梯级大坝溃决洪水渐进增强机制数值模拟

采用一维浅水动力学模型进行梯级大坝溃决洪水的模拟.首先通过水槽实验对模型进行检验,然后将其应用于系列梯级大坝溃决洪水工况的数值模拟.系统考虑了坝高和坝间距对梯级大坝溃决洪水的影响.计算结果表明梯级大坝溃决洪水与单个坝溃决洪水相比,峰值水位显著增加或到达下游断面时间显著提前或两者都有,即显示梯级大坝溃决洪水渐进增强机制.坝高和坝间距会改变溃坝洪水的流量(水位)峰值或传播时间,但不会改变梯级大坝溃决洪水渐进增强机制.研究结果为流域防洪管理和梯级大坝防洪设计提供了理论依据.     

基于物理模型试验的堰塞坝冲刷溃决过程研究

我国是堰塞湖灾害最严重的国家之一,堰塞湖对上游淹没区和下游溃决演进区的人民生命财产安全构成巨大危险,深入掌握堰塞坝冲刷溃决过程可为应急泄流道的设计和下游应急避险措施的制定等提供重要科技依据。本文以2018年金沙江白格滑坡堰塞湖事件为研究背景,采用室内物理模型试验的手段对堰塞坝冲刷溃决过程进行了系统研究。试验结果表明：堰塞坝冲刷溃决过程一般可分为四个阶段：过流孕育阶段、溯源侵蚀阶段、溃坝发展阶段以及河床再平衡阶段,当溯源冲刷的陡坎追溯到上游坡顶,泄流槽进口断面在侵蚀作用下突然拓宽,泄流槽将连通形成底坡i>0的斜坡道,进而导致水流流速和流量突然增大,堰塞坝进入溃决快速发展的阶段。试验进一步探究了泄流槽开挖位置、开挖深度和宽度对溃决过程的影响。研究发现：当泄流槽开挖宽度不变,深度增大时,洪峰流量降低、峰现时间延迟、溃决流量过程线更为平坦;当泄流槽开挖深度不变,随宽度增大峰现时间延迟。最后,对泄流槽的优化设计提出了建议：泄流槽位置宜布置在坝顶高程最低的垭口,以减小洪峰流量,缩短溃决历时;开挖泄流槽时应优先考虑加大泄流槽深度,最大限度地降低溃决时的堰塞湖水位。     

滑坡涌浪诱发冰湖溃决灾害链过程分析与模拟

近年来滑坡诱发冰湖溃决灾害链发生频率日趋增加,对下游居民及工程设施安全造成严重威胁。为定量描述滑坡诱发冰湖溃决灾害链危害,通过系统分析该灾害链的演化过程及阶段特征,将其划分为四个子阶段：滑坡运动、涌浪传播、冰湖溃决、洪水传播;分别研究各子阶段演化的物理机理及关键因子,建立了相应的数学模型与计算方法,如滑坡运动采用Savage-Hutter模型、涌浪及洪水传播采用浅水波方程等;通过确定各子阶段之间的衔接因子,如滑坡运动特征、涌浪传播特征、坝体溃决特征等,实现了各子阶段的过程耦合与数据传递,建立了滑坡-涌浪-冰湖溃决-洪水灾害链的全过程物理模型,最终完成了该灾害链的过程模拟与危险分析。为验证所建立模型与计算方法的可行性,以四川省甘孜藏族自治州雅拉乡木格措冰湖潜在灾害链为案例,结合现场勘查与卫星影像数据,开展不同情境如暴雨或上下游级联溃决等条件下灾害链的过程模拟与危险分析,且将模拟结果与经验公式计算数据进行对比。结果表明,本文所提方法可较好的完成滑坡诱发冰湖溃决灾害链过程模拟,模型模拟数据与经验公式计算数据较为吻合,且考虑暴雨或上下游级联溃决条件时下游洪水流量呈显著增加趋势。本文研究成果提供了一种新的滑坡诱发冰湖溃决灾害链研究思路,对该灾害链的防灾减灾技术具有重要支撑作用。     

钢箱计算失效应变的冲击试验

为研究船桥碰撞有限元分析中钢板的网格尺寸与钢材计算失效应变之间的关系,进行了3个钢箱模型的落锤冲击试验。采用LS-DYNA软件对试验模型进行了有限元建模和碰撞计算,并与试验结果进行了对比。定义了一个相关系数来反映试验结果与计算结果之间的相关性,并据此定义了与网格尺寸相关的计算失效应变合理取值区间。研究结果表明：为得到合理精度的计算结果,钢板的计算失效应变的取值应随钢板网格尺寸变化,使用大的网格尺寸时应采用小的失效应变,使用小的网格尺寸时应采用大的失效应变;将计算失效应变合理取值区间与自适应网格剖分技术结合,可以在保证计算精度的同时,提高计算效率。     

无粘性土堤漫顶溃决溃口区域水力参数变化过程数模研究

结合物理模型试验建立平面二维水流数学模型,采用高分辨率有限体积格式计算漫顶溃堤洪水演进过程,并针对不同时段溃口形态建立三维几何模型进行水力参数变化规律数值模拟.研究结果发现,堤防溃决属溯源冲刷,与流速密切相关;溃决过程外江水位平稳下降,内江水位先上升后逐渐稳定,内外江水位差随溃口展宽逐渐减小;壁面剪切应力及动水压力较大区域集中在溃口内江侧与河底连接处,且随溃决过程逐渐减小.     

金沙江白格堰塞湖溃决过程数值模拟

2018年10月10日和11月3日，在我国四川省与西藏自治区交界处的白格村同一位置连续发生两次滑坡，完全堵塞了金沙江形成堰塞湖。由于“10?10”滑坡形成的堰塞湖水位抬升迅速，堰塞湖于10月12日自然漫顶溃决。“11?03”滑坡堵塞了“10?10”堰塞体溃决形成的流道，形成了更大的堰塞湖，鉴于客观条件允许，采取了开挖泄流槽降低堰塞湖溃决水位的措施，至11月12日，堰塞湖发生漫顶溃决，溃口洪水峰值流量为31000m3/s。由于“11?03”白格堰塞湖溃决案例拥有较为完整的实测资料，为堰塞湖溃决过程的研究提供了宝贵的基础数据。基于堰塞体的溃决机理，建立了可考虑堰塞湖的水动力条件、堰塞体的形态和材料特征的堰塞湖溃决过程数学模型。模型采用宽顶堰公式模拟溃口洪水流量，并根据堰塞湖入湖和溃口流量以及堰塞湖的水位-湖面面积关系曲线确定堰塞湖水位的变化；采用基于水流剪应力和堰塞体材料临界剪应力，并可考虑宽级配堰塞体材料特性的冲蚀公式模拟材料的冲蚀过程；假设溃口在纵向下切和横向展宽过程中坡角保持不变，采用极限平衡法分析溃口在发展过程中发生的边坡失稳；采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟堰塞湖溃决时的水土耦合过程。采用建立的模型对“11?03”白格堰塞湖溃决案例进行反演分析后发现，模型计算获得的溃口流量过程、堰塞湖水位变化过程、溃口发展过程与实测值基本吻合。参数敏感性分析表明，冲蚀系数对溃决过程具有重要的影响，残留坝高通过影响下泄库容也对溃决过程产生作用；另外，开挖泄流槽可降低堰塞湖溃决时的库容，从而对溃口流量过程产生影响，是降低灾害损失的有效手段。     

汽车撞人交通事故车速鉴定及分析

在交通事故鉴定中,为了确定事故车辆的瞬时车速,要在现场及时搜集相关信息。分析汽车撞人事故车速技术鉴定应收集的车速信息,重点运用力学理论计算车速,并进行误差分析,探讨参数取值范围及对车速计算结果的影响。     

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。     

基于经验公式建立的滑坡泥石流坝溃口形式预测模型

为了预测滑坡泥石流坝溃决产生的洪峰流量和最大水深,本文的目标是建立滑坡泥石流坝在自然条件下首次溃决形式的经验公式模型,包括平均宽度bc和残留高Hd两个溃口形式的特征参数,从而为制订防灾减灾方案或应急预案提供科学依据。通过野外考察采集的数据以及溃决特征分析,选取影响滑坡泥石流坝溃口形式的主要因子,分别建立了坝高H、有效坝长B、堰塞湖库容W、坝体鞍部单宽体积V、内摩擦系数tan 以及上限粒径d90共6个因子与溃口形式（即溃口的平均宽度bc和残留高Hd）之间的经验关系公式。最后,将经验预测公式运用到实例进行检验,误差较小。     

间断洪水波高精度数值模拟与应用

基于守恒型浅水二维方程,采用三单元模板的加权本质无震荡(WENO)格式插值界面两侧守恒变量,并采用Roe方法计算界面处数值通量,建立了平面二维溃坝水流数学模型.为使模型总体精度不致因为时间离散而降低,源项采用三阶Runge-Kutta方法进行处理,时间步进采用自适应步长法.验证结果表明数学模型计算结果与精确解基本一致,间断处数值解无明显震荡,具有高分辨率和高精度.数学模型应用于坝体溃决后水流在干河床上运动、河道部分堤防溃决后水流同时在河道以及洪泛区的演进过程以及天然复杂地形条件下实际工程溃堤方案的比选等预测计算.     

溃坝洪水的数学模型应用

根据溃坝洪水传播和运动的特点,采用守恒性较好和能够捕捉间断波的有限体积法,建立了一个包括上游库区洪水演进、溃坝过程和下游淹没影响区洪水演进的溃坝洪水数学模型,并采用经验公式和实验结果分别对溃口流量和二维溃坝洪水传播进行了验证.利用所建立的数学模型对某水库溃坝洪水演进和传播过程进行了模拟计算,溃口流量变化过程、坝上水位变化、溃坝洪水淹没过程和水量守恒等结果分析,表明所建立的溃坝洪水数学模型能较好地模拟洪水从库尾向坝址的传播以及溃坝洪水在下游淹没影响区的演进过程,并且模型计算结果完全能满足水量守恒,可以用于实际工程计算.     

溃坝及洪水演进数值模拟研究

溃坝洪水计算包括溃坝模拟及洪水演进模拟两部分。为避免复杂公式推导及求解,对溃坝模拟,采用简化模型,对二维洪水演进模拟,采用有限体积法进行求解,引入通度系数模拟计算区内部的阻水建筑物。采用GIS技术实现了洪水演进动态演示功能。     

坝体瞬间全溃最大流量通用公式推导

根据圣维南方程组 ,假定河底为水平 ,略去摩阻项 ,推出了在坝体瞬时全溃情况下 ,计算溃坝最大流量的普遍公式 .还指出了自 196 2年以来 ,国内广泛流行的推求溃坝最大流量的波堰流交会法中计算负波流量的公式的错误之处 根据理论推导 ,还发现所纠正的错误公式 ,实质上是所推得的普遍公式的特例     

溃坝洪水演进数值模拟研究

采用基于MacCormack预测——校正技术的隐式数值格式求解控制水流运动的二维浅水方程,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。应用该模型对单宽一维瞬间溃坝的水位、流速进行了数值计算,并与理论解进行了比较;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,并对模拟结果进行了定性分析。算例说明该数学模型对模拟溃坝洪水波很有效。     

水库溃坝洪水预测方法研究及应用

为了研究区域洪水风险、开发区域防洪风险图、预警系统和各种紧急预案,溃坝洪水因其突发性与破坏性极强,对区域可持续发展构成严重威胁,成为防洪研究中的重要内容.为此,提出了将参数模型、物理成因模型和瞬时全溃模型等有机结合来研究溃坝洪水,通过在四川省广安市全民水库的实际应用,结果表明:将以上3种模型有机结果能够提高溃坝洪水预测精度、并且也能确定其可能的变化范围,从而为制定有效的防洪措施或实际运行中是否启动应急预案提供决策依据.     

一维洪水演进数学模型研究及应用

从求解一维对流方程的Holly-Preissmann格式出发,结合有限差分法建立了一维洪水演进数学模型.并根据实验室溃坝实验结果与溃坝理论解对新建模型的计算精度进行了分析,模型计算结果与实验结果及溃坝理论解均十分吻合,表明模型具有相当高的计算精度.最后将模型应用于长江荆江河段洪水演进计算,取得了较好的结果.     

上下游初始水深比对溃坝水流传播的影响

溃坝水流的传播很大程度上受着上下游初始水深比的影响,过去对溃坝洪水的试验研究很少涉及到上下游初始水深比大于0.5时的情形,大部分研究的系列性不足且较少关注洪水波在上游库区中的运动。作者在一个大尺度水槽（长18 m、宽1 m、高1.09 m）中,通过波高仪的测量手段对上下游初始水深比0～0.9范围内的大坝瞬溃洪水进行了大量实验,获取了许多新发现。研究结果表明：当下游无水时,溃坝水流波前区域的水深会出现明显的雍高,波前运动速度也明显低于Ritter解;当上下游初始水深比大于等于0.3时,溃坝水流演进一段时间后,在靠近闸门处会出现以波浪形式向库区演进的额外负波,该负波不同于以往研究中定义的与上游静水区衔接的负波;当上下游初始水深比大于等于0.5时,溃坝水流运动的稳态区会出现明显的波动,水流以波浪形式向下游演进,其中第1个出现的波浪波峰高度最高且在演进的过程中基本维持高度不变,但产生的这些波浪数量有限,波浪演进过后的断面水深会逐渐恢复稳定,且稳定后的水深与Stoker解符合较好。在试验观测到的范围内,同一水深比时,与上游静水区衔接的负波波速在演进的过程中不断降低至稳定值,而第1个出现的额外负波波速不断增加;下游波前的演进速度基本维持不变,而下游第1个出现的波浪波速会增加;另外,随着水深比的增加,第1个出现的额外负波波速变大,而下游第1个出现的波浪波速变小。从两组不同上游水深在同一水深比时各水力要素的对比情况中发现瞬时溃坝水流的运动在湿底情况下依然具有很好的相似性。     

台风暴雨影响区溃坝洪灾淹没损失评估

东南沿海地区受台风暴雨影响易发生山洪、诱发水库溃坝,且水库下游区域往往地势低洼开阔,易积水而出现大面积内涝,对溃坝洪水演进产生一定影响.采用能够考虑下游初始淹没水深的二维洪水演进模型计算溃坝洪水过程,阐述了溃坝洪水数值计算方法、洪水淹没损失分类及损失率确定方法,建立溃坝洪灾淹没损失评估模型.以戍浦江流域为例,确定溃坝洪灾损失率与淹没水深等级关系,对淹没区进行溃坝洪灾淹没损失评估.计算结果表明：水库一旦发生溃坝,洪灾将造成83亿元经济损失,下游社会和生态环境遭到严重破坏,采取有效的预警措施能够显著减少下游的人员伤亡及经济损失.通过溃坝灾害评估,有助于提高水库安全管理水平,为制定防洪避险预案提供支持.     

梯级水库群泄洪设施联合调控研究

洪水灾害是我国最严重的自然灾害之一,水库防洪调度是有效避免或减轻洪水灾害的重要手段。当前水库防洪调度主要是运用优化算法获得水库的优化调度决策方案,鲜有考虑水库泄洪设施的运行控制,往往导致优化调度结果难以付诸实施。鉴于此,本文通过开展梯级水库群泄洪设施运用数字化,构建梯级水库群泄洪设施运用数据库,建立梯级水库群联合防洪调度模型,研究梯级水库群泄洪设施联合调控策略,并以雅砻江下游梯级水库群泄洪设施联合运行为例进行验证。结果表明：优化调度方案充分利用防洪库容调蓄,其泄流量过程比常规调度更加均匀,极大程度的削减了洪峰流量;同时,优化调度方案中梯级水库群泄洪设施变化总次数较常规调度明显减少,泄洪设施组合方案调整的频率明显降低。研究成果对推动梯级水库群防洪优化调度向泄洪设施运行控制的精细化和智能化转变,提升梯级水库群防洪调度管理水平具有重要的理论意义和工程实践价值。