两种溃坝模型在唐家山堰塞湖溃决模拟中的对比

基于唐家山堰塞坝溃决的实测数据,使用BREACH模型及中国水科院DB-IWHR模型,对唐家山堰塞坝溃决过程进行了反演分析,并对两种模型进行参数敏感性分析。研究结果表明:使用针对唐家山的参数,两种模型均可较好地反演唐家山溃决洪水的过程,BREACH模型的下游坡比和孔隙率是对结果影响比较敏感的输入参数;DB-IWHR模型在冲刷参数和下游水深计算两方面做了改善,较好地解决了这一问题;DB-IWHR提供了一个Excel格式的计算软件,数值分析稳定性好,使用简洁客观,可供类似堰塞湖应急处置时参考。     

唐家山堰塞湖溃坝洪水分析及泄流冲刷模拟

土石坝溃坝数学模型BRESZHU建立在溃坝试验及原型溃坝案例中所观察到的溃坝机理基础之上。模型先后用不同国家的多组溃坝试验资料进行率定和验证，并被成功应用于原型堤坝溃决案例的模拟，结果良好。“5·12”地震唐家山堰塞湖险情发生后，其不断升高的水位和不断增大的湖容给下游百万群众的生命财产安全造成了巨大威胁。运用BRESZHU模型并结合坝下游溃坝洪水演进模型针对堰塞湖上游可能出现的不同频率洪水、坝体的不同溃决方案和不同溃决过程等对数10种工况下唐家山堰塞湖的调洪、溃坝及洪水传播过程进行了计算与分析，为抢险方案和应急预案的制定提供了有力的技术支持。险情结束后运用BRESZHU模型及时对湖水下泄过程中泄流渠断面发展及坝址处洪水过程等进行了模拟，结果表明模型计算的下泄洪水过程（水位、流量）及泄流渠断面发展等与实测情况符合较好。     

淤地坝淤积对漫顶溃坝洪水影响数值模拟研究

为分析淤地坝淤积高度对漫顶溃坝洪水的影响,选择理想沟道和某小流域内的淤地坝为研究对象,采用耦合溃口演变过程的水动力数值模型,模拟分析了不同淤积程度下淤地坝溃坝洪水过程。研究表明:溃坝洪水流量随淤积高度的增加而减小,且洪峰流量与淤积高度的关系可用二次多项式拟合,相关系数均在0. 99左右,拟合精度较高;淤积高度至坝高20%和40%时,洪峰流量削减率分别达40. 50%和68. 71%,可见在淤地坝运行初期和中期,淤积对洪峰流量的削减效果显著。研究成果对淤地坝系规划及安全度汛有指导意义。     

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。     

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。     

唐家山堰塞湖溃坝洪水演进及下泄过程复演

将溃坝模型和传统一维非恒定流模型相结合,建立了溃坝洪水演进数学模型。采用DEM数字模型插值技术,快速获取了模型计算所需的断面地形,适合于资料缺乏情况下的应急模拟计算。采用该模型,进行了唐家山堰塞湖典型溃坝模式下的洪水演进计算和湖水实际下泄过程的复演计算。实测资料的验证结果表明,计算与实测的水位、流量过程符合较好,模型可靠。建立的模型及相关处理方法值得在堰塞湖应急除险及其它溃坝问题模拟计算中推广应用。     

基于BREACH模型的某水库土坝溃坝分析研究

雨洪频发易使土坝溃决,可能带来严重失事后果,因此有必要开展坝溃及其影响分析。基于BREACH模型,对某水库土坝进行溃坝分析研究。结果表明,在管涌溃坝模式下,随着洪水量级的增大,最大溃决流量、最终溃口宽度和累计下泄流量增大;在相同洪水量级条件下,漫顶溃坝的最大溃决流量和最终溃口平均宽度均较大,相对危险性更大;在给定方案中,地震突发情况相对于其他方案较为安全。最后,累计下泄流量与初始库容及入库洪量之和相等,验证了模型计算的合理性。     

HEC-RAS模型在二维溃坝洪水研究中的应用

为准确模拟大坝失事后溃坝洪水的下游演进,运用HEC-RAS二维水动力学模型,修正面板坝溃口发展曲线,设计两种闸门开度的小井沟面板坝漫顶溃坝工况,模拟水库泄洪影响下溃坝洪水的下游演进并生成相应的洪水风险图、最大流速分布图、滞留时间图。研究结果展现了溃坝洪水在中下游平原丘陵地区的泛滥情况、洪水风险的分布差异以及水库泄洪对溃坝洪水的影响。分析得出不同闸门开度下溃坝洪水在中下游平原丘陵地区的淹没水深和范围差异明显,最大流速和洪水滞留时间区别不大, 说明水库全力泄洪能有效降低溃坝洪水对下游人员聚居的平原地区的危害。研究成果对后续的人员疏散和损失估计具有重要参考意义。     

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。     

基于复合模型沙的大比尺尾矿库漫顶溃决模型试验

尾矿库是重大危险源且存在溃坝危险,为了更真实地预测尾矿库溃坝造成的影响,定量掌握尾矿库的溃坝过程及其对下游的影响程度,利用细粒尾砂与膨胀珍珠岩按照体积比尺1.5∶1进行混合制作复合模型沙,通过室内试验和水下休止角试验确定复合模型沙的基本可行性;并在满足相似条件的基础上,开展极端状态下的复合模型沙大比尺尾矿库漫顶溃坝试验,分析其溃坝过程、流量过程、断面形态演变过程、浸润线、淹没高程和范围等变化规律。试验结果表明：物理模型试验历时140 min,复合模型沙下泄量占总库容的10.76%,下游区域淤积量占下泄量的95.21%,基本符合漫顶溃坝的实际情况,设计选配的复合模型沙合理,说明该复合模型沙能够更真实有效地还原尾矿库溃坝过程。研究结果为尾矿库漫顶溃坝试验中模型沙的选择提供了新思路。     

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.     

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。     

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。     

均质土坝漫顶溃决“陡坎”移动参数确定

“陡坎”冲蚀是均质土坝漫顶溃决时的主要破坏模式,“陡坎”移动的速度与坝料的物理力学指标具有内在联系,而目前国外给出各类“陡坎”移动模型很少考虑这些联系,且参数选取方法误差较大。基于水流能量耗散原理的“陡坎”移动速度模型,考虑坝料的黏粒含量、含水率、干密度等因素,参考国内外具有实测“陡坎”移动速度资料的水槽模型试验成果,拟合出“陡坎”移动参数的表达式,并结合水槽模型试验不同坝料的特点,给出了拟合“陡坎”移动参数的上下包线。参考美国农业部农业研究中心开展的7组均质土坝漫顶溃决试验的“陡坎”移动速度实测资料,验证了建议参数的合理性,并与国外典型的“陡坎”移动参数模型计算结果进行比较,给出了参数取值的参考方法;对“陡坎”移动参数中涉及的黏粒含量、含水率、干密度等指标进行参数敏感性分析,分析研究3个指标对“陡坎”移动规律的影响,为均质土坝漫顶溃决模型“陡坎”运移参数的选取和进一步研究“陡坎”抗冲蚀能力内在机理提供参考依据。     

考虑上游溃坝洪水的水库漫坝失事模糊风险分析

随着大江大河的规模化梯级开发,水库和电站的风险不再是单一工程风险,传统的"单库、定值"研究模式已难以满足当今水电站枢纽的安全风险分析需求。为此,本文将上游溃坝洪水的作用考虑到水库漫坝失事风险分析中,在具体评估水库承担的失事风险率时,基于现有的模糊风险分析模型尝试采用直角梯形模糊数描述水库漫坝失事的风险指标,结合α-截集技术将模糊集合转化为经典集合,提出基于直角梯形模糊数的水库漫坝失事风险分析模型。以某流域尚在筹建的水库为例进行研究,结果表明:(1)该模型能考虑多种不确定性因素影响的漫坝失事风险的可能状况,思路更接近于实际情况,其计算结果可为有关部门决策提供更多参考信息;(2)就研究对象而言,尽管考虑上游溃坝洪水时较高起调水位方案对应的漫坝失事模糊风险率均不同程度超出最大可接受风险,但只要做好预警工作并及时预泄水库蓄水就可以降低外部原因引起的漫坝失事风险,保障水库安全运行。     

滑坡涌浪传播及翻坝过程数值模拟

将滑坡体概化为滑块,并给定其水下运动规律,利用UDF自定义函数对Fluent进行二次开发,模拟了滑块入水产生的涌浪性质,并分析了涌浪首浪传播及翻坝过程。仿真结果表明:若将滑坡概化为滑块,在给定水下运动形式下,产生的涌浪性质与孤立波类似,即涌浪只影响水面以下一定范围,对水底影响不大;涌浪顺水流方向的运动对动压起主要贡献;首浪在传播过程中涌浪波幅会减小而波宽会增大,且波高沿着传播方向其衰减速率在逐渐变小;滑块排挤的库区水体体积小于自身体积;小体积的滑坡对大库容的水库影响程度很小。对比分析不同体积滑坡激发涌浪翻坝的过程发现,滑块体积越大,激发的涌浪传播速度越快,高度越高,形成的翻坝流量越大,对下游的危害性越大。