坝体溃决过程与溃坝洪水演进耦合数值模拟

研究坝体的溃决过程与溃坝洪水演进对于处置由溃坝引起的洪水灾害、提升水利安全具有重要的意义。鉴于目前大多模型均将坝体溃决过程与溃坝洪水演进分别进行模拟,不能反映土体与水流相互耦合的特点,模拟结果精度有限。基于对土体有限抗冲能力的考虑,选取双曲线型冲蚀速率表达式描述坝体冲蚀、采用简化Bishop法搜索临界滑裂面描述溃口边坡坍塌和具有总变差不增特性的MacCormack有限体积法离散控制方程,建立了坝体溃决过程与溃坝洪水演进耦合的平面二维数值模型。实际算例表明模型合理地模拟了溃口的发展过程与洪水演进过程,在溃口急缓流转换区展现了较强稳定性,守恒性良好,可作为溃坝洪水风险评估与洪灾预报的有力工具。     

城市地区水库溃坝洪水演进模拟

因水库下游的地形、边界、糙率等存在明显不同,城市水库溃坝后的下泄演进与山区水库可能存在显著差异。针对城市水库下游区域建筑物众多、糙率复杂的特点,利用地理信息系统(GIS)技术生成高仿真的数字高程模型(DEM),对不同地表类型赋予不同的糙率值并生成糙率场。以深圳龙口水库为例,利用MIKE21水动力模块构建溃坝洪水演进模型,假设主坝瞬间全溃后对下泄洪水进行演进模拟。计算结果表明:模型能较好地模拟城区建筑物的雍水效应,较能反映城市主干道在洪水演进过程中的引导作用以及局部地区洪水迅速涨落和消退的特点,说明高仿真的DEM和多元分布的糙率场对保证城市水库溃坝模拟演进的合理性具有重要作用。     

大桥水库大坝逐渐溃决的数值模拟

根据逐渐溃坝模型原理和FLUENT软件的二次开发程序,建立两种逐渐溃坝模型,编制水库水位随溃坝洪水下泄而变化的UDF程序和溃口动态变化的UDF程序,对大桥水库大坝溃决过程和溃坝水流进行三维数值模拟,较准确地描述了大坝溃决的机理、溃口发展过程、坝址处洪水的水位和流量过程线,对比分析了线性模型和冲蚀模型的水位过程、流量过程、水面形态、流速分布等模拟结果。分析表明,三维逐渐溃坝模拟能形象而精确地展示溃口的水面形态和流速场分布。     

QGIS和HEC-RAS在二维溃坝洪水模拟中的联合应用研究

为了准确模拟大坝溃决后的洪水演进过程及淹没范围分析,以数字高程地图为基础,建立了HEC-GeoRAS模型;结合水库的漫顶溃决工况,模拟阳江市大河水库主坝和副坝溃决后洪水沿下游河道的演进过程,并联合QGIS生成洪水风险图、最大水流流速,最大水面高度等成果.研究成果对山区河流下游的人员疏散转移避险决策具有重要的参考意义.     

Numerical Simulation of Sediment Transport Following a Dam Break

For the computation of the morphological changes on reservoir beds, in scale model experiments, a hydrodynamic model is combined with the sediment continuity equation. The hydrodynamic model is based upon the equations of mass and momentum conservation. The sediment transport capacity appearing in the sediment continuity equation is calculated by using the relationship proposed by Smart. For the solution of the above system of three partial differential equations, the explicit numerical schemes of Lax and Wendroff and MacCormack are tested. The whole mathematical model is applied to the experimental case of sediment release from a reservoir after a dam break.     

溃坝洪水对构筑物冲击荷载的数值模拟

洪水巨大的冲击力对坝区及堤岸构筑物造成很大的破坏,准确计算溃坝洪水对构筑物的冲击荷载对于建筑物的安全设计是十分必要的。采用有限体积法和中心迎风格式建立了二维数值模型,用于计算溃坝洪水对构筑物的作用力,并将该模型应用于全局溃坝和局部溃坝的物理模型试验。计算结果表明:该模型能够准确地模拟全局溃坝工况下洪水对构筑物冲击荷载的变化情况,而对于局部溃坝工况,本模型的计算结果较为平滑,无法模拟实际水流紊动的过程,但其最大冲击荷载的计算值与试验测量值相接近。相比于三维数值模型,本文所建立的二维数值模型程序简单、计算效率高、计算结果与实测结果总体吻合较好,能够有效地用于预测溃坝洪水对构筑物的冲击荷载。     

基于双流体模型的三维溃坝洪水模拟

在溃坝洪水模拟中,泥沙因素的影响不可忽略。针对坝体溃决中的水沙流动,溃口采用DAMBRK模型中的概化梯形模型,通过欧拉模型即双流体模型成功模拟了溃坝洪水中的悬移质泥沙颗粒。对比来流分别为清水和含悬移质泥沙的水沙流、在下游有村庄阻水和无阻水情况下坝面剪切力的大小,证明悬移质泥沙加快了坝体溃决,下游阻水建筑物对水沙流的破坏有抑制作用,最后给出了河道中泥沙的淤积分布情况。所有模拟结果均符合实际溃坝规律和环境。     

青山水库溃坝洪水模拟计算

采用二维浅水模型对青山水库溃坝洪水进行了模拟计算,根据主坝可能出现的溃坝风险,模拟了主坝溃决后保护区内洪水的演进过程,模型的计算结果提供的淹没水深、淹没范围以及流速等洪水风险信息,为青山水库防洪风险管理提供了依据。     

直立岛式结构物周围波浪传播的数值模拟

针对计算域中存在直立岛式结构物的复连通区域,基于时间关联型缓坡方程和相应的边界条件,建立了在计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟模型.该模型不仅适用于变水深问题,而且适用于模拟线性波浪的时间和空间演化过程.对直立岛式防波堤及直立方柱周围波浪传播变形的数值模拟表明,所建立的模型能够有效地模拟计算域内存在直立岛式结构物的波浪绕射和反射问题.     

爆炸应力波在层状节理岩体中传播规律及数值模拟

为了得到爆炸应力波在层状节理裂隙岩体中的传播与能量衰减规律,以便更好地研究围岩结构动力稳定性,以凤凰山铁矿为研究背景,建立了2种巷道模型:一种在巷道上方预设2个平行的水平节理,另一种不含节理。通过进行相似理论与试验研究和FLAC^3D数值模拟软件的非线性动力反应对比分析,在输入爆破荷载后,分析在不同时刻和位置时,完整岩体的地质力学模型和节理岩体的地质力学模型的爆炸应力波质点速度。结果表明:爆炸应力波在节理岩体中的衰减比在完整岩体中的衰减快;在同一质点处,各方向上的衰减各不相同,并且2种方法的结果几乎相同。研究成果为爆破应力波规律的把握和对巷道进行支护提供了重要的理论依据。     

大名泛区洪水演进数值模拟

利用结构化网格的有限体积法,建立了二维浅水方程的高精度、低计算负荷的数值计算模型。对结构化网格的处理采用一种自适应网格加密方法,提出四叉树的网格构造,以提高网格对地形和水力变化的敏感度。推导出一种具有激波捕捉能力的二维浅水方程的守恒形式,采用单元中心式有限体积离散。方程的离散采用Godunov格式,利用近似Riemann解求解界面通量,并介绍和采用了具有二阶精度的HLLC算法。对在此基础上,建立大名泛区二维洪水演进模型,获取了不同时段的淹没范围栅格图像、不同时刻淹没水深、洪泛区的蓄水量变化过程以及泛区内点的水力要素信息,为泛区的防洪规划和实时洪水预报提供理论参考。     

温泉水库溃坝洪水对格尔木市的影响评估

水库水体突然泄放是水库下游地区防洪避险中最不利的情况。格尔木河上的温泉水库位于昆仑山地震带内,研究地震等超常溃坝洪水对下游的格尔木市造成的影响,意义重大。对温泉水库坝址到格尔木河出山口大约100 km河道采用一维水流模型进行计算,对水流出山谷后至格尔木市区的受影响区域采用平面二维数学模型进行计算。结果表明:校核水位下温泉水库溃坝流量接近5 600 m3/s,溃坝洪水约6.5 h后到达山口;计算范围内总的淹没面积约97.5 km2,淹没水深大于3 m的面积约2.5 km2。该研究成果可为格尔木市防洪工程的规划及市区人民的防洪避险提供依据。     

某大坝泄洪期间下游岸坡瞬态渗流场的数值模拟

大坝泄洪形成雾化及河水位上涨,影响下游岸坡内部渗流场的变化属于饱和-非饱和渗流问题.作者在饱和-非饱和渗流理论以及非饱和土水特征理论的基础上,以某水电工程岸坡为例,用数值分析的方法模拟在大坝泄洪中下游岸坡内部饱和-非饱和渗流场的时事变化,就孔隙水压力分布情况作专门分析.渗流场的时事模拟能够提供不同时刻点计算区域的含水量以及孔隙水压力大小分布,因此可以为岸坡的稳定性计算提供依据.     

断波在朱沱—三峡坝址库区河段传播规律分析

水库群建成运行改变了河道天然洪水传播特性,主要表现在洪水传播时间明显变化。通过建立朱沱—三峡坝址库区河段水动力学模型,模拟分析了不同坝前水位、不同断波流量,以及不同最大流量持续时间条件下的洪水波传播特性,揭示了各因素对断波在该河段传播的影响规律。研究表明:影响断波在河道中传播过程的因素较为复杂,断波流量、最大流量持续时间和坝前水位均会对其传播造成一定程度影响,其中最大流量持续时间对洪水传播时间的影响最小,断波流量其次,坝前水位的影响最大。研究成果可为三峡入库洪水精确预报和三峡水库优化调度提供一定的技术支撑。     

台阶形陆架上孤立波传播的数值模拟

为了研究孤立波在带有陡升台地的陆架上的传播,用MAC方法求解了二维纳维尔-斯托克斯方程。本文在以下几点,改进了东京大学提出的修正的网格标记法:1.给出交错网格的新的标号系统;2.推导出自由表面上非规则星的新的压力迭代公式;3.对流函数、压力和速度使用了三值悬旗;4.把一维Burgers方程的部分守恒形式扩展用于二维N-S方程。这些使得程序更简单和精确。计算结果证卖,物理上很好地解释了孤立波的传播,入射波分成了反射波和透射波,然后开始分裂、破碎。 本文计算结果与线性波理论的结果很一致,但后者不能给出波运动的过程。     

二维溃坝洪水演进数值模拟

以西藏藏木水电站为例,采用Mike21c软件进行溃坝洪水模拟,计算出溃坝坝址处水位流量过程线以及下游洪水演进过程中各断面的流量、水位、流速、洪峰到达时间等,为评估河道下游两岸的受灾程度做基础,为相关部门制定防灾减灾预案提供依据。     

潜堤上波浪传播过程数值研究

以RANS方程结合Level-Set方法为研究基础,采用五阶WENO有限差分格式进行空间离散、三阶TVD Runge-Kutta格式进行时间推进、Level-Set方法追踪波浪与空气间自由面以及解析松弛法来实现数值水槽中的造波消波,建立了一种求解潜堤上波浪传播问题的数值计算模型。选取经典的潜堤上波浪传播物理试验模型对数值模型进行了验证,水位计算结果与试验值吻合较好。进一步研究了波高、潜堤顶部淹没深度以及潜堤坡度等参数对潜堤上波浪传播过程的影响。结果表明:波高越高、淹没深度越浅、潜堤向波坡度越小,波浪受浅水作用越明显;潜堤背波坡度越小,波浪受反浅水作用稍大,但并不明显。     

飞来峡溃坝洪水对北江中下游的影响

以北江中下游及珠江三角洲作为研究范围,考虑北江中下游防洪体系联合调度规划,计算分析了飞来峡遭遇超标准洪水时2种不同溃坝方式对下游造成的影响情况。     

无限透水坝基渗流场的有限差分数值模拟

我国的水库大坝大部分为土石坝,从现有的坝基防渗控制理论来看,还没有较成熟和完善的针对无限透水地基上的坝基渗流控制计算理论,无限透水地基或较厚覆盖层上坝基的渗流控制计算理论研究,对于在无限透水地基或较厚的覆盖层上建设大坝具有重要的理论和现实意义。建立较为理想条件下无限透水地基上的坝基渗流数学模型,并提出借助Visual MODFLOW软件,利用有限差分理论来模拟无限透水地基上大坝的坝基渗流问题,对不同垂直防渗方案的有效截流效果进行分析。本研究的计算方法理论严密,实例验证可行可靠,充分论证了防渗帷幕的阻水作用,对坝基渗流数值模拟工作具有一定指导意义。     

VOF方法模拟波浪槽中二维非线性波

造波板运动生成非线性波问题是研究物体与波浪非线性相互作用的典型例子。本文研究了用ＶＯＦ方法模拟波浪水槽生成非线性波（孤立波和椭圆余弦波）的问题，为实现造波板在计算中可以做穿越网格的大幅值运动，本文采用在压力迭代中调整造波板邻近单元中压力来满足造波板上流体运动条件。对开路边界条件和自由表面与物面交点处边界条件也提出了处理方法，计算结果与实验结果和解析结果进行了对比。