堰塞坝溃决参数及其寿命预测

堰塞坝溃决洪水对下游影响区域的人民生命财产、基础设施以及生态环境构成严重威胁,提高堰塞坝溃决参数及其寿命预测的准确度是应急处置的迫切需求。本文对全球1957组堰塞坝案例分别进行地理、统计学分析,在得到溃决参数主要影响因素的基础上,选取数据库中拥有完整信息的48组案例,利用非线性回归方法分别建立了洪峰流量、破坏深度、溃口顶宽、溃口底宽和溃决时长的预测模型,其均具有较高的拟合程度。之后分析了堰塞坝溃决参数的敏感性,结果显示坝高对溃决过程有显著影响。此外,基于19组寿命信息充分的案例,使用不同自变量和算法分别建立了蓄水阶段持续时间、溢流阶段持续时间的预测模型,并采用加权融合法提出了相应的融合模型。该成果可为量化评估堰塞坝溃决过程参数和寿命预测提供参考。     

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。     

上游溃坝引发库区土石坝梯级连溃的模拟研究

基于某水库溃坝过程,以单库非恒定流溃坝数理模拟计算的方式,对上游溃坝洪水涌入下游紧邻的梯级水库以及下游紧邻水库调水御洪防范库坝连溃进行模拟,结果表明:上游发生大坝突然溃决时,可能造成下游库区土石坝连续溃决;在遭遇超级溃决流量是,提前预警泄流只能起到推迟紧邻的梯级水库溃坝时间的作用,不能完全阻止下游紧邻的梯级水库发生连溃;增大紧邻梯级水库的泄流能力,可使库区漫坝洪水流速维持在不发生危险冲刷的指标范围内,但不能彻底防止水坝漫顶;通过增设非常泄洪通道提高泄洪能力,通过预警提前调整库容,能有效防止紧邻梯级水库的坝体连续溃决。可为防范上游溃坝引发紧邻库区土石坝梯级连溃的工程技术应用提供技术参考。     

基于MIKE11的梯级水库群溃决模拟研究

为了对比单个水库大坝溃决时的洪水演进,本文基于MIKE11模拟了3个梯级水库发生溃决的洪水演进情况,设置了3种工况:只溃第1梯级,第2、3梯级漫顶不溃;第1、2梯级同时溃,第3梯级漫顶不溃;第1、2、3梯级同时溃。得到了梯级水库不同溃决方式和过程下的河道流量与水位变化、溃口流量与水位变化,以及洪水演进流量与水位变化,再对比4种计算溃口流量的理论公式。结果表明:在梯级水库中只溃1级的情况下,下游河道的洪峰在一定距离内没有出现衰减,且随着溃坝数的增加,下游河道的洪峰流量也会增加,甚至超过溃口的最大流量,验证了铁道部给出的理论公式更适用于实际大坝溃口流量的理论计算分析。     

堰塞坝溃口溃决速率影响因素试验研究

针对影响堰塞坝溃口发展的主要因素制定了试验方案,采用刻度纸以及摄像机全方位地记录不同工况下溃口的横纵断面形成、发展、变化的全过程,以此来分析入库流量、堰塞坝物质组成、坝后坡度、坝顶长度和坝顶开槽宽度等因素对堰塞坝溃口变形平均速率的影响。试验结果表明:堰塞坝的粗沙含量、坝顶长度、坝顶开槽宽度与溃口下切、展宽平均速率最大值呈反相关关系;堰塞坝坝后坡度与溃口下切、展宽平均速率最大值呈正相关关系;上游入库流量与溃决过程初始时段下切平均速率呈正相关关系,与展宽平均速率最大值呈反相关关系,但在整个溃决过程中变形平均速率最大值对入库流量敏感性不强。     

考虑材料冲蚀性沿深度变化的堰塞体漫顶溃决模拟

合理预测堰塞体的溃决过程对于致灾后果评价和防灾减灾工作的开展具有至关重要的意义,但由于堰塞体结构和材料的复杂性,给预测工作带来了挑战。基于堰塞体的地质勘察资料和溃决机理,建立了一个可考虑材料冲蚀特性随深度变化的堰塞体漫顶溃决过程数学模型。模型主要包括水动力模块、材料冲蚀模块和溃口发展模块,并采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟堰塞体溃决时的水土耦合过程。选择拥有实测资料的白格“11·03”堰塞体溃决案例对模型进行验证,模拟结果验证了模型的合理性。参数敏感性分析结果表明,堰塞体材料冲蚀系数对溃口流量过程具有重要影响,堰塞体材料临界剪应力对溃决过程影响较小;另外,开挖泄流槽可大幅降低库容较大堰塞湖溃决时的溃口峰值流量,是一种行之有效的减灾手段。     

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.     

苗尾水电站施工期溃堰洪水计算分析

苗尾水电站施工期临时围堰挡水度汛期间,若因上游超标洪水导致围堰溃决,将引起围堰库区水体骤然下泄,形成较大溃坝洪峰向下游传播,严重威胁下游两岸村镇及功果桥梯级电站的安全。根据溃坝洪水传播和运动的特点,建立了一个包括围堰溃决过程和洪水演进的溃堰洪水数学模型。利用该模型,合理假定围堰溃决模式,拟定不同的计算方案,对苗尾水电站施工期围堰溃决及溃堰洪水演进过程进行了模拟计算。通过模型计算可以得到各特征断面的最高水位和最大流量值,并可以得到溃堰洪水传至各特征断面的演进时间。因此,可以利用溃堰洪水数学模型,为围堰溃决时下游河道两岸的洪灾分析及溃堰应急预案制定提供科学依据。     

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。     

堰塞坝溃坝洪水影响因素试验

针对影响堰塞坝溃坝洪水的主要因素制定室内水槽试验方案,分析入库流量、坝体物质组成、坝后坡度、坝顶长度及开槽宽度等5种因素对堰塞坝溃坝洪水的影响,采用水位计量测坝前库水位,根据水库水量动态平衡方程计算溃口下泄流量,通过对各种影响因素不同工况下的溃口流量过程线进行比较分析,得出规律如下:堰塞坝的入库流量和坝后坡度与最大洪峰流量正相关,与峰现时间反相关;坝体粗沙含量及坝顶长度与最大洪峰流量反相关,与峰现时间正相关;坝顶开槽宽度与最大洪峰流量及峰现时间反相关。     

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。     

围堰溃决的数值模拟

推导了用于模拟围堰溃决的DIF方程，采用非规则网格有限体积法和显式MacCormack预测-校正数值方法求解该方程，建立了模拟围堰溃决数值模型。实例计算结果表明，本数学模型能合理地模拟天然情况下的河道水流、溃堰前的流场以及围堰溃决后溃堰波的沿程传播。此外，采用在导流洞进口局部区域网格上施加负质量源，出口局部区域网格上施加正质量源间接模拟导流洞过流的方法是合理的。因此，本数学模型可作为工具，为围堰溃决对下游河道两岸城镇的洪灾分析及溃堰预案的制定提供科学依据。     

溃坝洪水数值模拟

本文通过对某水库溃坝洪水计算,介绍了溃坝洪水计算中的一些简单易行的计算方法。并利用Preissmann四点隐式差分格式对圣维南方程组进行离散,求解洪水的传播。分析表明结果具有较高的精度,所提方法是合理可行的。     

Flow hydrodynamics in embankment breach

Breaching flow occurs during the breach development of the embankment, dike, earthen dam, landslide barrier, etc. and plays an import role in the breaching erosion as the driving force. According to the previous research, the breaching process can be classified into initiation phase, breach widening phase and breach deepening phase. Based on the breaching development classifications, the breaching flow can be seen as a special compound weir flow when the breach channel is in the relatively equilibrium condition. There were five physical flow models were designed in the hypothesis of rectangular shape and trapezoidal shape for the breach channel cross sections to study the breaching flow characteristics. The distributions of water level and velocity were measured and analysed in the breaching flows in overtopping condition and emerged condition. There were two helicoidal flows above the breach channel slopes and triangular hydraulic jump in the downstream of the breach channel in the overtopping condition and emerged condition. The hydraulic energy loss was calculated according to the breaching velocity and water level distribution in the upstream and downstream of the model. It is found that the test results of the breach flow physical model can be valuable to bring insight of the breaching process of embankment and make contributions to the validations and verifications of breach numerical models.     

堤防决口封堵的水力学特性

堤防决口抢险需以水流水力学特性为依据,封堵方法亦直接影响其封堵效率。首先对决口水流遇障碍物的洪水演进过程进行模拟,将水深计算结果与Biscarini等的试验数据进行对比,结果吻合较好,验证了数值模型的可靠性、准确性。以上饶市某一河道为例,基于FLOW-3D软件建立了堤防决口水流模拟的三维数值模型,对立堵法、平堵法封堵决口进行数值模拟,得到封堵过程中决口附近水位场和流速场分布规律。数值模拟结果显示:该堤防决口进口附近立堵法、平堵法块石前水位壅高明显,流速增大,最大水深分布在决口靠右位置,最大流速分布在决口靠左位置。根据决口附近流速分布规律,封堵时建议先对左侧决口堤脚进行裹头处理,而后可考虑采用大粒径块石单体抛投以降低流速,再采取群体抛投方式进占合龙。所用模拟方法和数值模型可为堤防抢险及制定堤防决口封堵方案提供参考。     

民主垸溃口入垸水量计算及出险成因分析

洞庭湖区从１９９５年到１９９９年间有４年发生特大洪水，大小共计几十个堤垸溃或愉。１９９９年７月益阳民主垸溃疡后，长江不文部门组织施测了从溃口开始到堵口复堤期间长达９０多天的水位、流量、溃口地形、河订地质等资料。通过大量实测数据，结合附近基本文站网的资料，把民主垸溃决作为一次分洪溃口的试验模型，对民主垸的入出流过程、入垸总水量、垸内 作用、资水中下游河段水位降低幅度及出险成因等方面进行限分析，为资水     

滑坡体溃决洪水数学模型研究

滑坡体溃决过程中泥沙运动非常活跃、滑坡体变形速度快,且与水流之间存在着强烈的相互作用.现有水沙数学模型为非耦合模型,在一定程度上忽略了其基本力学特征,难以准确地描述这类物理问题.本文建立二维水沙耦合数学模型,并采用修正的上扬通量公式来描述泥沙运动和滑坡体溃决过程.运用该模型研究了试验条件下上游水流漫顶和淹没过程中滑坡体溃决诱发的水沙变化规律,数值解与水槽试验数据基本一致.研究表明:现有基于恒定均匀条件的泥沙上扬通量公式并不直接适用于复杂水流条件下滑坡体溃决过程,需要进行更深入的研究;滑坡体溃决能够引发强非恒定流甚至激波,传统的对渐变流的数值计算方法难以准确地捕捉该现象,必须采用高性能数值格式;现有经验方法难以准确地计算坝址处流量过程,以此作为边界条件的传统溃坝洪水数学模型未必能够获得准确、可靠的结果.     

沟后坝溃决的稳定分析

在渗流分析的基础上，对沟后坝上部坝体的下游坡进行了抗滑稳定计算。计算结果表明，沟后坝的下游坡在饱和状态难以满足抗滑稳定性要求。