溃坝水流三维计算模型比较

选取土石坝漫顶冲决过程中假定的溃口形状,采用FLOW-3D及FLUENT计算流体力学软件分别对固定溃口形状下漫坝水流进行全三维湍流数值模拟,对比研究溃坝水流的三维流动及水流对坝体的作用.结果表明,两者较为一致地反映了土石坝漫顶冲决过程中水流的流动及坝面应力分布,主要差异发生在坝体表面、水流自由液面附近以及水流掺混较为剧烈区域.理论上,FLOW-3D采用Tru-VOF方法捕捉自由液面所得水面附近结果应较为准确;FLUENT采用适应性较强的非结构化网格,所得壁面区域计算结果则更为合理.同时计算得到了较为精细的溃坝水流湍流结构和坝面壁面剪切应力分布,这将有助于深入理解大坝溃决的物理机理,进而促进溃坝洪水数学模型的发展及应用.     

基于Rackwitz-Fiessler方法的土石坝漫顶风险数学模型

为更加准确预估土石坝漫顶风险率,在全面考虑洪峰流量、风浪壅高和波浪爬高各不确定性因素的基础上,提出了基于Rackwitz-Fiessler方法的漫顶风险模型算法.通过对土石坝漫顶风险基本定义的转化,引入调洪系数ρ和基于水位流量过程关系提出基于流量关系式的漫顶风险数学模型;在已知不确定性因素的函数分布基础上,采用Rackwitz-Fiessler方法迭代求解土石坝漫顶风险率.实例结果分析表明,该漫顶风险计算模型能较好地反映土石坝漫顶特性,模型方程相比单一考虑洪峰流量不确定性或风浪壅高及波浪爬高不确定性的方法更贴近实际且验证性好.     

纵向增强体土石坝新坝型及其安全运行性能分析

在总结大量水库大坝加固实践的基础上提出一种新坝型—纵向增强体土石坝,即以常规土石坝为依托,在其内部"插入"集防渗与受力为一体的刚性结构体(纵向增强体)。增强体既起到防渗体系作用,又起到结构体作用,力求克服传统土石坝(如均质坝、土质心斜墙坝等)在漫顶、渗漏、裂缝等原发性病险,以及滑坡、变形、白蚁等次生性灾害,特别针对传统土石坝存在的洪水漫顶溃坝、损毁、失效等灾难提出了尽可能的解决方案。从理论上简要分析了纵向增强体土石坝相对于常规土石坝抵御洪水漫顶破坏的安全程度,初步阐述这一新坝型安全运行的机理,分析洪水漫顶造成下游堆石料被冲刷流失,形成坝体冲坑等水力学过程,冲坑的逐步形成将恶化增强体的受力条件,最终导致增强体上游侧受力而下游侧临空的受力状态,从而影响到整个坝体是否溃决。计算表明,增强体作为刚性结构体延缓了坝体的溃决,并为工程抢险和下游群众转移争取到足够的时间。纵向增强体土石坝在工程建设投资与工期、施工工艺与材料选取方面均有一定优势,对今后建坝或对已建成土石坝的除险加固有着十分重要的意义和广阔的应用前景。     

均质土石坝不同因素与漫顶破坏模式的内在联系

进行了均质土石坝漫顶破坏水槽试验,试验中观测到3种漫顶破坏模式:陡坎蚀退冲刷溃决模式、剪切蚀退坍塌溃决模式和浸泡剥蚀破坏模式,不同破坏模式溃口形成和发展阶段坝体破坏类型差异较大.坝高、筑坝材料、漫顶流量和坝顶抗侵蚀能力非均匀分布等因素影响坝体破坏方式,如坝顶非均匀冲刷产生的束水作用造成的"凹形"蚀退、其他条件相同情况下筑坝材料强弱导致的剪切或陡坎蚀退和坝高大小导致的陡坎蚀退或浸泡剥蚀等.这些因素通过影响不同位置侵蚀速率,共同决定了漫顶破坏模式,而后者对漫顶破坏过程和溃坝参数(破坏持续时间、最大下泄流量等)影响较大.     

基于贝叶斯网络的土石坝可靠性分析

提出采用贝叶斯网络方法来分析大坝的可靠性问题.首先简要地介绍了贝叶斯网络方法的基本原理和建模方法,将贝叶斯网络方法和故障树方法进行了比较,并给出了故障树向贝叶斯网络转化的基本步骤.定义了贝叶斯网络中节点的重要度因子,并给出了相应的计算公式.最后以土石坝为例,根据土石坝的失效机理建立了土石坝可靠性分析的贝叶斯网络模型,并对溃坝原因进行了重要度分析.结果表明,贝叶斯网络能够有效地进行大坝可靠性分析,它能够更直观地表示大坝失事的因果关系,且贝叶斯网络能够方便地解决共因失效问题.故障树可以方便地转化为相应的贝叶斯网络模型.贝叶斯网络节点的重要度分析结果为制定有效的大坝失事概率控制措施提供了理论依据.     

基于线性冲蚀公式的二维非黏性土石坝溃决模型

基于线性冲蚀公式建立二维非黏性土石坝溃决模型. 所建模型利用线性冲蚀公式建立床面冲刷率与水流切应力的关系以计算坝体变形,无须应用输沙率公式和求解泥沙输移方程. 与现有精细物理模型相比,所建模型更简单,计算效率更高. 利用2个不同形式的算例,验证边坡坍塌算法的有效性;将所建模型分别应用于一维和二维非黏性土石坝漫顶实验,模型计算的坝顶高程、溃口最终宽度和峰值流量等关键指标值与测量值吻合良好,表明该模型能够较为准确地模拟非黏性土石坝溃坝. 对模型关键参数进行敏感性分析,分析不同参数对计算结果的影响.     

基于分区异步元胞自动机的土坝漫顶溃坝模拟

根据土坝漫顶溃坝特点,建立了土坝漫顶溃坝分区异步元胞自动机模型,在模型中考虑了不同分区的演化特性,提出了不同区域的径流规则、冲刷规则和坍塌规则,考虑了抗冲性能分布差异对土坝漫顶溃坝过程的影响,该模型能够更加准确地模拟土坝漫顶溃坝全过程。结果表明,溃坝初期,冲刷首先从背水坡发展,背水坡坡面上也会形成冲沟;考虑坝体纵向和横向坍塌影响后,溃坝发展过程比较快,伴随着坝体纵向和横向坍塌,坝体冲刷迅速向坝顶方向发展,直至形成溃口。     

基于贝叶斯网络的土石坝可靠性分析

提出采用贝叶斯网络方法来分析大坝的可靠性问题．首先简要地介绍了贝叶斯网络方法的基本原理和建模方法，将贝叶斯网络方法和故障树方法进行了比较，并给出了故障树向贝叶斯网络转化的基本步骤．定义了贝叶斯网络中节点的重要度因子，并给出了相应的计算公式．最后以土石坝为例，根据土石坝的失效机理建立了土石坝可靠性分析的贝叶斯网络模型，并对溃坝原因进行了重要度分析．结果表明，贝叶斯网络能够有效地进行大坝可靠性分析，它能够更直观地表示大坝失事的因果关系，且贝叶斯网络能够方便地解决共因失效问题．故障树可以方便地转化为相应的贝叶斯网络模型．贝叶斯网络节点的重要度分析结果为制定有效的大坝失事概率控制措施提供了理论依据．     

土石坝溃坝参数模型研究

土石坝溃坝参数的获取对于溃坝致灾后果的评价具有重要意义。而参数模型因其公式形式简单、计算快速常被用于溃坝参数的预测。本文对国外土石坝溃坝案例数据信息进行校验整理,并补充了相关的国内溃坝案例,形成了一个包含154个溃坝案例的基础数据库。在此基础上,针对不同坝型,对模型输入变量进行无量纲化处理,选择库容形状参数、水位比参数及坝高参数等作为自变量进行回归分析,建立了可模拟土石坝溃口峰值流量、溃口最终平均宽度和溃坝历时的数学表达式。该模型可反映坝型、溃坝方式、溃坝时库容、水位、坝高、溃口深度等参数对溃坝参数的影响。通过与国内外常用溃坝参数模型的对比发现,本文模型依据的土石坝溃坝案例数据库信息更为翔实,输入变量较易获取,在整体上具有更好的适应性、计算精度和拟合效果再选取4组典型案例,验证了本模型的合理性和优越性。     

漫顶溃坝尾砂流演进模拟及避险转移方案分析

为分析尾矿库漫顶溃坝尾砂流对下游人民生命财产的影响,基于RNG k-ε湍流模型和泥沙冲刷模型构建了尾矿库漫顶溃坝水动力学数值模型,并通过室内水槽溃坝试验验证了该模型的有效性。同时以江西省永平铜矿燕仓尾矿库5号副坝为例,模拟了漫顶溃坝引起的下泄尾砂流演进过程,并从流速、泥沙淤积厚度、淹没深度、淹没范围等方面分析了下泄尾砂流对下游居民、村庄、公路和农田等可能造成的影响。在此基础上,制定了下游受灾居民的疏散、撤离和避险转移方案。结果表明：下游新岩前村基本没有受到溃坝尾砂流影响,而塘棣源村受到了溃坝尾砂流冲击或淤埋等严重影响。研究成果可为类似工程规模的尾矿库应急抢险、灾害风险防治和避险转移方案制定提供理论参考。     

均质黏性土坝漫顶溃决机理及溃坝过程模拟

水库大坝的溃决对下游人民生命及财产带来巨大威胁,而中国已溃大坝中有85%以上为均质黏性土坝,且50%以上为漫顶溃决,因此有必要深入研究均质黏性土坝的漫顶溃决机理,提高溃坝洪水流量过程的预测精度,为溃坝应急抢险提供理论与技术支撑。基于均质黏性土坝大尺度漫顶溃决模型试验,揭示了漫顶水流作用下溃口在3维空间的发展机理,在此基础上提出了一个模拟均质黏性土坝漫顶溃决过程的数学模型。该模型基于坝体形状和漫顶水流特征确定"陡坎"的形成位置,采用宽顶堰公式计算溃口流量;选择可考虑坝料物理力学特性的溯源冲刷公式模拟"陡坎"的移动,并通过力学分析判断"陡坎"上游坝体的坍塌;引入坝料冲蚀系数,通过分析水流剪应力与坝料临界剪应力建立坝料的冲蚀率方程,模拟坝顶与下游坡溃口的发展;采用极限平衡法模拟溃口边坡的失稳,并假设滑动面为平面。模型考虑了不完全溃坝与坝基冲蚀,以及坝体的单侧与两侧冲蚀。选择国内外3组具有实测资料的大尺度均质黏性土坝漫顶溃坝模型试验对模型进行验证,实测值与计算结果的比较表明,溃口峰值流量、溃口最终平均宽度及溃口峰值流量出现时间的相对误差均在±25%以内,并且计算获得的溃口流量过程线与实测结果基本吻合,验证了模型的合理性。     

土石坝溃坝参数模型研究

通过对国外土石坝文献中溃坝案例数据信息进行校验整理,并补充收集到的相关国内溃坝案例,形成了一个包含154个溃坝案例的基础数据库。在此基础上,针对均质坝和心墙坝两种坝型,对模型输入变量进行无量纲化处理,选择库容形状参数、水位比参数及坝高参数等作为自变量进行回归分析,建立了可模拟土石坝溃口峰值流量、溃口最终平均宽度和溃坝历时的数学表达式。该溃坝参数经验模型可反映坝型、溃坝方式、溃坝时库容、水位、坝高、溃口深度等参数对溃口峰值流量、溃口最终平均宽度和溃坝历时的影响。此外,通过对国内外常用的溃坝参数经验模型的统计分析发现,本文模型相较于已有的模型,依据的土石坝溃坝案例数据库信息更为翔实,输入变量较易获取,对溃坝参数的影响因素考虑更加全面,特别是能更好地反映坝体特征和当前水力条件对溃坝参数的影响。针对数据库中的相关案例,使用本文模型与常用经验模型进行计算验证,通过整体均方根误差和可决系数的计算,发现本文模型在整体上具有更好的适应性、计算精度和拟合效果。再基于不同的坝型和溃坝方式,选取4组国内外典型案例进行分析,发现本文模型在整体上计算结果较为准确,进一步验证了本模型的合理性和优越性。     

基于AHP -云模型的土石坝老化病害风险评价

针对土石坝老化病害过程的不确定性和复杂性, 建立AHP-云模型进行土石坝老化病害风险评价。综合考虑溃坝损失, 运用AHP建立具有多个层次的土石坝老化病害风险评价指标体系, 运用云模型对比标度构造判断矩阵定量确定指标层、因子层、评语集的云模型特征参数, 辩识土石坝老化病害风险程度。对加固前后的沙河集水库大坝状态因子进行评分, 计算总评云模型特征参数, 完成加固前后的水库大坝老化病害风险程度的定量评价, 评价结果符合工程实际, 并可指导水库的除险加固。     

文峪河水库溃坝洪灾损失预测研究

利用GIS软件MapInfo对文峪河水库下游文水县的一些基础资料进行分析处理,利用内插法生成洪水淹没区等高线图和实体地形图等。利用损失率计算模型对淹没区内损失状况进行了预评估。结果表明,当文峪河水库遭受重现期为5000年一遇的洪水时,会发生漫顶溃坝,洪灾所造成的直接经济损失约为24.149亿元,间接经济损失约为4.347亿元。通过对水库溃坝洪水淹没损失的计算分析,可以让防洪决策人员及水库管理人员对发生水库溃坝洪水可能产生的后果做到心中有数,防止灾害发生。     

溃坝水流三维湍流的试验与数值分析

采用假定溃口形状,选取临界漫顶及坝体完全淹没2组不同流量,进行定床物理模型试验,测量了溃口内部水流的垂线流速分布.采用CFD软件FLUENT对2组三维溃坝水流进行全流场湍流数值模拟,其结果与试验值吻合较好,同时较为精细地捕捉到了坝前水位稳定后溃坝水流三维流场、湍动能和壁面剪切应力.结果表明:高强度壁面剪切应力可能为坝体侵蚀主要因素,在坝顶及溃口与坝面的连接处壁面剪切应力及湍动能出现极大值,强湍动能将使得侵蚀的泥沙迅速扩散到水体当中,随着水流的运动向下游输移.三维流动的存在,使得泥沙向下游输运的过程中先向溃口内部集中,到达下游河道后再逐渐扩散到整个河道中.小流量情况下,这一趋势不太明显,随着漫顶流量的增大这一趋势明显增强.以上水力条件可能为溃口迅速展宽、降低的主要因素.     

动态故障树顶事件概率计算流程

动态故障树相比传统的静态故障树,具有动态性、时序性和冗余性等动态失效特征,其顶事件发生概率的计算方法更加复杂。采用深度优先搜索方法获取动态故障树子模块,介绍了基于最小割集和二元决策图的静态故障树顶事件概率计算方法、基于马尔科夫链和积分公式的动态故障树顶事件概率计算方法。重点分析了4种计算顶事件概率方法的适用范围和特点,总结了计算动态故障树顶事件概率的一般计算流程。最后以飞机某新型氧气系统失效为例进行分析验证。     

高土石坝施工过程随机模拟方法探讨

本文根据土石坝施工特性,建立了土石坝施工过程计算机模拟模型,为解决土石坝施工过程的模拟问题,提出了有效的方法。     

基于土石坝渗流和坝坡稳定的二维有限元分析

土石坝病害中较为突出的是破损病害、老化病害等,具体表现为渗流和边坡失稳等.综合国内外土石坝数值模拟研究现状,基于二维拉格朗日有限差分法,建立了二维土石坝有限元分析模型.通过理论研究和数值模拟,对土石坝进行渗漏分析、渗透分析、坝坡稳定性分析.并给出了土石坝加固方案.     

暴雨山洪与山坪塘漫坝多灾害耦合风险分析

为研究强降雨下山洪与漫坝耦合灾害对下游居民的影响程度和范围,应用 HEC-RAS 软件构 建暴雨山洪与山坪塘漫坝多灾害耦合模型。 首先,以重庆市巴南区某山坪塘为研究对象,根据巴南 区暴雨强度公式设计不同重现期的降雨雨型;其次,借助数字高程数据对山坪塘进行原始构建,采用 参数化模型对溃坝楔口参数进行预测,结合物理溃坝机制模拟漫坝过程;最后,选取洪水深度、洪水 流速和洪水滞留时间等 3 个评价指标进行洪水风险分析。 研究结果表明,突发强降雨下的山洪形成 迅速且山坪塘发生漫坝的机率极大;山坪塘漫坝会加重附近区域的洪水风险等级。     

用事故树模型计算土石坝溃决概率

土石坝溃决的原因很多,不同地区、地质、流域、坝型等情况差异较大。利用事故树的基本原理,分析各种事件与土石坝溃决之间的关系,形成模型事件树状结构关系,构建土石坝溃决概率的数学模型,为计算机编程开发土石坝系统安全评价的软件提供了一个理论平台。