土石坝漫顶破坏溃口发展数值模型研究

我国已溃决土石坝中由于漫顶破坏而造成的比例高达50%以上,因此,开展土石坝漫顶溃决机理和溃口发展过程研究,正确预测溃口流量过程线及溃坝致灾后果很有必要.本文首先根据现场溃坝调查资料和大型溃坝试验结果,研究分析了土石坝的溃决机理和溃决过程,在此基础上提出了一个描述土石坝漫顶破坏溃口发展过程的数值模型.该模型采用高速水流泥沙输移公式来计算溃坝水流对溃口纵横向的连续冲蚀;采用溃口边坡稳定性分析来模拟边坡失稳坍塌所引起的间歇性横向扩展;通过楔块体力的平衡计算来模拟坝体突发性崩塌所引起的溃口增大现象;通过下游坝体冲槽和坝顶溃口流量平衡来建立两者发展过程的相互影响.最后利用该模型计算分析了板桥水库土石坝发生漫顶溃决的溃口发展过程及溃口流量过程线,模拟结果与实测资料基本一致,从而证实了该模型的合理性.     

考虑溃口展宽的溃堤水流泥沙数值模拟

该文在已有平面二维非恒定、非均匀沙不平衡悬移质泥沙数学模型模拟溃堤变化过程的基础上,考虑了溃口横向展宽和崩塌过程的模拟,对堤防溃口稳定性进行分析时,借鉴了Darby提出的分析黏性土河岸稳定性的方法,建立了一种能够模拟堤防溃口展宽和刷深的混合数学模型。通过对概化地形的计算,结果表明该模型能较好地模拟堤防溃口展宽、崩塌、刷深以及溃口附近冲刷坑的发展变化过程,为溃堤后堵口方案的制定提供技术支持。     

平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形,建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程,考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对水流动量的影响;泥沙输移采用不平衡泥沙输移模式。模型数值计算格式采用守恒性较好的有限体积法,单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算,扩散通量采用中心格式,不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验,水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合,分析了动床与定床水面及洪水传播速度的差异。在上述检验的基础上,采用动床模型对某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟,结果表明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用,采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

考虑河岸冲刷的弯曲河道水流及河床变形的数值模拟

本文将正交曲线坐标系下的平面二维水沙数学模型和粘性河岸的冲刷模型结合，用于模拟弯道内的水流运动、悬移质泥沙的输移、河床的纵向及横向变形.用水槽试验资料验证了本文提出的水流模型，结果表明流速分布、水位等计算结果与实测值相当符合.应用建立的水沙数学模型以及河岸冲刷模型，模拟了一概化弯道在持续清水冲刷下的主流线位置、断面形态、主槽比降的变化过程，模拟结果符合弯道演变规律.     

河流水冰沙耦合模型研究Ⅱ：验证与应用

北方河流冬季河冰运动会带来凌汛灾害威胁,研究流凌运动对水流、泥沙和河道的影响具有重要工程意义。本文在平面二维河冰动力学模型基础上,建立二维水冰沙耦合数值模型。基于三角形的非结构网格,采用具有迎风特性的Petrov-Galerkin型有限元法计算非恒定水流过程、非恒定非均匀沙输运和河床冲淤变化,利用无网格的SPH法计算河冰运动,基于河冰对岸滩的刮擦切应力计算岸坡侵蚀,再利用双泥沙休止角法分析不同含水层岸坡的稳定坡面。该模型创新性地耦合水沙理论和河冰理论,能模拟北方河流全季节及河冰全过程的水位流量波动、河冰运动、泥沙输移、河床冲淤及岸滩崩塌过程。通过实验条件下溃坝引起的岸坡崩塌侵蚀验证了模型的准确性和可靠性,研究结果显示该模型能再现水流、河冰、泥沙、河床及河岸间的复杂耦合作用,揭示河冰刮擦对岸滩侵蚀破坏的促进机理,可进一步支撑冬季河道防凌减灾和岸滩水土保持研究。     

平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形，建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程，考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对动量的影响；泥沙输移采用不平衡泥沙对流扩散方程描述。模型数值计算格式采用有限体积法，单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算，扩散通量采用中心格式，不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验，水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合。在上述检验的基础上，分别采用动床及定床模型对浙江省某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟，结果表明动床下的溃坝洪水的传播速度快于定床，动床与定床的水位、流速差异很大，这说明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用，采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进,但溃坝水流经常是在动床条件下演进.因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程.本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型.该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成,采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有...     

基于三角形网格的浅水间断流动泥沙输移数值模拟

浅水间断流动条件下泥沙输移具有广阔的工程应用背景.采用基于准确Riemann解的Godunov格式求解法向数值通量,应用干底Riemann解计算动边界问题,建立了基于无结构三角形网格空间二阶精度的二维水流和泥沙输移有限体积法数值模型.模型在纯对流问题检验的基础上,模拟了孤立波在滩面上传播变形以及对圆柱周围的局部冲刷,复演了孤立波变形后流场和泥沙场突变的过程,并且圆柱周围局部冲刷坑计算结果与实验基本吻合.     

长江中游分汊型河道二维水沙数值模拟

针对长江分汊型河道边界复杂的特点,建立了基于多连通域贴体正交曲线坐标系下的二维水沙数学模型.模型采用有限差分法离散平面二维水流运动方程和泥沙输运方程,通过非恒定流多个时间步逼近模拟恒定流的方法,模拟了多分汊河段的水位、流速场及泥沙场.将所建模型初步应用于长江中游典型分汊河段--窑监河段的水沙过程模拟,结果表明模型能较好地模拟分汊河道的水沙运动规律.     

珠江河口区水环境整体数学模型研究

根据珠江河口区的特点，建立了珠江河口区水流，泥沙及含氟度的整体联解数学模型，探讨了联解的计算模式；利用珠江三角洲和河口区水流泥沙、含氟度连续条件，把珠江三角洲网河区一维水沙、含氟度输移数学模型和河口区二维水沙、含氟度输移数学模型进行联解。同时采用最新的地形资料并选用洪、中、枯水及大、中、小潮等多种水文组合条件对该模型进行分区验证和整体验证，模型验证成果满足精度要求。     

NUMERICAL SIMULATION OF BED DEFORMATION IN DIKE BURST

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＲｉｖｅｒｓａｒｅｏｆｔｅｎａｔｔａｃｋｅｄｂｙｌａｒｇｅｆｌｏｏｄ .Ｗｈｅｎｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｉｎｒｉｖｅｒｉｓｖｅｒｙｈｉｇｈ ,ｗｅａｋｅｒｐａｒｔｓｏｆａｄｉｋｅｗｉｌｌｂｅｄｅｓｔｒｏｙｅｄ .Ｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｅｄｌａｎｄａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｉｌｌｂｅｓｕｂｍｅｒｇｅｄ .Ｓｏ ,ｉｔｉｓｏｆｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌｓｉｇｎｉｆｉ ｃａｎｃｅｆｏｒｄｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｋｅｒｓｏｆｆｌｏｏｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇｔｏｅｘａｃｔｌｙｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅ…     

Numerical simulation of flow and bed morphology in the case of dam break floods with vegetation effect

The purpose of this study is to establish a depth-averaged 2-D hydrodynamic and sediment transport model for the dambreak flows with vegetation effect. The generalized shallow water equations are solved using an explicit finite volume method with unstructured quadtree rectangular grid, and in the hydrodynamic model, a Harten-Lax-Van Leer(HLL) approximate Riemann solver is used to calculate the intercell flux for capturing the dry-to-wet moving boundary. The sediment transport and bed variation equations in a coupled fashion are calculated by including the bed variation and the variable flow density in the flow continuity and momentum equations. The drag force of vegetation is modeled as the sink terms in the momentum equations. The developed model is tested against lab experiments of the dam-break flows over a fix bed and a movable bed in vegetated and non-vegetated channels. The results are compared with experimental data, and good agreement is obtained. It is shown that the reduced velocity under vegetated conditions leads to a decrease of the peak discharge and a rise of the water level of rivers and also an enhancement of the sediment deposition.     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进,但溃坝水流经常可在动床条件下演进。因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程。本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型。该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成,采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有限体积法离散。同时利用Roe-MUSCL方法以及时间方向的预测-校正格式,使模型在时空方向具有二阶计算精度。然后采用已有算例及水槽试验资料对模型进行了初步验证。最后采用该模型研究了均匀沙及非均匀沙床面对典型溃坝水流演进的影响。模拟结果表明溃坝水流在定床及动床条件下的演进过程明显不同。溃坝水流因流速大,床面变形较快,且床面冲淤速率可与水流变化速率相当,故需要采用浑水控制方程及耦合解法。     

1-D coupled non-equilibrium sediment transport modeling for unsteady flows in the discontinuous Galerkin framework

A high-resolution,1-D numerical model has been developed in the discontinuous Galerkin framework to simulate 1-D flow behavior,sediment transport,and morphological evaluation under unsteady flow conditions.The flow and sediment concentration variables are computed based on the one-dimensional shallow water flow equations,while empirical equations are used for entrainment and deposition processes.The sediment transport model includes the bed load and suspended load components.New formulations for Harten-Lax-van Leer(HLL) and Harten-Lax-van Contact(HLLC) are presented for shallow water flow equations that include the bed load and suspended load fluxes.The computational results for the flow and morphological changes after two dam break events are compared with the physical model tests.Results show that the modified HLL and HLLC formulations are robust and can accurately predict morphological changes in highly unsteady flows.     

非恒定流清水冲刷输沙规律初步研究

通过波动水流及定常流量的清水冲刷水槽试验,对非恒定流输沙特性进行了研究。分析了洪峰过程中,涨、落水流速、比降、输沙率的变化特性及影响输沙率的主要因素;揭示了加速流和减速流的输沙滞后效应;提出了洪峰输沙量的估算方法以及与洪峰流量输沙等效的当量流量。对人造洪峰设计,河床变形分析计算以及河工模型设计等有一定参考意义。     

Development and Calibration of a Fine-Grained Sediment Transport Model for the Buffalo River

A numerical model of the transport and fate of sediments in the Buffalo River (New York) was developed. The model framework consists of two-dimensional, vertically-integrated, time-dependent hydrodynamic and transport sub-models coupled with a three-dimensional, time-dependent sub-model of the sediment bed and its properties. The three-dimensional sediment bed model was necessary to accurately model bed properties that vary both spatially and temporally. Sediment settling speeds, resuspension parameters, and bed properties required by the model were directly measured or estimated from laboratory and field tests. Measured flow rates and suspended solids concentrations were used to estimate model loads. Numerical simulations of the Buffalo River were conducted to predict sediment transport over five time periods varying from three to six months in duration. Predicted sediment deposition and erosion patterns were compared to field measurements taken at seven transects across the river at the beginning and end of each time period simulated. The model successfully predicted sediment transport for the range of environmental conditions observed during the study period. An accurate sediment transport model is an important tool in, for instance, evaluating the remediation of in-place pollutants.     

丁坝坝头冲淤的三维数值模拟

本文对洪水条件丁坝近体的局部冲淤进行了三维数值模拟。开发了与全三维紊流模型连接计算的泥沙模型。泥沙推移质的计算考虑了床面坡度对推移质输沙率和临界启动剪切力的综合影响。模型经丁坝淹没绕流实验的充分验证。结果详尽讨论了局部冲刷随时间的动态变化过程和动平衡下的河床平面形态特征。     

挟沙水流的冲刷率及河床惯性的研究

在清水水流河床冲刷率的实验研究基础上，本文进一步研究了挟涉水流来沙率对冲刷率的影响。结果说明挟抄水流的冲刷率随来沙率与水流输沙力欠饱和度之比以负指数律降低。当来水挟抄率与水流饱和输抄率相等时，冲刷率降刊0。河床惯性是河床在非恒定流中一种重要的动力学性质。利用河床惯性与冲刷率的关系测量了各种沙样的河床惯性值。发现河床惯性随床沙颗粒分选系数增大而增大，分选系数很大时趋近于极限值50t／Tn0。利用河床惯性和河床变形方程得出了冲刷过程中水流输沙率沿程和随时间的变化规律，结果说明水流输沙率欠饱和度向下游以负指数律下降，这与冲刷率随实际水流挟沙率与欠饱和度之比以指数率下降的规律有耜同意义。河床惯性愈大，实际水流输沙率增长得愈慢。河床惯性与于容重及摩阻流速之比构成的无困次数A。代表河床变形和水流实际挟沙量对水流挟沙力变化的响应程度。