包括上游库区洪水演进、溃坝过程和下游淹没影响区洪水演进的溃坝洪水数学模型,并采用经验公式和实验结果分别对溃口流量和二维溃坝洪水传播进行了验证.利用所建立的数学模型对某水库溃坝洪水演进和传播过程进行了模拟计算,溃口流量变化过程、坝上水位变化、溃坝洪水淹没过程和水量守恒等结果分析,表明所建立的溃坝洪水数学模型能较好地模拟洪水从库尾向坝址的传播以及溃坝洪水在下游淹没影响区的演进过程,并且模型计算结果完全能满足水量守恒,可以用于实际工程计算.     

溃坝洪水演进数值模拟研究

采用基于MacCormack预测——校正技术的隐式数值格式求解控制水流运动的二维浅水方程,建立了模拟大坝瞬间全溃或局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型。应用该模型对单宽一维瞬间溃坝的水位、流速进行了数值计算,并与理论解进行了比较;最后用该模型预测了矩形河道中大坝瞬间局部溃倒时的洪水演进过程,并对模拟结果进行了定性分析。算例说明该数学模型对模拟溃坝洪水波很有效。     

论溃坝洪水问题

溃坝洪水问题涉及众多学科,问题复杂,影响巨大,是防洪减灾研究领域的难点之一.对溃坝洪水问题进行了简单回顾,探讨了该问题的现状及发展方向.     

佛子岭水库溃坝洪水数值模拟

文章采用经验公式法,在最危险,最可能的原则下模拟了佛子岭水库发生溃坝时的流量变化过程,以及下游重要节点的相关水力要素,并评估了灾害发生后的损失情况.     

溃坝及洪水演进数值模拟研究

溃坝洪水计算包括溃坝模拟及洪水演进模拟两部分。为避免复杂公式推导及求解,对溃坝模拟,采用简化模型,对二维洪水演进模拟,采用有限体积法进行求解,引入通度系数模拟计算区内部的阻水建筑物。采用GIS技术实现了洪水演进动态演示功能。     

基于分区异步元胞自动机的土坝漫顶溃坝模拟

根据土坝漫顶溃坝特点,建立了土坝漫顶溃坝分区异步元胞自动机模型,在模型中考虑了不同分区的演化特性,提出了不同区域的径流规则、冲刷规则和坍塌规则,考虑了抗冲性能分布差异对土坝漫顶溃坝过程的影响,该模型能够更加准确地模拟土坝漫顶溃坝全过程。结果表明,溃坝初期,冲刷首先从背水坡发展,背水坡坡面上也会形成冲沟;考虑坝体纵向和横向坍塌影响后,溃坝发展过程比较快,伴随着坝体纵向和横向坍塌,坝体冲刷迅速向坝顶方向发展,直至形成溃口。     

尾砂库溃坝洪水演进过程模拟

为全面评价尾砂库溃坝风险,主动应对可能出现的溃坝事故灾难,以黄荆坝尾砂库为例,建立溃坝洪水演进数学模型,经过模拟分析,得出了溃口流量过程和重要区域淹没情况.结果表明,溃坝初期溃口流量不断增加,随着库水位不断降低,溃口流量随后逐渐减小;黄荆坝上游来水越大,尾矿库发生溃决的的时间越短,淹没范围和淹没水深越大.     

考虑库区淤沙影响的溃坝洪水数值模拟

采用有限体积和有限差分相结合的数值方法,建立了一维溃坝水沙数学模型,基于新集水库库区泥沙淤积演算成果,分别对其在蓄水初期进行纯水溃坝计算和淤积一定年限以后进行水沙溃坝计算,合理地模拟了溃坝后断面流量和水位变化过程、河床冲淤变形等结果,并分析了泥沙因素对溃坝洪水波传播的影响.     

溃坝水流三维计算模型比较

选取土石坝漫顶冲决过程中假定的溃口形状,采用FLOW-3D及FLUENT计算流体力学软件分别对固定溃口形状下漫坝水流进行全三维湍流数值模拟,对比研究溃坝水流的三维流动及水流对坝体的作用.结果表明,两者较为一致地反映了土石坝漫顶冲决过程中水流的流动及坝面应力分布,主要差异发生在坝体表面、水流自由液面附近以及水流掺混较为剧烈区域.理论上,FLOW-3D采用Tru-VOF方法捕捉自由液面所得水面附近结果应较为准确;FLUENT采用适应性较强的非结构化网格,所得壁面区域计算结果则更为合理.同时计算得到了较为精细的溃坝水流湍流结构和坝面壁面剪切应力分布,这将有助于深入理解大坝溃决的物理机理,进而促进溃坝洪水数学模型的发展及应用.     

基于OpenGL的溃坝洪水实时交互仿真显示

随着计算机技术的突飞猛进,三维空间可视化技术逐步得到应用,将计算机图形学和虚拟现实技术应用于科学计算领域已成为当前研究热点之一.基于平面二维溃坝水流模型、VC和Fortran的混编技术以及OpenGL三维显示技术研制开发了实时交互可视化系统,本系统采用驾驭式交互视算,计算和显示同时进行,并实现人机交互,对溃坝洪水过程进行实时仿真显示,为溃坝洪水演进模拟和分析提供一种科学有效、身临其境的可视化途径.     

台风暴雨影响区域的溃坝洪水演进数值计算

针对东南沿海受台风暴雨影响流域中下游地势较低洼开阔,在台风暴雨过程中容易积水,存在大面积初始水深,出现较严重内涝的特点,建立考虑下游区域初始内涝水深的二维溃坝洪水演进数值模型.基于数字高程模型(DEM)的地形数据和矩形网格,采用有限体积法和逼近黎曼格式及逆风守恒格式求解方程,并以戌浦江流域为典型,重点分析该流域存在内涝时上游水库发生溃坝的洪水演进特点.结果表明,溃坝洪水受下游初始淹没水深的顶托,下游区域的淹没水深并不是初始淹没水深和不考虑初始淹没水深溃坝计算所得水深的简单叠加,越往下游初始淹没水深对计算结果的影响越大;如果在计算中不考虑初始淹没水深,将会明显错误地估计洪水所带来的灾害风险.     

大坝防洪安全的风险分析

综合考虑水文、水力不确定性因素及调洪起始水位、调洪规则可选择性等对大坝防洪安全的影响 ,采用随机模拟方法计算大坝防洪安全综合风险率。应用一阶季节性自回归模型对入库洪水进行模拟 ,应用三角分布和正态分布描述水力不确定性对泄洪能力的影响 ,给定调洪起始水位和调洪规则 ,经过水库调洪演算 ,得到水库最高调洪水位随机分布和洪水漫顶风险率。实例结果表明 :水文因素是水库防洪风险的主要影响因素 ,水力因素、调洪规则、起调水位对水库泄洪风险有一定作用     

自由表面流动的三维SPH数值仿真研究

使用三维光滑粒子动力学(SPH)方法研究了自由表面流动问题,使用自编的三维SPH程序完成了溃坝算例。三维SPH模拟结果与两维SPH结果及实验结果保持一致,验证了三维SPH方法的可行性.数值仿真结果表明,在三维溃坝过程中,流体的形状、位置、速度等主要物理现象可以很好地进行模拟.通过合理地设置输入条件、边界条件及状态方程等仿真控制参数,提出的三维SPH方法可以很容易地进行扩展,可以处理许多其它的三维流体仿真问题.     

基于加速度场的堰塞体颗粒材料渗透破坏离散元快速模拟方法

堰塞体是由崩塌、滑坡、泥石流、冰碛等形成的结构松散的堆积体,且多由宽级配无粘性土组成,易在上游水位抬升过程中产生渗透破坏,从而导致溃决,对下游居民财产与生命安全造成严重威胁。基于离散元和流体动力学（CFD-DEM）相耦合的数值模拟方法是研究堰塞体渗透破坏过程及颗粒冲蚀规律等的有力工具,但CFD-DEM耦合计算方法需要不断的交互计算及数据传递,导致计算量大,计算速度较慢。本文基于堰塞体颗粒材料在渗透破坏过程中的受力特征,在分析渗透破坏过程中流体对颗粒作用力的基础上,利用加速度场与拖曳力的简化形式表征流场作用力,提出了一种简化的渗透破坏离散元快速模拟方法。该方法可以将堰塞体颗粒在渗流场中所受的作用力,直接以加速度场的方式施加在DEM模块中,减少了传统CFD-DEM耦合方法中的双模块交互迭代所需要的计算量,从而在保留CFD-DEM耦合方法计算效果的基础上,有效提升计算效率。最后针对宽级配无粘性堰塞体土料,利用简化后的理想不连续级配颗粒模型,对比CFD-DEM耦合方法计算结果,对本文所提出的快速模拟方法的合理性和有效性进行了验证。研究结果表明,在试样细颗粒流失量随运行时步的变化值与变化趋势方面,简化模拟方法与CFD-DEM耦合方法基本一致,流失量误差不超过3.4%,这表明了本文所提的简化模拟方法的可靠性。当对某一具体的堰塞体颗粒采取简化模拟方法进行模拟时,误差的具体量值可能会发生变化。在计算速度方面,快速模拟方法在本文模拟中的运行速度约为CFD-DEM耦合模拟方法的3.5倍,且当颗粒数量越多时,简化模拟方法的计算速度提升越明显。     

两种重力坝极限承载能力判别方法的比较

提出了两种界定重力坝的极限承载能力的方法 ,其一为坝体内的屈服破坏区是否贯通上下游坝面 ,称为屈服区贯通判别法 ;其二从稳定性理论出发 ,利用能量原理给出了重力坝的极限承载能力判别式 ,称为能量法 .运用两种方法对一实际工程算例作了分析对比 ,由能量法所得到的最终极限状态的强度储备系数比由屈服区贯通法所得到的略小     

考虑入库洪水随机过程的梯级水库防洪优化调度

针对梯级水库防洪优化调度求解过程中存在的入库洪水过程的随机性,以及优化调度模型求解的复杂性这两方面的问题,建立了基于Copula函数的梯级各地区洪水的联合分布函数,通过随机模拟方法得到梯级水库的入库洪水过程;建立了梯级水库防洪优化调度模型,并提出了基于并行搜索思想的PDP算法进行求解。清江梯级水库实例研究结果表明,基于Copula函数的随机模拟方法,能充分考虑洪水地区组成方式的多样性和随机性,从而能模拟对梯级防洪调度最不利的情况;PDP算法比文中其他算法更容易收敛到全局最优解;较常规调度,梯级水库防洪优化调度可进一步降低下游地区的防洪风险。