基于BIM+GIS技术的前坪水库溃坝洪水数值模拟

为确保水库汛期防洪及水库下游人民生命财产安全,以河南省汝阳县前坪水库为例,基于库区高精度地形图和DEM,采用BIM技术、GIS技术结合MIKE软件建立水库溃坝一维、二维耦合数值模型,模拟水库大坝在5 000 a一遇校核洪水位下溃坝及洪水下泄过程,计算水库溃口流量过程及溃决后洪水在下游的演进过程,获得水库下游淹没区范围、淹没区流态等洪水风险信息。结果表明:大坝溃口流量过程与经验公式计算结果较吻合,数值模型可有效模拟溃坝后洪水下游演进风险特征,计算结果较为合理,三维洪水演进过程直观准确。     

简讯

大尺度溃坝首次试验开展大尺度溃坝首次试验日前在安徽滁州大洼水库进行。本次试验是“十一五”国家科技支撑计划重点项目“水库大坝安全保障关键技术研究”的课题之一。大洼水库位于安徽省滁州市施集镇花山村境内,控制流域面积2·71km2,总库容约10万m3,以灌溉为主,水库大坝总长120m,坝顶宽3m,最大坝高10m。本次试验技术难度大,技术要求高,进行如此大尺度的溃坝试验在国内外尚属首次。大洼水库大尺度溃坝试验旨在建立大尺度物理模型,模拟上游水库、下游河道的实际情况,并尽量保证坝体的结构、材料、力学性能相似。开展洪水漫顶、坝基管涌等导致的溃坝模型试验,从整体上观测大坝溃口形态、溃口形成发展过程、上游库水位降落过程、溃坝流量过程和下游洪水演变过程,进一步研究溃口冲蚀下切、横向扩展和溃坝流量(流速)之间的相互关系,探究溃坝形成机理,为溃坝预防、预警及溃坝应急、应对提供技术支撑。溃坝机理和溃决洪水研究是水库大坝安全保障体系的关键内容,是直接关系到降低大坝风险、应对突发性洪水事件能力建设的一项基础性研究。由于大坝坝型众多,溃决过程的复杂性、不确定性,至今人们对溃坝机理和溃坝洪水运动规律的认识仍有待进一步深化。我国大坝数量、坝型...     

土石坝水库溃坝洪水非恒定流演进计算应用研究

本文通过对老鹰嘴水库工程土石坝溃坝洪水研究,预测水库大坝溃口发生的过程(如形状、深度、宽度、溃口扩张的速度等),计算溃口出水流量,通过水库库容演算,预测水库溃口过流量的过程线;对大坝在正常蓄水位、大坝校核洪水、大漫顶三种情况下的溃坝洪水,进行了下游河段洪水非恒定流演进计算,分析最不利为大坝漫顶工况,并在大坝漫顶工况下根据不同溃决状态,分别计算出1/4溃决、1/2溃决、全溃决的下游淹没水位、影响范围人口等数据,为制定相应的应急措施提供依据。     

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。     

小型水库超标准洪水溃坝模拟及风险分析

我国小型水库数目众多，承担着防洪、灌溉、供水等重要作用。为减少水库遇超标准洪水溃坝后下游风险区的生命财产损失，以南王水库为研究对象，考虑水库遇超标准洪水下瞬时溃坝与渐进式溃坝两种溃坝形式，采用DB-IWHR溃坝模型模拟溃口流量过程，利用MIKE软件构建一二维耦合模型模拟洪水演进情况并进行风险分析。结果表明，下游淹没情况符合溃坝洪水演进的一般规律，模型可较好模拟超标准洪水引起大坝溃决的溃口流量与洪水演进过程，可为小型水库超标准洪水溃坝应急预案提供参考。     

新疆洛浦县布尔库木水库溃坝洪水数值模拟

布尔库木水库位于新疆和田地区洛浦县多鲁乡境内,水库周边及下游居民点、耕地密布,水库一旦发生溃坝洪水事件危害较大。根据水库工程特性,采用BREACH模型和简化计算法模拟溃坝洪水。BREACH模型是应用泥沙冲刷公式计算溃口发展过程和溃决流量过程的模型,无需预先设定溃口最终形态。简化计算法计算简单、参数少,可计算坝址处最大溃坝流量。研究成果对制定水库突发洪水事件应急预案和风险评估,以及其他均质土坝小型水库溃坝模拟具有一定指导意义。     

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。     

大坝瞬时溃决水流数值模拟——以Malpasset水库为例

建立反映天然条件下大坝瞬时溃决水流特点的数学模型,模型采用有限体积法对二维浅水方程进行非结构离散,利用Roe格式的近似Riemann解来计算网格界面处的通量。为避免采用堰流公式估算溃口流量带来的误差,将水库库区与大坝下游的计算区域统一划分计算网格,溃口处流量由计算格式自动识别。以Malpasset水库为例,对数学模型进行了验证。通过与实测数据的比较可以看出,该模型较好地模拟了大坝瞬时溃决后的洪水运动过程,模拟结果可以为溃坝洪水风险分析提供科学依据。     

MIKE软件技术在水库溃坝洪水数值模拟中的应用研究

当前,水库大坝受到超频率的洪水以及强震破坏,而容易导致溃决风险。针对水库大坝溃决相关问题,融合BREACH和MIKE21构建耦合模型,并用于溃坝洪水数值模拟试验。结果表明,7种方案最大下泄流量为方案1的18.39×10⁴m³/s;方案1洪峰向地点C汇入点的洪水最大流量比邢台坝址下降约44%。方案1的溃坝洪水水位始终最高,A地最高为306m。综合来看,耦合模型在水库溃坝洪水数值模拟中具备有效性,在实际的水库防洪避险中具备实用性。     

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。