溃坝洪水研究进展

溃坝洪水研究的目的是计算溃决坝址的流量、水位过程线,并向下游作洪水演进得到沿程的流量、流速、水位、波前与洪峰的到达时间,评估下游洪水淹没损失情况,以便于采取措施,降低洪水风险。从溃坝水流理论研究、溃坝问题的试验研究、溃坝模拟及洪水在下游演进这3个方面对溃坝洪水研究进行了综述,回顾和总结了国内外溃坝洪水研究的发展历程、已取得的成果和近些年的进展,提出了将来要研究的重点,并对研究前景进行了展望。目前溃坝理论的数值求解发展迅速,由试验提出了溃坝机理,研究不断模型化;但高强输沙理论未建立,溃口冲刷过程未能准确表达,对梯级溃坝和冰湖溃决洪水研究较少。今后应加强溃坝水流理论研究,开展大尺度、多库溃坝模型试验研究,积极做好梯级溃坝和冰湖溃决洪水模拟,进一步建立快捷可靠的区域溃坝洪水预报系统。     

基于MIKE FLOOD的城区溃坝洪水模拟研究

大坝安全不仅影响工程效益,还影响人民的生命和财产安全,溃坝洪水模拟可以对水库大坝的失事影响做出评估,对制定应急预案和防洪减灾具有重要意义。以深圳市龙华新区民治水库及下游片区为研究对象,基于MIKE FLOOD将MIKE11模型和MIKE21模型进行动态耦合,对溃坝洪水在下游的演进过程进行仿真模拟。模型采用瞬间溃(瞬间部分溃和瞬间全溃)以及逐渐溃两种溃决方式,分别模拟4种工况下的溃口流量过程线以及下游洪水演进过程。结果表明:瞬间溃的洪峰流量较大,出现在溃坝开始时刻,而逐渐溃的洪峰流量相对较小,出现在渗透破坏变形发展至上部坝体坍塌时刻,之后均随库区水位逐渐降低,下泄流量变小,直至库区水体排空。溃坝洪水对上游地区横岭村附近破坏较大,淹没水深较深。民治河中游段居民和商业区附近洪水流速接近5 m/s,对建筑物有一定破坏力,左侧向南村地势较低,淹没情况最为严重,并且在洪水消退后仍有3 m左右积水。民治河下游地区在洪水消退后也有少量积水。     

考虑致灾后果的溃坝洪水风险评估与等级划分

针对溃坝洪水风险受环境-荷载-人多种因素影响的不确定性,将不同洪水要素(水深、流速)联合考虑,分析洪水致灾的危险性。运用HEC-RAS二维水动力学模型和地理信息系统(GIS)空间分析技术,模拟溃坝洪水演进过程,从洪水到达时间、淹没范围等维度分析承载体的暴露度。针对人口分布与地理位置特征,基于人体失稳试验数据的统计规律、建筑物损毁标准进行承灾体脆弱性分析,提出基于灾害系统理论的溃坝洪水风险分析方法和溃坝洪水风险等级划分标准。可用于评估水库大坝失事风险,划分溃坝淹没区人口风险等级,为水库大坝突发事件应急救助和人口转移提供技术支持。     

浯溪口水利枢纽溃坝洪水模拟

浯溪口水利枢纽位于昌江干流中游,是一座以防洪为主的水利工程,其溃坝洪水研究对于下游景德镇市防洪风险管理具有十分重要的意义.应用TELEMAC-2D建立了浯溪口水利枢纽二维溃坝洪水演进数学模型.模型模拟范围以60 m等高线为界,坝址为上游边界,下游出口距坝址62 km.模型采用非结构化三角形网格划分,局部加密.应用昌江河水面线和樟树坑水位流量过程线的实测值对模型合理性进行了验证,模型计算值与实测值基本吻合,说明TELEMAC-2D能较好地模拟河流洪水演进.进而取用不同入库洪水重现期在漫顶溃坝情况下的溃决流量过程作为洪水演进的上游边界条件,模拟计算出不同溃坝流量下浯溪口大坝下游洪水水力特性参数(水深、流量和淹没范围等),为浯溪口溃坝风险图绘制及大坝下游城市防洪管理提供了科学依据.     

滑坡堰塞湖溃坝波影响因素分析

滑坡堰塞湖坝体随着上游水位的不断上升极易失稳。基于流体计算软件Fluent,对水体在重力作用下的塌落及演进过程进行数值模拟,分析溃坝洪水在下游河道传播过程中的影响因素,结果表明:上下游水深比、下游河道坡降及弯曲程度均对溃坝洪水的推进速度、波形及流量产生影响。水深比比较小时,下游洪水推进较快;下游河道坡降越大,洪水推进速度越快,流量越大;下游河道弯曲度≥0.25时,溃坝洪水受影响比较明显,波前传播速度减缓,能量耗散增大。     

Numerical Simulation of Flood Wave Propagation in Two-Dimensions in Densely Populated Urban Areas due to Dam Break

Dams are important structures having many functions such as water supply, flood control, hydroelectric power and recreation. Although dam break failures are very rare events, dams can fail with little warning and the damage at the downstream of the dam due to the flood wave can be catastrophic. During a dam failure, immense volume of water is mobilized at very high speed in a very short time. The momentum of the flood wave can turn to a very destructive impact force in residential areas. Therefore, from risk point of view, understanding the consequences of a possible dam failure is critically important. This study deals with the methodology utilized for predicting the flood wave occurring after the dam break and analyses the propagation of the flood wave downstream of the dam. The methodology used in this study includes creation of bathymetric, DEM and land use maps; routing of the flood wave along the valley using a 1D model; and two dimensional numerical modeling of the propagation and spreading of flood wave for various dam breaching scenarios in two different urban areas. Such a methodology is a vital tool for decision-making process since it takes into account the spatial heterogeneity of the basin parameters to predict flood wave propagation downstream of the dam. Proposed methodology is applied to two dams; Porsuk Dam located in Eski?ehir and Alibey Dam located in Istanbul, Turkey. Both dams are selected based on the fact that they have dense residential areas downstream and such a failure would be disastrous in both cases. Model simulations based on three different dam breaching scenarios showed that maximum flow depth can reach to 5 m at the border of the residential areas both in Eski?ehir and in Istanbul with a maximum flow velocity of 5 m/s and flood waves having 0.3 m height reach to the boundary of the residential area within 1 to 2 h. Flooded area in Eski?ehir was estimated as 127 km², whereas in Istanbul this area was 8.4 km² in total.     

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。     

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。     

黄河宁夏段漫溃堤洪水耦合模型及风险评估

河道持续的高水位和长历时洪水增大了堤防漫溢及溃决的风险,溃堤洪水不确定性强,一旦溃堤,威胁巨大,因此开展溃漫堤洪水风险分析是防洪实时管理的必然要求。使用侧向链接构建了河道及保护区一维-二维耦合模型,综合考虑青铜峡水库的影响,更真实地模拟了黄河宁夏段下河沿至石嘴山河段100年一遇设计洪水下的溃漫堤洪水过程,同时基于GIS平台进行溃漫堤洪水灾情评估得到量化的洪灾损失指标,为经济建设者和洪水管理者制定合理的洪水预案提供参考。     

溃坝水流作用下急弯河道泥沙输移数值模拟

将有限元特征分裂算法(CBS)应用于二维浅水控制方程的求解中,建立了模拟溃坝水流泥沙输移的数学模型。CBS算法在计算对流主导的问题时具有很好的稳定性与较高的精度,适用于处理溃坝水流流速大,水位、床面变化剧烈等问题。应用该模型对90°急弯河道全溃所致的水流运动进行了数值计算,并与试验资料进行了比较,证实了该方法的可靠性。最后用该模型模拟了180°弯道中溃坝水流在缓坡、陡坡时的洪水演进与泥沙输移。结果表明:模型能够较好地模拟溃坝水流运动,模拟结果符合水流泥沙运动规律。     

基于二维溃坝波数值模拟的生命损失估算

通过界面数值通量以及底坡源项的计算求解无碰撞二维Boltzmann方程,建立了二维溃坝波数值模型.以杭州市余杭镇上游某水库为例,模拟了该水库溃坝后溃坝波的演进过程,模拟结果表明溃坝洪水淹没范围很大,距坝约11 km的下游,水深仍可达4.0 m以上.同时,应用通用的溃坝生命损失模型,在获取网格单元上的水力学参数值（包括水深和最大流速）基础上,输入当地的地形、人口等基本数据,估算了水库溃坝对下游造成的生命损失.该方法可用于其他水库的风险管理分析,为相关部门决策提供依据和参考.     

HEC-RAS模型在二维溃坝洪水研究中的应用

为准确模拟大坝失事后溃坝洪水的下游演进,运用HEC-RAS二维水动力学模型,修正面板坝溃口发展曲线,设计两种闸门开度的小井沟面板坝漫顶溃坝工况,模拟水库泄洪影响下溃坝洪水的下游演进并生成相应的洪水风险图、最大流速分布图、滞留时间图。研究结果展现了溃坝洪水在中下游平原丘陵地区的泛滥情况、洪水风险的分布差异以及水库泄洪对溃坝洪水的影响。分析得出不同闸门开度下溃坝洪水在中下游平原丘陵地区的淹没水深和范围差异明显,最大流速和洪水滞留时间区别不大, 说明水库全力泄洪能有效降低溃坝洪水对下游人员聚居的平原地区的危害。研究成果对后续的人员疏散和损失估计具有重要参考意义。     

基于GeoDam-BREACH与Graham法的溃坝生命损失估算

应用GeoDam-BREACH工具包模拟了超标准洪水状况下小井沟水库下游的溃坝洪水演进过程,得到水库溃坝下游淹没范围与淹没区水深分布,然后采用Graham法对溃坝导致的生命损失风险进行分析。分析结果表明,小井沟水库发生漫顶破坏时,溃坝洪水对下游产生严重影响,下游村镇有受淹风险;下游溃坝淹没区域的风险人口死亡率较高,并且随着警报时间的减小而增大,从而得出警报时间和风险人口对溃坝洪水严重性的理解程度是生命损失的重要影响因素、应当加强水库大坝的日常巡查工作和预警系统的结论。研究成果为小井沟水库的防洪调度和应急预案编制提供了有效支持,对于同类水库的防洪和安全管理亦具有参考价值。     

溃坝洪水演进平面二维数学模型初步研究

采用逆风格式的有限差分算法,建立了浅水方程的平面二维溃坝洪水演进数学模型。提出了洪水演进计算中“干湿”边界的处理方法,较好地解决了动边界模拟问题。研制了数学模型后处理模块,实现了溃坝洪水演进过程的动态演示。采用Fraccrollo等的部分溃坝模型试验成果对数学模型进行了检验,除溃坝初期在口门附近的水位存在一定差异外,其他位置验证较好。并将该模型应用于天然干河床的洪水演进计算。     

堰塞湖逐渐溃决洪水模拟及溃口变化影响分析

堰塞湖溃决一般为逐渐溃方式,溃决洪水与溃口变化关系密切。基于MIKE11水动力学模型和谢任之逐渐溃经验公式,开展了雅鲁藏布江堰塞湖典型溃坝方案下的溃坝洪水复演工作。在此基础上,针对溃口演变形式及演变历时差异,探讨其对溃坝洪水的影响。研究表明:MIKE11模型及谢任之经验公式模拟结果相近,假定的2/3溃坝方案成果可作为溃坝洪水计算的安全阈值;溃口演变形式及历时均对溃坝洪水有一定影响,溃口线性变化下形成的洪峰较非线性变化增加约15.3%～19.5%;洪峰与溃口历时存在非线性关系,溃口历时越短,洪峰越大;溃口大小及演变历时受堰塞体土质影响较大。研究成果进一步加深了我们对堰塞湖溃坝洪水的认识,可为堰塞湖抗洪抢险决策提供技术参考。     

基于加权本质无振荡格式的二维溃坝水流数值模拟

将加权本质无振荡WENO(Weighted essentially nonoscillatory)格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于二维浅水控制方程的求解中,建立了模拟大坝瞬间全溃或局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型。应用该模型对一维矩形明渠中大坝瞬间全溃所致的水流运动进行了数值计算,并与理论解进行了比较,证实了方法的可靠性。最后用该模型预测了矩形河道中大坝瞬间局部溃倒时的洪水演进过程,模拟结果与实际相符。算例表明采用WENO格式所建立的高分辨率溃坝模型能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

溃坝洪水数值模拟

在已有溃坝洪水数学模型基础上建立的溃坝洪水计算模型，可对洪水由库尾向坝址的传播过程、溃坝洪水向下游的推进过程、溃坝洪水漫过堤防后在下游城镇内的淹没过程进行水动力学模拟．利用所建立的溃坝洪水计算模型，对某水电站大坝溃坝洪水在拟定的各工况下进行的坝下游洪水预测表明，溃坝历时、水库上游来流量及溃坝时不同的坝前水位是影响该模型计算结果的主要因素．     

Dam-Break Flood Emergency Management System

Natural or induced floods are of increasing concern to watermanagers and civil protection services for three main reasons.Firstly, a continuous and 'unconscious' increase of socialpressure in the flooding valleys amplifies flood vulnerabilitiesand consequently natural or induced flood risk. Secondly, thealarming forecasts of the impact of potential climate changes onwater resources, in spite of the high uncertainty associated tothese forecasts, points out to larger flood hazards. Thirdly,dam-break induced accidents may occur more frequently due toinfrastructure aging.Emergency Planning is a non-structural measure to minimise floodimpacts playing an important role in crisis management. In fact,if a disaster cannot be avoided, individual and social structurepreparedness may be of great help in risk reduction.An Internet-based system that supports flood emergencymanagement is presented in this article. This application is partof a more complete system, developed with the goal of endowingthe Portuguese water authorities, dam owners and the civilprotection system, with adequate tools to store and easilyretrieve information on dams and their downstream valleys, tomodel the flood wave induced by a dam break and, eventually, tomanage the response to flood-induced catastrophes.     

淤地坝淤积对漫顶溃坝洪水影响数值模拟研究

为分析淤地坝淤积高度对漫顶溃坝洪水的影响,选择理想沟道和某小流域内的淤地坝为研究对象,采用耦合溃口演变过程的水动力数值模型,模拟分析了不同淤积程度下淤地坝溃坝洪水过程。研究表明:溃坝洪水流量随淤积高度的增加而减小,且洪峰流量与淤积高度的关系可用二次多项式拟合,相关系数均在0. 99左右,拟合精度较高;淤积高度至坝高20%和40%时,洪峰流量削减率分别达40. 50%和68. 71%,可见在淤地坝运行初期和中期,淤积对洪峰流量的削减效果显著。研究成果对淤地坝系规划及安全度汛有指导意义。     

Experimental study of dam-break flow in cascade reservoirs with steep bottom slope

Dam break can cause a significant disaster in the downstream, especially, in a valley with cascade reservoirs, which would aggravate the disaster extent.The experimental studies of the dam-break flow of cascade reservoirs are few and far between at the present.Most of related studies concern the failure of a single dam..This article presents an experimental study of the characteristics of an instantly filled dam-break flow of cascade reservoirs in a rectangular glass flume with a steep bottom slope.A new method was used to simulate the sudden collapse of the dam.A series of sensors for automatic water-levels were deployed to record the rapid water depth fluctuation.The experimental results show that, the ratio of the initial water depth of the downstream reservoir to that of the upstream reservoir would greatly affect the flood peak water depth in the downstream reservoir area and in the stream channel behind the downstream dam, while the influence of the dam spacing is insignificant.In addition, the comparison between the single reservoir and the cascade reservoirs shows some difference in the dam-break flow pattern and the stage hydrograph at the corresponding gauging points.