土坝溃决跌坎水流水动力特性数值模拟

黏性土坝漫顶溃决涉及多学科交叉,过程极其复杂,尽管国内外大量物理模型试验成果表明其溃决多以“跌坎式”溯源冲蚀为主要特征,然而对该冲蚀发展形式下的水流-坝体微观作用机制尚不清晰。水流作为漫顶溃决的冲刷主动力,对坝体溃决发展起着主导性作用,采用RNG k-ε紊流模型和VOF自由液面捕捉技术针对黏性土坝漫顶溃决代表性水流结构——溃决跌坎水流开展了三维数值模拟研究,对跌坎水流的水流结构、流态、水力特性指标等进行了细致分析,揭示了不同工况下坝体跌坎上的剪切应力、流速分布规律,进而从水动力学的角度对坝面进行受力分析,初步推断了黏性土坝漫顶溃决过程中各级跌坎的主要合并方式为“台阶水平面刷深下切”。研究成果为进一步掌握黏性土坝漫顶溃决发展演变机理提供了理论基础。     

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。     

土坝漫顶冲蚀溃决过程和峰值流量试验研究

为探索土坝漫顶冲蚀溃决过程与溃坝峰值流量的关系,采用室内系列水槽试验的技术手段,以无黏性宽级配砂砾料土坝为研究对象,研究洪水漫顶条件下坝体（1 m高）冲蚀过程和溃口水力要素变化过程。试验表明,由于漫顶泄流方式、筑坝材料级配和密实度不同,土坝漫顶冲蚀过程可分为逐层均匀冲蚀、全线漫顶冲蚀和陡坎瀑布状水流冲蚀3种;溃坝峰值流量与冲蚀过程密切相关,坝体溃决历时愈短,溃坝洪峰流量愈大;相同条件下,陡坎瀑布状水流冲蚀峰值流量较逐层均匀冲蚀增大约40%。     

基于NWS BREACH的唐家山堰塞坝泄流过程模拟

NWS BREACH模型是目前国内外模拟土石坝或堰塞坝漫顶及管涌破坏最常用的数学模型。基于唐家山堰塞坝的实测资料,建立了唐家山堰塞坝漫顶泄流过程数学模型,并通过现场监测得到的流量过程和库水位变化资料验证了所建立模型的合理性。对模型中的重要参数进行了敏感性分析,研究了坝料平均粒径、冲蚀率、下游坝坡坡比3个参数对模型计算结果的影响,表明坝料冲蚀率和下游坝坡坡比对泄流过程影响显著。研究成果对堰塞坝除险和洪水风险评估具有指导意义。     

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。     

6m高土石坝稳定与溃决现场试验

挪威进行了一项完整的关于不同筑坝材料的土石坝稳定研究项目,以研究小坝的溃决问题.现场实验结果表明,碾压堆石坝的抗剪强度要高于常规稳定分析结果,坝脚处实际的抗水流冲刷能力较强.当坝体下游外部发生冲蚀时,过程较慢,当冲蚀深度发展到坝顶的上游坡面时,溃决过程很快,溃口先向下发展直到坝脚,然后才向两侧发展.     

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。     

一种模拟黏土心墙坝漫顶溃决的水沙耦合数学模型

为了减轻黏土心墙坝漫顶溃决的损失,需要对黏土心墙坝的漫顶溃口发展过程进行深入研究.基于黏土心墙坝漫顶溃决机理,建立了黏土心墙坝漫顶溃决水沙耦合数学模型.模型采用的水动力学模型为固液两相湍流方程,考虑了床面变形对于水流运动的影响;使用PLIC-VOF法(分段线性界面重构-流体体积法)使其精确重构自由表面;固壁边界运用基于...     

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。     

堰塞坝漫顶溃决过程及其受组成结构的影响

以四川茂县宗渠堰塞坝为原型,以几何相似比1〖DK(〗∶〖DK)〗100进行堰塞坝漫顶溃决模型试验。通过模型试验揭示了堰塞坝漫顶溃决的动力学过程,即下游坡面侵蚀、冲沟侵蚀、陡坎稳定侵蚀、陡坎加速侵蚀、陡坎减速侵蚀和常态化过程6个阶段。通过对比试验,揭示了坝体密度和级配特征对溃决速率以及溃口形式的影响机制,即坝体密度通过颗粒间剪切作用于溃决过程,密度更大的坝体溃决更慢,形成中轴线处窄浅的“矩形”溃口;坝体级配通过孤粒起动作用于溃决过程,级配更粗的坝体溃决更慢,形成中轴线处宽浅的“倒梯形”溃口。     

无黏性土坝漫顶溃决过程及机理研究

以室内试验为技术手段,以无黏性非连续宽级配沙砾料土坝为研究对象,首次尝试采用"埋入式轻型冲蚀捕捉器"动态记录溃决过程。在上游恒定来流量30 L/s条件下,研究了洪水漫顶条件下坝体(1 m高)的冲蚀过程和溃口水力要素变化过程。明确提出了坝体溃决过程的4个阶段:即侵蚀沟形成发育阶段(下游坡面侵蚀缓慢渐进)→"多级跌坎"冲刷阶段(下游坡面冲蚀能力逐渐加大)→"瀑布状跌落水流"冲蚀阶段(坝体快速溃塌)→坝体冲蚀趋于稳定阶段。初步分析了坝体溃决的机理,揭示了冲蚀过程的非均衡性和溃口水力要素的强非恒定流特性。     

尾矿坝漫顶溃决溃口纵向演化与侵蚀试验

通过3组不同入流量下的水槽溃坝试验,对尾矿坝漫顶溃决溃口的纵向演化过程进行了系统分析,讨论了侵蚀率和切应力之间的关系。结果表明:尾矿坝漫顶溃决溃口纵向表现为陡坎侵蚀模式与支点旋转侵蚀模式；溃决流量和密度都呈先上升后下降的趋势,但水砂流密度波动较大；不同入流量影响各阶段大坝的侵蚀率,对阶段1侵蚀率的影响最小,对阶段2侵蚀率的影响最大,最大侵蚀率随上游入流量的增加而增大,但是不影响沿坝床侵蚀率的相对变化；坝体上土体的抗侵蚀能力不仅与坝体材料强度相关,还与坝体上流体的密度关系密切。     

溃坝典型水流水力特性试验研究

黏性土坝漫顶溃决是一个水、土二相耦合逐渐发展的过程,涉及水流冲蚀主动力和坝体材料被动抗力的综合作用。立足当今世界溃坝研究的前沿理论,借鉴以往现场原型试验相关成果,对土坝溃决过程进行了宏观阶段划分,并在此基础上开展专门的水槽试验,采用PIV技术对表面冲刷水流和陡坎冲射水流的精细水流结构进行了详细研究。试验获得了两种典型水流的几何特性及相关水力特性,总结分析了各水流结构对坝体的冲蚀作用机制。相关成果的获取可从本质上对黏性土坝陡坎溯源冲蚀机理进行理解和掌握,亦可为数值模拟及其他溃坝研究工作提供技术参考。     

A quantitative model for danger degree evaluation of staged operation of earth dam reservoir in flood season and its application

Based on the natural disaster risk evaluation mode, a quantitative danger degree evaluation model was developed to evaluate the danger degree of earth dam reservoir staged operation in the flood season. A formula for the overtopping risk rate of the earth dam reservoir staged operation was established, with consideration of the joint effect of flood and wind waves in the flood sub-seasons with the Monte Carlo method, and the integrated overtopping risk rate for the whole flood season was obtained via the total probability approach. A composite normalized function was used to transform the dam overtopping risk rate into the danger degree, on a scale of 0–1. Danger degree gradating criteria were divided by four significant characteristic values of the dam overtopping rate, and corresponding guidelines for danger evaluation are explained in detail in this paper. Examples indicated that the dam overtopping danger degree of the Chengbihe Reservoir in China was 0.33–0.57, within the range of moderate danger level, and the flood-limiting water level (FLWL) can be adjusted to 185.00 m for the early and main flood seasons, and 185.00—187.50 m for the late flood season. The proposed quantitative model offers a theoretical basis for determination of the value of the danger degree of an earth dam reservoir under normal operation as well as the optimal scheduling scheme for the reservoir in each stage of the flood season.     

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。