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。     

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.     

溃坝洪水研究进展

溃坝洪水研究的目的是计算溃决坝址的流量、水位过程线,并向下游作洪水演进得到沿程的流量、流速、水位、波前与洪峰的到达时间,评估下游洪水淹没损失情况,以便于采取措施,降低洪水风险。从溃坝水流理论研究、溃坝问题的试验研究、溃坝模拟及洪水在下游演进这3个方面对溃坝洪水研究进行了综述,回顾和总结了国内外溃坝洪水研究的发展历程、已取得的成果和近些年的进展,提出了将来要研究的重点,并对研究前景进行了展望。目前溃坝理论的数值求解发展迅速,由试验提出了溃坝机理,研究不断模型化;但高强输沙理论未建立,溃口冲刷过程未能准确表达,对梯级溃坝和冰湖溃决洪水研究较少。今后应加强溃坝水流理论研究,开展大尺度、多库溃坝模型试验研究,积极做好梯级溃坝和冰湖溃决洪水模拟,进一步建立快捷可靠的区域溃坝洪水预报系统。     

溃坝洪水演进及溃坝水流对下游坝体冲击研究

坝体溃决后大量库水会在短时间内下泄形成溃坝洪水,会对下游结构物安全存在巨大威胁。本文基于RNG k-ε湍流模型对三维溃坝洪水的演进及溃坝波与下游坝体的相互作用开展系统数值研究,主要讨论了溃坝波的演进规律、下游垂直坝体处冲击压强随时间的变化和分布规律,以及上下游不同水深比α对冲击峰值压强的影响。研究表明:溃坝波在演进时会导致下游水面线峰值呈现一个先增加随后坦化的趋势,随后受到下游坝体壁面的影响,溃坝波接触壁面后发生壅水,波高迅速增加。上下游水深比α=0.3时,其下泄洪水波的相对峰值达到最大值。随后随着水深比增大,其溃坝波传播速度和各监测点水位峰值均减小;瞬时冲击压强值随着水深比α增大而减小且与第一次冲击后最大压强值的比值减小。造成下游坝体上部分测点的压强主要为静水压强,下部分测点压强则主要是冲击压强和静水压强;垂直方向的峰值压强分布呈现先减小再变大再减小的趋势而水平方向呈对称分布,且最大冲击压强出现在下游水深之上的第一个点,由冲击压强产生。     

西三洼洪水演进数值模拟及洪水风险分析

为模拟西三洼蓄滞洪区洪水演进,对其洪水风险进行分析,以一、二维非恒定流控制方程为基本理论,采用有限体积法,结合西三洼地形资料及大清河流域水文资料,建立一、二维耦合的洪水演进数学模型。采用63·8洪水实测资料对模型进行验证,结果基本吻合。对不同工况及重现期下的设计洪水进行洪水演进模拟计算并绘制洪水风险图。研究表明:该模型可模拟西三洼蓄滞洪区各分洪口门开扒时间、各时刻淹没面积、淹没水深及滞洪量等水情信息及其变化过程;规划情况(增加安全区)的滞洪总量大于现状情况滞洪总量;发生百年一遇洪水时,西三洼蓄滞洪区77%地区都遭受洪水侵害,其中57%区域为危险区,11%区域为重灾区,5%区域为中灾区。研究成果可为防汛部门制定科学合理的防洪减灾规划提供参考依据。     

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。     

二维溃坝洪水演进数值模拟

以西藏藏木水电站为例,采用Mike21c软件进行溃坝洪水模拟,计算出溃坝坝址处水位流量过程线以及下游洪水演进过程中各断面的流量、水位、流速、洪峰到达时间等,为评估河道下游两岸的受灾程度做基础,为相关部门制定防灾减灾预案提供依据。     

韩江南北堤防洪保护区溃坝洪水演进数值模拟研究

洪水分析计算是洪水风险图编制的基础。基于一维、二维水力学耦合模型,建立了韩江南北堤防洪保护区溃坝洪水演进数学模型,分析探讨了韩江南北堤瞬溃后溃口流量水位关系、主要地物特征点的水位和流速变化以及洪水演进过程。结果表明:溃口峰值流量出现在溃坝瞬间,随外江水位下降,溃口流量减小,至溃坝99 h后基本为0。湘桥区距溃口最近,受洪水破坏最严重,最大流速值超过1. 3 m/s。云路镇、登岗镇和湘桥区由于地势较低,最大淹没水深普遍在2 m以上。     

城市地区水库溃坝洪水演进模拟

因水库下游的地形、边界、糙率等存在明显不同,城市水库溃坝后的下泄演进与山区水库可能存在显著差异。针对城市水库下游区域建筑物众多、糙率复杂的特点,利用地理信息系统(GIS)技术生成高仿真的数字高程模型(DEM),对不同地表类型赋予不同的糙率值并生成糙率场。以深圳龙口水库为例,利用MIKE21水动力模块构建溃坝洪水演进模型,假设主坝瞬间全溃后对下泄洪水进行演进模拟。计算结果表明:模型能较好地模拟城区建筑物的雍水效应,较能反映城市主干道在洪水演进过程中的引导作用以及局部地区洪水迅速涨落和消退的特点,说明高仿真的DEM和多元分布的糙率场对保证城市水库溃坝模拟演进的合理性具有重要作用。     

QGIS和HEC-RAS在二维溃坝洪水模拟中的联合应用研究

为了准确模拟大坝溃决后的洪水演进过程及淹没范围分析,以数字高程地图为基础,建立了HEC-GeoRAS模型;结合水库的漫顶溃决工况,模拟阳江市大河水库主坝和副坝溃决后洪水沿下游河道的演进过程,并联合QGIS生成洪水风险图、最大水流流速,最大水面高度等成果.研究成果对山区河流下游的人员疏散转移避险决策具有重要的参考意义.     

Numerical Simulation of Sediment Transport Following a Dam Break

For the computation of the morphological changes on reservoir beds, in scale model experiments, a hydrodynamic model is combined with the sediment continuity equation. The hydrodynamic model is based upon the equations of mass and momentum conservation. The sediment transport capacity appearing in the sediment continuity equation is calculated by using the relationship proposed by Smart. For the solution of the above system of three partial differential equations, the explicit numerical schemes of Lax and Wendroff and MacCormack are tested. The whole mathematical model is applied to the experimental case of sediment release from a reservoir after a dam break.     

大名泛区洪水演进数值模拟

利用结构化网格的有限体积法,建立了二维浅水方程的高精度、低计算负荷的数值计算模型。对结构化网格的处理采用一种自适应网格加密方法,提出四叉树的网格构造,以提高网格对地形和水力变化的敏感度。推导出一种具有激波捕捉能力的二维浅水方程的守恒形式,采用单元中心式有限体积离散。方程的离散采用Godunov格式,利用近似Riemann解求解界面通量,并介绍和采用了具有二阶精度的HLLC算法。对在此基础上,建立大名泛区二维洪水演进模型,获取了不同时段的淹没范围栅格图像、不同时刻淹没水深、洪泛区的蓄水量变化过程以及泛区内点的水力要素信息,为泛区的防洪规划和实时洪水预报提供理论参考。     

溃坝洪水对构筑物冲击荷载的数值模拟

洪水巨大的冲击力对坝区及堤岸构筑物造成很大的破坏,准确计算溃坝洪水对构筑物的冲击荷载对于建筑物的安全设计是十分必要的。采用有限体积法和中心迎风格式建立了二维数值模型,用于计算溃坝洪水对构筑物的作用力,并将该模型应用于全局溃坝和局部溃坝的物理模型试验。计算结果表明:该模型能够准确地模拟全局溃坝工况下洪水对构筑物冲击荷载的变化情况,而对于局部溃坝工况,本模型的计算结果较为平滑,无法模拟实际水流紊动的过程,但其最大冲击荷载的计算值与试验测量值相接近。相比于三维数值模型,本文所建立的二维数值模型程序简单、计算效率高、计算结果与实测结果总体吻合较好,能够有效地用于预测溃坝洪水对构筑物的冲击荷载。     

西江干流(大藤峡至高要段)洪水演进数值模拟

针对西江干流河道特点,考虑洪水归槽的影响,建立了河道一维非恒定流洪水演进数学模型,采用Preissmann四点偏心隐式差分格式离散圣维南方程组,应用追赶法求解非恒定流圣维南方程组。根据实测资料对西江干流(大藤峡至高要段)洪水演进过程进行验证,结果表明:模型能较好的模拟流量变化过程,模拟值与实测值符合较好,验证了该模型是合理可行的。可用于洪水预报、枯季调水等研究。     

水库溃坝洪水风险图编制研究

采用水力学模型,对溃坝流量以及溃坝后下游各断面的淹没水深和淹没范围等水力风险要素进行计算,基于ArcGIS技术开发了江苏省句容市北山水库洪水风险图管理系统,对GIS空间属性表字段进行渲染,自动绘制出溃坝洪水淹没风险信息,为下游句容市区防洪减灾提供技术支持。     

梯级水库溃坝洪水对下游城市的淹没过程分析

溃坝洪水的演进过程及其对下游城市的淹没影响是大坝安全的重要研究内容之一。以我国南方某山区河流为例,采用数值计算方法,针对该流域上并(串)联的4座水库在多种溃坝模式下,对下游城市的淹没过程进行了计算和讨论分析。研究结果表明溃坝洪水在下游城市的淹没速度和最大淹没面积主要与最大溃坝流量相关,即与溃坝水头和溃口大小相关;最大淹没面积的达到时间主要与城市与水库间的行洪距离有关。梯级水库发生连溃时,溃坝洪水对下游城市的淹没速度和淹没面积都较单个水库溃坝更加严重,不过连溃洪水在下游城市呈现淹没快、退水也快的特征。城市洪水的淹没历时主要与溃坝水库的容积相关,与最大溃坝流量的关系不大。     

桃林口水库下游山区洪水演进模拟和洪灾损失评估

以二维非恒定流控制方程为理论基础,采用有限体积法,建立了洪水演进数学模型。将改进的水量平衡模式应用于山区洪水演进计算,以解决单元虚假流动的问题;同时在考虑山区地形对洪水演进的影响条件下,以桃林口水库泄洪过程作为模型边界条件,对下游山区的淹没范围、淹没水深和流场进行了模拟;并结合青龙河两岸洪痕点实测值对模型进行了验证,模拟结果与实际情况基本吻合;最后以洪水演进为基础,对洪灾经济损失和生命损失进行了估算。该研究成果可为评价区域防洪影响提供必要的研究思路和方法。     

大型调水工程多河流洪水演进数值模拟研究

 根据大型调水工程总干渠与沿程河流交叉情况、总干渠线路布置及交叉河流洪水过程等特性,建立了多河流二维洪水演进数学模型。并将其应用于模拟某大型调水工程总干渠左侧7条河流300年一遇的洪水演进过程。模拟过程中对坐标变换、网格划分、数值离散、动水边界及干床处理、计算成果可视化等关键技术问题进行了研究,并提出了相应的处理方法。计算分析了与总干渠交叉的各河流洪水演进过程、交叉断面水位变化过程和总干渠左侧洪水水面线等。并对计算成果数据进行了动态可视化处理,生动地显示了洪水演进的全过程。计算的各河流洪水过程和最高洪水位为工程设计提供了科学的参考依据。     

青山水库溃坝洪水模拟计算

采用二维浅水模型对青山水库溃坝洪水进行了模拟计算,根据主坝可能出现的溃坝风险,模拟了主坝溃决后保护区内洪水的演进过程,模型的计算结果提供的淹没水深、淹没范围以及流速等洪水风险信息,为青山水库防洪风险管理提供了依据。