山区河流宽窄相间河段山洪水沙输移2维数值试验

山区河流山洪过程常挟带大量泥沙,并引发河床剧烈变形,尤其是宽窄相间河段河床急剧调整、水位陡涨极易增加展宽河段的洪水淹没风险,深入研究山洪演进的水沙输移及河床变形对于防洪减灾具有重要意义。本文采用二维水沙动力学数值试验探究了上游来沙变化条件下宽窄相间河段水沙输移及河床变形过程。结果表明：当上游来沙充足时,洪水携带泥沙在展宽段淤积、缩窄段冲刷,河床在泥沙输移过程中整体上抬;而当上游没有来沙时,河床整体呈现下切趋势。究其原因,主要在于河道饱和输沙导致河床整体淤抬,而河床淤抬导致上游水位陡涨增加水面比降,床面切应力变大,从而提高河道输沙率,而宽窄河段床面起伏则增大床面形态阻力,促使上游水位上涨;泥沙来量较少时,河床冲刷为主,水位下降、水面比降趋于变缓。     

长江中下游河床冲淤与洪水位变化

依据大量的实测资料,详细分析了长江中下游近50年来的洪水位变化与河床冲淤及其分布关系,发现部分水文断面洪水位抬升明显、高洪水位持续时间加长的现象,与河段河床演变及河道形态变化以及沿江湖泊的淤积密切相关,并阐述了二者的理论关系,为长江中下游洪水抬升机理分析提供了重要的依据.     

水利工程对分水江水面线影响分析

利用典型洪水资料分析了洪水的地区组成,采用伯努利方程二分法计算了分水江水库不同下泄流量下毕浦电站建坝前后分水江区间河段洪水水面线．表明随分水江水库下泄流量增加,相邻两条水面线间水位差和上下游水位变幅变小;毕浦电站建坝后,对区间河段水面线影响较大,坝址附近水位大幅抬升,越向上游抬升幅度越小．该结论可为区域防洪减灾、河道整治、交通水利工程规划设计等提供参考．     

山区变比降河道卵砾石溯源淤积的数值模拟

山区河床组成多为宽级配卵砾石颗粒、沿程河床比降陡缓相接,受泥沙补给及水流过程影响,不同河段冲淤变化复杂多变,溯源淤积引发山洪现象频繁发生。为探究泥沙补给条件的变化对于山区河流河床冲淤变形以及水位变化的影响,作者以变坡陡比降河道为研究对象,通过计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元(discrete element method,DEM)耦合的方法对不同来水来沙条件下典型山区河道中卵砾石的溯源淤积过程进行了数值模拟,并将计算结果与室内水槽试验结果进行了比对。计算结果表明:强输沙水流由陡比降河道进入缓比降河道后,泥沙一旦在下游发生淤积,便会迅速向上游传播,进而导致河床大范围淤积抬高。溯源淤积的起始位置,发展速度以及淤积床面的厚度与上游泥沙补给强度、水流速度、颗粒粒径等因素有关,来流流量越小、泥沙补给强度越大,溯源淤积的起始位置越靠近河道上游,淤积发展速度越快,淤积床面厚度越小。泥沙淤积会导致淤积段沿程水位显著升高,在淤积锋面处,水位变动最为剧烈,水位增加明显,随着溯源淤积的继续发展,该位置处的水位会稍加回落并且趋于稳定。由此可见,山区河流泥沙补给条件的改变对于河床变形以及水沙灾害具有重大的影响,为揭示山洪泥沙灾害的致灾机理提供了理论基础。     

淮河大型防洪模型试验研究(一)模型设计与验证试验

淮河淮滨至正阳关河段内支流及行蓄洪区很多,干支流洪水遭遇情况复杂,是一个复杂的防洪体系。采用非恒定流防洪模型,计算机控制与检测系统,经过验证试验对河段各部位糙率及控制系统参数加以调整后,准确地重演了1982年的洪水过程,模型各站的水位流量过程与原型一致。该模型是淮河防洪规划、河道整治、调度运用的重要手段。     

串珠状堰塞湖级联溃决对汶川震区河流演化的影响

"5·12"汶川地震震后3年多以来,串珠状堰塞湖群的形成和发展,对震区河流演化的影响重大。通过对汶川地震灾区岷江支流——渔子溪的耿达—映秀河段的野外考察发现,堰塞坝对河流挤压造成异岸冲刷,河道横向展宽或弯曲;多堰塞湖河段河床抬升强烈;部分堰塞坝由于未完全溃决而逐渐发育成尼克点,从而形成阶梯状河床。鉴于野外考察的局限性,通过野外水槽实验初步探索了堰塞湖级联溃决的动力学特征,堰塞湖级联溃决放大了山区河流洪水的峰值流量,从而加剧了河流沿程冲淤程度,更有利于梯级河床的形成。探索多堰塞湖河段堰塞湖级联溃决情况下的河床演化规律,旨在为地震灾区河道修复及灾后恢复重建提供科学指导。     

陡河唐山市区段现状行洪能力分析

为了分析陡河唐山市区段综合整治后的行洪能力,文中利用陡河唐山市区段河道横纵断面实测数据,采用天然河道恒定非均匀流计算公式对该河段行洪能力进行了计算,并推求出各断面不同行洪能力下的洪水水位,找出影响河道行洪的阻水河段及阻水断面,给出提高河道行洪能力的措施与建议。     

边滩漂石河流水沙输移及河床响应数值分析

山区流域地表松散破碎,在地震、暴雨等动力条件影响下大量松散碎屑物质进入沟床,使得山区河流的泥沙补给条件发生突变。由于不同河段输沙能力差异明显,泥沙易在局部河段淤堵,河床剧烈调整,水位显著抬升,这给山区河流的水沙灾害防治造成巨大威胁。基于岷江支流白沙河与龙溪河局部河段的野外调查发现,在干支交汇段沿程边滩漂石结构突出,河道主槽冲刷强,边滩淤堵少。在此基础上,为了分析山区河道中边滩交错漂石结构对水沙运动及河床变形的影响,采用CFD-DEM（计算流体力学CFD,离散单元法DEM）耦合模型,针对不同边滩交错漂石结构下的输沙及河床响应过程开展模拟研究,重点分析了流量、沟道来沙量以及边滩漂石结构对河道下游调沙减灾效果的影响。计算结果表明,山区河道中的边滩交错漂石能够有效改变泥沙颗粒运动轨迹,使得绝大部分颗粒从河道中央向下游输移,进而减少颗粒在河道两岸淤积。此外,边滩交错漂石可以调节山区河流下游河段的来沙过程,控制来沙强度和来沙量,减少泥沙在保护河段落淤进而有效降低河道的沿程水位。随着边滩漂石布设间距的减小、流量的降低以及沟道内来沙质量的增大,边滩漂石对松散堆积体的固沙效果越好,对下游河道的削峰调沙及保护河段的防灾减灾作用越明显。     

西沟中桥防洪影响评价

通过对西阜高速公路西沟中桥进行洪水分析,计算桥梁底高程并进行冲淤分析,对工程河段进行了防洪影响评价:桥梁满足100 a一遇防洪标准,建桥造成壅水几乎可以忽略,基本不影响河道行洪形势,也不会对左岸和上游村庄防洪安全产生影响,但会阻断西沟村的对外通道,应采取相应措施.     

黄河下游河道整治中的问题与对策

黄河下游为强烈堆积的冲积性平原河流,自孟津出峡谷后进入平原,水势变缓,河道宽浅散乱,泥沙淤积严重.春秋战国时期,黄河下游两岸就修有堤防约束水流,使大量泥沙淤积在下游河道内,河床不断抬升,成为闻名于世的地上”悬河”.一八五五年改道所形成的黄河下游现河道,上宽下窄,上陡下缓.有“铜头,铁尾,豆腐腰”之称.从1946年算起,人民治黄已近半个世纪,国家投入了大量的人力、物力和财力,筑堤修库,除害兴利,整治河道,开辟分、滞洪区.抗御了1958年花园口22300mVS的大洪水,取得了40余年黄河下游没有发生决 口 的伟大成就.但泥沙淤积河床抬升的速度,不仅没有减缓,反而有增加的趋势;黄河下游的洪水还没有得到有效的控制,随着大堤的不断加高,防洪形势更加严峻.     

地震堰塞湖排险技术与治理保护

“5·12”汶川特大地震形成了上百处堰塞体高度大于10 m,蓄水量大于1.0×105 m3,集雨面积大于20 km2的堰塞湖。根据各类堰塞湖因对下游威胁程度、地质、地貌、水文条件、堰塞体规模和颗粒组成制定相应的排险方案。极高危和高危堰塞湖具有潜在的溃坝风险,必须及时排险。相对稳定的堰塞湖及其所在河道则应治理保护。结合北川唐家山、都江堰枷担湾等堰塞湖排险实例,提出了地震堰塞湖排险技术,包括险情勘查、险情评估、排险方案、施工技术。同时,对灾后堰塞湖观测、治理与保护利用提出了建议。     

Simulation of dam breach development for emergency treatment of the Tangjiashan Quake Lake in China

The Tangjiashan Quake Lake is the largest quake lake triggered by the 5.12 Wenchuan Earthquake that happened on May 12,2008 in China,posing high risk of catastrophic flash flood hazards to downstream human life and properties.A physics-based numerical simulation approach is proposed for real-time prediction of dam breach development of the Tangjiashan Quake Lake in the case of emergency treatment.Bed erosion and lateral development of the dam breach are represented through accounting for the underlying phys...     

唐家山堰塞湖溃坝条件下兰成渝输油管道安全性评价与对策

兰成渝输油管道是我国惟一通向西南地区的成品油管道,供应川渝地区70%以上的成品油,是国家西部大开发的重要动脉,其安全运营十分重要。“5.12”汶川大地震在四川省绵阳市北川县城上游的唐家山形成规模巨大的堰塞湖,一旦溃坝,不仅严重威胁下游城镇、道路等基础设施和人民生命财产的安全,也威胁着输油管道的运行安全。为了确保唐家山堰塞湖泄洪排险过程中输油管道的安全,对堰塞湖可能出现的三种溃坝方案中输油管道涪江穿越断面的冲刷深度进行了计算。根据计算结果,如果发生三分之二溃坝,涪江穿越断面主槽冲刷深度为6m,边滩冲刷深度为4m;如果发生全溃坝,则分别为8m和6m。并对其安全性进行了评价,提出了相应的应急处理措施,确保了兰成渝输油管道安全渡过唐家山泄洪。     

Simulation of dam breach development for emergency treatment of the Tangjiashan Quake Lake in China

The Tangjiashan Quake Lake is the largest quake lake triggered by the 5.12 Wenchuan Earthquake that happened on May 12, 2008 in China, posing high risk of catastrophic flash flood hazards to downstream human life and properties. A physics-based numerical simulation approach is proposed for real-time prediction of dam breach development of the Tangjiashan Quake Lake in the case of emergency treatment. Bed erosion and lateral development of the dam breach are represented through accounting for the underlying physics including selective sediment transport and gravitational collapse. Conceptualized breach erosion model that involves few parameters enables quick calibration based on the monitored hydrological data in emergency analysis where fully geotechnical information about the barrier dam is not available. The process of dam breach development is found to be nonlinear in cascades due to the combined effects of headcutting and bank collapse. The agreement between the simulation results and the observed data shows the applicability of the present approach for emergency analysis of quake lakes. Limitations will arise in the situation where the soil composition of barrier dam is significantly inhomogeneous. Incorporation of circular arc failure for cohesive soil and lateral seepage in bank slope will also enhance its applicability to complex situations.     

Simulation of dam breach development for emergency treatment of the Tangjiashan Quake Lake in China

The Tangjiashan Quake Lake is the largest quake lake triggered by the 5.12 Wenchuan Earthquake that happened on May 12, 2008 in China, posing high risk of catastrophic flash flood hazards to downstream human life and properties. A physics-based numerical simulation approach is proposed for real-time prediction of dam breach development of the Tangjiashan Quake Lake in the case of emergency treatment. Bed erosion and lateral development of the dam breach are represented through accounting for the underlying physics including selective sediment transport and gravitational collapse. Conceptualized breach erosion model that involves few parameters enables quick calibration based on the monitored hydrological data in emergency analysis where fully geotechnical information about the barrier dam is not available. The process of dam breach development is found to be nonlinear in cascades due to the combined effects of headcutting and bank collapse. The agreement between the simulation results and the observed data shows the applicability of the present approach for emergency analysis of quake lakes. Limitations will arise in the situation where the soil composition of barrier dam is significantly inhomogeneous. Incorporation of circular arc failure for cohesive soil and lateral seepage in bank slope will also enhance its applicability to complex situations.

     

小浪底水库运用初期黄河下游河道冲刷模拟计算

采用小浪底水库运用后的1999年11月至2002年10月水沙系列对已建立并运用多年的黄河准二维泥沙数学模型进行验证计算，河床冲淤变化、断面形态调整、洪水演进及洪水位变化、床沙与悬沙交换等各方面的计算结果与实测资料基本吻合。这说明该模型适用于因小浪底水库运用而水沙条件发生重大变化的黄河下游，该模型可在今后小浪底水库运用方式的比选、黄河下游河道治理及下游防洪决策等工作中发挥其模拟和预测的作用。     

北江飞来峡～石角河道洪水演算

根据北江飞来峡～石角河道水力特征,分别用线性模型、非线性模型和具有预见期的洪水演算模型对该河道洪水进行了模拟计算.结果表明:三种演算模型的计算精度大体相当,结果令人满意;三种模型与流域水文模型的有机结合,可以应用于该河段洪水预报作业预报、实时洪水预报系统和防汛决策支持系统.     

基于DEM的堰塞湖1／3溃决模拟及人员撤离方案研究

建立了堰塞湖1／3溃决下,洪水的水流速度、淹没区域及到达时间等模型.根据模型,利用DEM(三维数字高程模型)和MATLAB软件模拟了汶川地震唐家山堰塞湖1／3溃决后的洪水演进情况,设计了“人员撤离紧迫性”的量化方法,拟订了下游人员撤离方案,为部队和政府相关部门撤离群众提供了数据支持.最后对模型的精确性进行了评价,针对地震堰塞湖应急评估中存在的数据不足、时效性较差等问题提出了建议.     

北江下游洪水调度的数值模拟

建立了北江下游一、二维耦合洪水演进数学模型.其中一维模型用于北江下游河道的计算,二维模型用于分洪区的计算,并在1999年实测地形的基础上,根据西江、北江各频率洪水沿程各测站水位资料,对一维模型的糙率系数进行了率定验证,利用率定验证后的模型对洪水在北江下游的演进过程进行了计算,取得了较好的计算结果.最后系统分析了飞来峡水利枢纽、芦苞分洪河道及潖江、大塘围、大旺围、清东围、清西围分蓄洪区在北江下游洪水调度过程中的运用效果.     

河床冲刷粗化特征与粗化程度

根据前人对暴露度和等效粒径研究的成果,选择适合于长江上游典型河段起动及输沙率公式,对各典型河段床沙粗化程度的参数A值进一步确定,通过分析可知,粗化程度A值在时间和空间上都存在变化规律,汛期粗化程度比枯水期小,并且各河段粗化程度上游比下游粗化程度大.粗化程度A值不随粒径的变化而变化,河床糙率n随A值呈线性变化趋势,根据有限的资料进行了拟合,得到一个A值与n值的关系式.