堰塞坝慢顶溃决流量过程数值模拟

堰塞坝的溃口流量过程是堰塞湖应急处置与风险管理的关键问题,采用数值模型计算分析堰塞坝溃口流量过程的关键是正确模拟溃口形成机理。本文在前人工作基础上,根据一般滑坡堰塞坝特点和实际观测到的堰塞坝溃口发展规律建立了一个溃口扩展模式,将溃口扩展过程归纳为三种主要表现形式,采用试验资料建立的高强度泥沙冲刷计算公式将溃口冲刷的三种表现方式联系在一起,建立堰塞坝逐渐溃决数学模型,利用实测溃坝资料验证了模型的可靠性。考虑到溃坝洪水计算的极大不确定性,对计算模型中一些关键参数给定一定变幅范围研究了这些参数对计算结果的影响。     

堰塞坝漫顶溃决计算方法研究

准确快速进行溃坝洪水预报能够为防灾减灾提供重要的技术支撑。堰塞坝漫顶溃坝模型试验显示,在强烈的非恒定流作用下,坝体材料以高强度推移质输沙同时伴有悬移质挟沙的运动形式向下游输移,水流对坝体的冲刷输移量不断增大并逐渐趋于平衡。溃口因受侧向侵蚀而逐渐拓宽,边岸随着侵蚀后退而逐渐变陡并发生坍塌,直接影响洪水的下泄过程。在上述试验基础上,采用非平衡输沙变化方程及河流动力学输沙公式计算溃口通道的冲淤变形,引入边岸侵蚀和崩塌模式模拟溃口展宽过程,并依据横向变形方程计算侧向侵蚀的宽度,建立了堰塞坝漫顶溃决洪水预测计算方法。利用唐家山堰塞坝溃坝实测资料检验的结果表明,本文建立的预测计算方法同实际测量资料较为符合。     

改进DB-IWHR模型及其在尾矿库溃坝影响分析中的应用

为预测尾矿库溃坝对下游的影响,基于修正的Shields曲线,改进了DB-IWHR模型中临界剪应力的计算,并通过唐家山堰塞坝实例验证了改进DB-IWHR模型具有更高的溃坝溃口和下泄流量过程演化精度。采用改进DB-IWHR模型及二维水动力模型建立了某尾矿库溃坝影响数值分析模型,预测了尾矿库漫顶溃坝时下游的淹没范围、淹没深度、淹没出现时间以及溃坝对下游关键敏感点的影响程度,分析了改进模型对溃口初始宽度及冲刷侵蚀参数的敏感性,结果表明:改进DB-IWHR模型结合二维水动力模型能较好地模拟尾矿库溃坝过程和下泄沙流演进过程,结果符合沙流演进的一般规律;该模型对于初始溃口宽度的敏感性不强,但对于冲刷侵蚀参数的敏感性较强。     

堰塞坝溃坝过程分析及影响因素研究

本文通过堰塞坝漫顶溃坝模拟实验,将堰塞坝溃坝归纳概括为初始溃口形成、溃口发展、最终稳定三个阶段。在其他参数相同的情况下,通过对3组实验流量变化的比较,研究了坝体高度、长度与洪峰流量、洪峰来临时间、洪峰持续过程的相互关系,并研究了溃口形状特点,对相关工程应用有一定借鉴意义。     

上游洪峰流量对堰塞坝漫顶溃决影响试验研究

考虑堰塞湖上游洪峰流量对堰塞坝溃决过程的影响,以4种不同上游洪峰流量为变量进行8组水槽试验,观测溃坝过程和溃口的变化,总结堰塞坝漫顶溃决的4个阶段,即漫顶下渗阶段、大通道形成阶段、大通道快速冲刷阶段和稳定阶段。结果表明:最大溃口流量随上游洪峰流量的增大呈对数型增长趋势,上游洪峰流量的增大对溃坝过程影响明显,具体表现为上游洪峰流量越大,快速冲刷时间越短,溃口发展和二次垮塌的平均速率和规模越大,且溃口洪水过程由单一的水位涨落变为持续性高水位过程。     

两级堰塞坝连溃过程数值模拟及溃口流量演化特征研究

在强震作用下,高山峡谷区易发生滑坡堵江形成串联的梯级堰塞坝,其中一级一旦溃决易引发梯级连溃。本文基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程、湍流重正化群模型,以及悬移质和推移质冲蚀方程,并考虑溃口边坡的失稳坍塌,采用有限体积法建立了梯级堰塞坝连溃过程数值模拟方法,用于模拟连溃过程中的水动力特征及梯级堰塞坝的溃口形态演化过程。选择典型的两级堰塞坝连溃概化模型试验作为数学模型验证案例,对比实测值和计算结果发现,上下游堰塞坝溃口洪水流量过程和溃口形态演化过程基本一致,上下游堰塞坝溃口峰值流量、区间洪水演进时间等关键参数的相对误差小于±5%;比较上下游堰塞坝溃口洪水流量过程发现,梯级堰塞坝发生连溃时,溃坝洪水存在级联放大效应。选择上下游堰塞坝距离、河道坡度和下游坝坝高等三个关键参数,研究连溃洪水的放大效应及其影响因素,参数敏感性分析结果表明：下游坝溃口峰值流量随两坝间距和下游坝坝高的减小而增大,随河道坡度的增长呈先增大后减小的趋势;上游坝溃决洪水演进至下游坝时可能产生涌浪翻越并冲蚀坝顶,导致坝顶高程降低,并对下游坝发生溃决的时间以及溃口峰值流量产生影响,因此涌浪对下游坝溃决过程的影响与涌浪翻越坝顶的水量以及坝料冲蚀特性相关。选择小岗剑上、下两级堰塞坝连溃案例,通过对比计算和实测的溃口流量以及溃口形态发现,关键溃坝参数的相对误差小于±10%,验证了模型在实际案例中应用的合理性,本文提出的数值模拟方法可为梯级堰塞坝连溃风险评估和应急处置提供重要技术支撑。     

耦合溃口演变的二维洪水演进数值模型研究

为更好地模拟溃坝洪水过程,本文采用源项法耦合了溃口演变模型DB-IWHR与基于GPU加速技术的二维水动力模型,建立了一个包含上游库区二维水动力过程、溃口演变和下游淹没区二维洪水演进的高性能耦合模型。模型中所用源项法为在同一时间步长内,通过二维浅水方程的源项将溃口演变模型计算的流量转换为二维水动力模型溃口上下游各标记网格水深的变化值,以此来实现溃口上下游之间的水量交互。该模型的优势在于所用源项法简单易实现,充分考虑溃口的冲刷过程及上下游水动力过程,同时引入GPU技术加速计算。最后,将耦合模型应用于一个土石坝和两个堰塞坝溃决算例,所得结果与实测吻合较好,模型运行快速高效,这表明基于源项法的耦合模型可实现对土石坝、堰塞坝溃坝等灾害事故的合理高效预测,为应急抢险工作提供有力支撑。     

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分析

准确分析预测堰塞湖溃坝洪峰流量可为应急处置方案的制定和应急决策提供技术支撑。采用基于双曲线模型的冲刷侵蚀溃坝洪水分析方法,结合"10·11"和"11·03"白格堰塞湖溃坝洪水分析预测与应急抢险实践,对"10·11"白格堰塞湖自动漫顶溢流过程、"11·03"白格堰塞湖开挖人工导流槽和不开挖人工导流槽溃坝洪水过程进行了分析计算,并与应急除险过程中的实测资料进行对比。结果表明,数值计算结果与实测数据基本一致。这说明冲刷侵蚀模型的溃坝洪水分析方法可较好地分析预测堰塞坝溃决过程,白格堰塞坝溃决洪水分析预测时冲刷侵蚀率取a=1. 1,b=0. 000 5是合适的。此研究成果可供类似土石坝、堰塞坝风险分析和处理类似堰塞湖提供一定参考。     

堰塞坝溃坝洪水影响因素试验

针对影响堰塞坝溃坝洪水的主要因素制定室内水槽试验方案,分析入库流量、坝体物质组成、坝后坡度、坝顶长度及开槽宽度等5种因素对堰塞坝溃坝洪水的影响,采用水位计量测坝前库水位,根据水库水量动态平衡方程计算溃口下泄流量,通过对各种影响因素不同工况下的溃口流量过程线进行比较分析,得出规律如下:堰塞坝的入库流量和坝后坡度与最大洪峰流量正相关,与峰现时间反相关;坝体粗沙含量及坝顶长度与最大洪峰流量反相关,与峰现时间正相关;坝顶开槽宽度与最大洪峰流量及峰现时间反相关。     

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。     

金沙江“10·10”白格堰塞湖溃坝洪水反演分析

准确预测堰塞湖溃坝洪水流量过程在堰塞湖应急抢险过程中极其重要。以白格堰塞湖下游水文站实测的洪水过程为依据,通过DB-IWHR溃坝洪水分析程序和GST洪水演进模型,分别采用不同冲刷侵蚀参数对"10·10"白格堰塞湖漫顶自然泄流过程进行了反演分析。结果发现:冲刷参数a=1.100 0、b=0.000 6时,叶巴滩、拉哇水文站模拟结果与实测流量结果最为接近。由此判断"10·10"白格堰塞湖溃决洪峰流量为10 882.78 m~3/s,溃决历时6.2 h到达洪峰流量,最终溃口水面宽度为99.66 m。运用DB-IWHR溃坝洪水分析程序结合基于GPU加速技术的GST洪水演进模型,计算效率得以大大提高,可以在应急抢险工作中实现快速、精准的预测。     

堰塞坝稳定性快速评估模型--以小岗剑(上)堰塞坝为例

为了对堰塞坝的稳定性快速作出定量评价,通过分析历史案例并进行相关性分析,选取堰塞坝坝长、坝宽、坝高、回水长度、库容量作为堰塞坝稳定性评价因素,并进行主成分分析。将单一变量按照主成分大小及权重进行组合,得到坝高因子,高宽比,水流冲击系数,湖面形状系数,坝体形状系数五个复合因素,在此基础上提出一种定量分析堰塞坝稳定性的快速评估模型,同时引入稳定性系数来反映堰塞坝的稳定程度,进行等级划分,并对汶川大地震中形成的小岗剑(上)堰塞坝应用模型进行评估。结果表明所提出的模型判定准确率达89.9%,可以为堰塞坝应急处理提供参考。小岗剑(上)堰塞坝判定为不稳定,需及时采取泄流措施避免灾害损失。     

堰塞坝溃决模拟研究综述与展望

堰塞坝几何形态、粒径级配和库容决定了其溃决机理的复杂性,而溃决过程的精细模拟和峰值流量的准确预测是应急处置的基础和关键.堰塞坝溃决过程与模拟技术是面向国家防灾减灾重大需求的前沿热点问题.在系统梳理国内外试验和数值模拟研究进展的基础上,指出以往试验研究坝体尺度小,足够大的库容基本未模拟,难以显示最终溃口形态;数学模型假设...     

堰塞湖溃坝快速定量风险评估方法——以2014年鲁甸地震形成的红石岩堰塞湖为例

2014年8月3日云南昭通市鲁甸县发生6.5级地震,形成高83 m,库容2.6亿m³的红石岩大型堰塞湖,严重威胁上下游生命财产安全。由于震后地质条件恶劣,道路堵塞,环境危险,且堰塞坝寿命极短,现有方法很难在有限时间内对堰塞坝进行快速且定量风险评估。本文提出一套基于最基本的堰塞坝几何参数、河道三维地形信息和人口分布数据的快速定量风险评估方法,可以实现任何堰塞坝突发区域内的溃坝、洪水演进和生命损失分析:首先采用地理信息工具快速获取坝址、上下游河道三维地形信息;然后采用统计模型和HEC-RAS软件模拟溃坝和洪水演进过程;最后采用风险分析模型计算得到下游生命损失。本文将该方法应用于红石岩堰塞湖案例分析发现:开挖泄流槽可以降低峰值流量和生命损失,但不能防止溃坝;开挖泄洪支洞后,可以避免在非汛期情况下发生溃决;但在极端洪水情况下(如百年一遇)仍会发生溃坝,并产生较大的洪水和生命损失,因此仍需要加固坝体,做好观测,并准备好应急预警和疏散预案。本方法可针对突发堰塞湖进行快速定量的风险评估,为堰塞湖的应急管理和决策提供依据。     

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。     

存在高渗透区域的堰塞坝渗流稳定性分析——以红石河堰塞坝为例

堰塞坝是由滑坡体土石材料快速堆积而成,没有经过充分固结,坝体结构松垮、组成物质松散,材料分布极不均匀,局部很可能存在由大颗粒组成的高渗透区域,在堰塞湖蓄水的高水头作用下可诱发渗流破坏(如管涌),进而导致坝体失稳。本文以汶川大地震中形成的红石河堰塞坝为例,通过分析高渗透区域对红石河堰塞坝渗流特性的影响规律,提出一种考虑高渗透区域存在的堰塞坝渗流稳定分析方法。该方法将渗流失稳定义为管涌和边坡失稳的循环发展过程,并针对土体材料和水力学参数设置管涌和边坡失稳临界条件用于判断渗流失稳发展情况。通过对红石河堰塞坝的分析发现,高渗透区域的存在对堰塞坝的渗流稳定是不利的。高渗透区域越长、渗透性越高、其位置越靠近坝体下游坡脚,堰塞坝的渗流稳定性越差。由于红石河堰塞坝坝宽坡缓,高渗透性区域的存在可引发局部管涌,但不会发生管涌及边坡失稳破坏;当坝顶宽度较小、下游边坡比较大时,坝体发生管涌和失稳连续破坏,最终导致漫顶溃坝。     

坝体土料黏粒质量分数对均质土坝漫顶溃决过程的影响

为了研究坝体土料黏粒质量分数对均质土坝漫顶溃决过程的影响,建立了描述均质土坝溃坝溃口发展规律的溃坝数值模型,对实体溃坝案例进行了反馈分析,验证了模型的合理性,并利用该模型重点研究了坝体土料黏粒质量分数对均质土坝溃口发展规律和洪水流量过程的影响。结果表明:坝体土料的黏粒质量分数对均质土坝的溃口发展规律、最终溃口形状以及溃口洪水流量过程具有明显影响,土体黏粒质量分数越高,其临界起动流速越大,冲蚀率越小,均质土坝溃口的发展速率越慢,溃口边坡的失稳坍塌临界深度越大,从而导致最终溃口形状也越小,相应地溃口洪峰流量及最大下泄水量也越小,溃口洪峰流量出现的时间越迟。     

基于FREAD溃坝体系的堰塞湖溃决过程反演分析

为了提出适用于堰塞湖溃决模拟仿真的方法,在系统梳理FREAD溃坝洪水分析体系DWOPER、DAMBRK、BREACH和FLDWAV模型的基础上,对各模型的基本原理、适用条件及优缺点进行了汇总。基于各模型的功能特点,联合使用BREACH溃坝计算模型及FLDWAV洪水演进模型反演了尼泊尔逊克西(Sunkoshi)堰塞坝的溃决过程。结果表明:逊克西堰塞坝溃决过程历时68 min达到溃决洪峰流量1 794 m3/s,考虑到支流入流的情况,溃决洪峰历时154 min演进至下游37.9 km处的库帕瓦加特(Pachuwarghat)水文站,计算流量结果与该水文站实测数据较为一致,从而验证了联合使用BREACH和FLDWAV模型进行堰塞湖溃决计算的合理性和可行性。研究成果可以为制定类似堰塞湖溃决的应急处置方案提供参考。