（水工结构工程专业论文）土坝溃坝数值模型和溃坝洪水演进研究.pdf

土坝溃坝数值模型及溃坝洪水演进研究 摘要 水库大坝的安全是水工建筑物设计和管理的核心问题 而安全和经济是相互制约 相互依存的 水库的防洪设计标准和稳定安全系数的大小 通常由其效益大小和失事后 的影响大小等因素来决定 而失事后的影响大小等因素则通过对溃坝的分析计算得出 溃坝模型对溃坝过程进行模拟 预测溃口发展及溃坝洪水过程线 对于大坝失事后果 的评估 防洪减灾以及保护人民生命财产安全等具有重要意义 溃坝的研究内容主要包括 溃口的研究分析和演进过程的研究 本文首先介绍了引起溃坝的原因和几种主要的溃决模式 综合运用水力学 水动力 学 挟沙动力学和土力学等 详细介绍了土坝逐渐溃坝的溃口的形成和扩展机理 建立 土坝溃口发展过程的数值模型 模拟土坝溃口的发展过程和溃口洪水流量过程线 然后 把此模型应用到澄碧河水库工程中 利用灰关联度计算模型分析影响溃口流量的因素 根据关联度的大小判断溃口流量主要的影响因子 渍坝洪水演进模型是建立在对分子运动的b g k 波尔兹曼方程的积分基础上的 在该 模型的建立中没有假定水流必须为连续流 所以非常适合模拟溃坝波水流问题 该模型 先对分子运动进行研究 然后利用波尔兹曼平衡分布函数q 与宏观变量关系式 二维情 况下碰撞函数相容条件得出宏观状态下的水深和动量 采用有限体积法对所建二维数学 模型的计算精度进行系统验证 大坝溃决的速度和程度很大程度上决定了溃坝洪水波的 大小及其传播速度 继而对下游受灾程度和范围产生巨大影响 关键词 溃坝溃口发展过程数值模拟灰关联度分析洪水演进 e a r t hd a m b r e a kdigit a lslm u l a t10 nm o d e l a n ds t u d yo fd a m b r e a kf l o o df l o w a b s t r a c t d a ms a f e t yi st h et h ec o r eo ft h ep r o b l e mi nd e s i g na n dm a n a g e m e n to fh y d r a u l i c s t r u c t u r e s a n ds e c u r i t ya n de c o n o m i cc o n s t r a i n t sa r ci n t e r r e l a t e da n di n t e r d e p e n d e n t f l o o dd e s i g nc r i t e r i ao fr e s e r v o i r sa n dt h et h es i z eo fs t a b i l i t ys a f e t yf a c t o r a r eu s u a l l y d e c i d e db yt h es i z eo fi t se f f e c t i v e n e s sa n dt h ei m p a c ta f t e rt h ec r a s ha n do t h e rf a c t o r s w h i l e t h el a t t e rg e t st h r o u g ht h ea n a l y s i so fd a m b r e a kc a l c u l a t i o n s b e c a u s eo ft h ec a p a b i l i t yf o r d a mb r e a kp r o c e s ss i m u l a t i o na n df l o o dh y d r o g r a p hp r e d i c t i o n ad a mb r e a km o d e li so f t r e m e n d o u si m p o r t a n c et ot h ed a m a g ea s s e s s m e n t d i s a s t e rc o n t r o la n dr e d u c t i o n a n dp e o p l e p r o t e c t i o n d a m b r e a ks t u d ym a i n l yc o n s i s t so cb u r s to ft h er e s e a r c ha n df l o o df l o wp r o c e s s a n a l y s i s t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ec a u s e sa n dc a u s i n gd a m b r e a ko fs e v e r a lm a jo ro m b u r s t m o d e l s c o m p r e h e n s i v l yu s eo fh y d r a u l i c s w a t e rd y n a m i c s s e d i m e n td y n a m i c sa n ds o i l m e c h a n i c s e t c d e t a i li n f o r m a t i o no nt h eb u r s to ft h ee a r t hg r a d u a l l yb r e a ka n de x p a n s i o no f t h em e c h a n i s m e s t a b l i s ht h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ee a r t hb u r s tn u m e r i c a lm o d e l a n d s i m u l a t ed a mb r e a kp r o c e s sa n df l o o dh y d r o g r a p hp r e d i c t i o n t h i sm o d e li sa p p l i e dt ot h e c h e n g b ir e s e r v o i rp r o j e c t t oc a l c u l a t et h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h eb u r s to ft h ef l o wu s i n gg r a y c o r r e l a t i o na n a l y s i s a n da c c o r d i n gt ot h es i z eo fc o r r e l a t i o nt od e t e r m i n et h ei m p a c to fb u r s t o ft h ef l o wo ft h em a i nf a c t o r d a m b r e a kf l o o df l o wm o d e li sb a s e do ni n t e g r a lt h eb g ke q u a t i o n t h em o d e ld o n t a s s u m et h a tt h ef l o wm u s tb ec o n t i n u o u sf l o w s oi t sv e r ys u i t a b l ef o rt h ef l o ws i m u l a t i o no f d a m b r e a kw a v ep r o b l e m t h em o d e lf i r s t l yr e s e a r c ho nm o l e c u l a rm o t i o n a n dt h e nu s et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nb g kb a l a n c e d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n q t y p ea n dm a c r ov a r i a b l e s t w o d i m e n s i o n a lc a s eo ft h ec o l l i s i o nf u n c t i o nu n d e rt h ec o m p a t i b l ec o n d i t i o n st og e tt h et h e i i m a c r ow a t e rd e p t ha n dm o m e n t u m a c c o r d i n gt of i n i e t ev o l u m em e t h o d i th a sb e e na n a l y z e d t h ep r e c i s i o no ft w o d i m e n s i o n a lm o d e la n dt h ee x a c tr e s o l v i n go fi n s t a n t a n e o u s l yb r e a k i n g d a m t h em a g n i t u d ea n de x t e n to fd a m a g ec a u s e db yad a mb r e a kt ot h ed o w n s t r e a ma r e a d e p e n d sh e a v i l yo nt h ed a mb r e a k i n gr a t ea n dd e g r e e w h i c hd e t e r m i n e st h ef l o wd i s c h a r g e t h r o u g ht h eb r e a c ha n di t ss p r e a d i n gs p e e di nt h ed o w n s t r e a mv a l l e y k e y w o r d s d a m b r e a k d e v e l o p m e n tp r o c e s sb r e a c ho fd a m b r e a k d i g i t a l s i m u l a t i o n g r a yc o r r e l a t i o na n a l y s i s f l o o df l o w i i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是在导师指导下完成的 研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有 本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容 除已注明部分外 论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果 也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容 对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体 均已在论文中明确说明并致谢 论文作者签名 名巾诹i 虬泐7 年6 月印日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 即 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 请选择发行时间 口即时发布口解密后发布 保密论文需注明 并在解密后遵守此规定 论文作者签名 局 双l 钆导师签名 泓b 2 0 0 96 月2 0 日 广西大学硕士掌位论文土坝溃坝数值模型和期t 坝洪水演进研究 第一章绪论 1 1 问题的提出与研究的意义 溃坝洪水是一种低概率 高风险的社会致灾因素 所以大坝的潜在安全问题对人类 生命和财产带来了巨大的威胁 尤其是高坝水库 一旦失事其危害十分巨大 随着人口 的迅速增长和城市化进程的加快 低概率 高风险的溃坝灾害因素越来越引起人们的关 注 我国有各类水库大坝8 5 万多座 其中库容超过1 亿m 3 的大型水库就有4 0 0 多座 这些大坝一旦发生溃坝对下游地区的影响是毁灭性的 坝体一旦溃决 对大坝上 下游 影响很大 在大坝上游 因大量水体突然下泄 使库内水位 尤其坝前水位 陡降 易造成 库岸失稳 出现坍岸 而坍岸造成的涌浪又会加剧对坝体的冲击 溃坝的主要危害还在大 坝下游 因库内大量水体突然下泄 形成溃坝涌波 下泄的洪流巨浪如排山倒海 所到之 处荡尽一切 造成极重灾害 溃坝洪水的洪峰流量 运动速度 破坏力远远大于一般暴雨洪水或融雪洪水 其破 坏能力与库蓄水体 坝前上游水深 水头 溃决过程及坝址下游河道的两岸地形有密切 关系 坝前库蓄水体越大 坝址水头越高 破坏力也越大 溃坝洪水造成的灾害往往是 毁灭性的 例如1 9 3 3 年岷江上游迭溪地震 坍塌的石方堵塞岷江达4 5 d 天 使上游 出现深约l o o m 的湖泊 其后挡水体部分溃决 水体突然泄放 冲去灌县的一条街 使 流经成都平原的岷江金马河段改道 1 9 7 5 年8 月淮河上游大水 冲毁板桥 石漫滩两座 大型水库 淹地1 5 0 0 万亩 冲毁京广铁路8 2 k m 中断运输1 8 d 又如1 9 7 6 年6 月5 日 美国的蒂蹲土坝 在首次蓄水时由于坝的右侧底部发生管涌导致溃决 使库内3 0 3 亿m 3 水体突然下泄 淹没坝下游7 8 0 k m 2 其中耕地6 0 万亩 洪水摧毁爱达荷州的雷 克斯堡和休格两座城镇 死亡1 4 人 2 5 0 0 0 人无家可归 损毁铁路5 1 k m 损失1 0 亿美 元 2 0 0 8 年5 月1 2 日四川汶川特大地震 造成 l l l 部分地区被堰塞湖水淹没 地震形 成了大面积堰塞湖泊 四川汶川特大地震造成3 4 处堰塞湖危险地带 唐家山堰塞湖是 汶川大地震后形成的最大堰塞湖 地震后山体滑坡 阻塞河道形成的唐家坝堰塞湖位于 涧河上游距北川县城约6 公里处 是 l i i 灾区面积最大 危险最大的一个堰塞湖 库容 为1 亿立方米 体顺河长约8 0 3 米 横河最大宽约6 1 1 米 顶部面积约3 0 万平方米 由石头和山坡风化土组成 截至2 1 日1 7 时 库内水位为7 1 6 0 1 米 比2 0 日上涨了2 5 5 广 目大掌硕士学位论文土坝溃坝数值模型和渍坝洪水演进研究 米 相应容积为0 9 7 7 亿立方米 上下游水头差为5 2 米 严重威胁下游居民 灾区形 成的堰塞湖 一旦决口后果严重 伴随次生灾害的不断发生 堰塞湖的水位可能会迅速 上升 随时可发生重大洪灾 堰塞湖一旦决口会对下游形成洪峰 破坏性不亚于灾害的 破坏力 1 9 6 3 年9 月9 日2 2 时4 0 分 意大利北部的v a j o n t 拱坝在竣工3 年之后 一块 2 6 8 x 1 0 6 m 3 的滑坡体在2 0 3 0 s 内滑入水库 该坝是当时世界上高度第二的坝 滑坡体 造成5 0 x 1 0 6 m 3 巨大水体涌出 波浪上升到2 5 0 m 高度之后 冲向坝下游2 k m 处的 l o n g a r o n e 村 淹没了水库山坡上的e r t o 镇与c a s s o 镇 导致大约2 0 0 0 人死亡 仅 l o n g a r o n e 村就有1 2 6 9 人丧生 其伤亡率约为9 4 意大利北部s t a v a 尾矿坝 于1 9 8 5 年7 月1 9 日1 2 时2 0 分溃决 造成坝下游l k m 处的s t a v a 社区约9 0 的风险人口 3 0 0 人 伤亡 美国也发生过较多的大坝溃决 提供的大坝溃决的数据较为详细 2 0 世纪8 0 年代 中期 美国约有坝高超过1 5 m 的大坝5 4 5 9 座 坝高超过7 6 m 的大坝多达7 1 0 0 0 座 1 9 6 0 1 9 9 8 年 美国由于大坝溃决造成的伤亡人数超过3 0 0 人 1 9 8 5 年下半年至1 9 9 4 年下半年 美国发生的大坝溃决次数超过4 0 0 次 仅造成6 人死亡 这些溃坝事件中 大多数是小型坝 许多坝无人管理 9 0 以上的小坝溃决并没有造成人员伤亡 所有溃 决事件中 漫坝是最主要的一种溃坝模式 所占比例为5 0 2 坝体质量问题引起的溃 坝事件占3 4 8 管理和其他形式引起的溃坝占1 5 根据国际大坝委员会的大坝登记 除中国外 全世界超过1 5 m 的大坝不完全统计己超过1 4 0 0 0 座 低于1 5 m 的大坝还有 很多 表1 1 中给出世界上重大溃坝事件和死亡人数 我国在过去的5 0 年内发生过很多次溃坝事件 根据1 9 5 4 一2 0 0 0 年的统计资料显示 我国已发生的溃坝 大型水库2 座 中型水库1 2 4 座 小 1 型水库6 6 8 座 小 2 座水库2 6 6 8 座 总计3 4 6 2 座 失事率为3 4 2 座大型水库是1 9 7 5 年河南 7 5 8 洪水中溃决的板桥和石漫滩水库 溃坝洪峰流量分别达到了7 8 1 0 0 m 3 s 和2 0 0 0 0 m 3 s 水库溃坝会导致下游居民伤亡 财产损失 还会破坏文化与历史名胜和自然生态环境 给 居民带来无法消除的精神痛苦和不良社会影响 大坝溃决的后果 即使是小型水库溃坝 也将会影响到成百上千人的生命安全 随着我国社会经济的快速发展 水库大坝的安全 与公共安全息息相关 公众也越来越关注大坝安全和溃坝后果 2 广西大学硕士学位论文土坝溃坝数值模型和溃坝洪水演进研究 表1 1世界上重大溃坝事件和死亡人数统计 t a b 1 1t h ew o r l d sm a j o rd a m b r e a ke v e n t sa n dd e a t h ss t a t i s t i c s 溃决时间坝高库容溃坝流量 大坝国家坝型死亡人数 年 m x 1 0 8 m 3 m 3 s s o u t hf o r k 美国 1 8 8 9 土石坝 1 9 00 32 2 0 9 s t f r a n c i s美国1 9 2 8重力坝 6 2 5 0 51 4 2 0 02 3 6 m o h n e德国1 9 4 3重力坝4 0 01 3 48 8 0 01 2 0 0 m a l p a s s e t法国 1 9 5 9 拱坝 6 6 5o 1 54 2 1 v a j o n t 意大利 1 9 6 3 拱坝 2 6 2 01 6 9 漫坝 2 0 0 0 t e t o n美国1 9 7 6土石坝9 3 o3 0 81 4 m a c h h ui i 印度 1 9 7 9土石坝4 3 31 0 l9 2 0 33 0 0 0 b u f f a l o c r e a k美国1 9 7 2尾矿坝1 4 00 4 9 81 2 5 虽经过多年治理 我国目前仍有3 万多座水库病险严重 已成为威胁人民生命财产 安全的重大隐患 尤其是 全国有9 7 的小型水库缺少必要的雨水测报和通信预警等设 施 一旦发生险情很难及时通知下游群众撤离避险 中 小型水库安全问题已成为当前 全国防汛工作的一个薄弱环节 因此 研究大坝溃坝问题 探讨水库溃坝风险对于制定地区应急预案 加强区域防 洪减灾对全人类都是十分必要的 建库前有必要预测溃坝影响 建库后更需多方面注意 保证大坝安全 采取一切措施防止溃坝 预测水库溃决对下游造成的影响 为水库下游 地区经济发展规划及编制切实可行的防洪减灾预案 提供必要的决策依据 显得十分迫 切 溃坝洪水是危害特大的灾害性现象 重大溃坝的发生每每造成坝下游几十里甚至 上百里范围社会经济和交通运输的严重破坏 导致生命财产的重大损失 在梯级水库中 广西大掌硕士学位论文土坝溃坝数值模型和溃坝洪水演进研究 如果因上游溃坝而导致 连锁反应 后果将更严重 因此 对于重要的水库大坝 各 国都重视事先预防和一旦发生溃坝时的自动报警和救防系统 诸如设置副坝和安全泄洪 道 战争和地震预兆期降低库蓄水位 大坝的定期养护检查 设置汛期专人监控哨 以 及具有抗破坏的 高保险的通讯和报警系统 拟定灾害发生时各地段的人员物资遣避计 划等 1 2 溃坝洪水研究的国内外研究现状 自人类开始建设水库大坝以来 特别是在2 0 世纪中期以来开始的现代化的大坝建 设高潮期 世界各国对大坝的安全问题都给予了高度的重视 在研究溃坝洪水可能对下 游带来的危险的同时 也在采取积极主动的防范措施 2 0 世纪末 欧美国家的大坝建 设与管理部门再一次把大坝安全问题的研究提到议事议程上 将大坝设计 管理与研究 部门与机构组织起来 在对以往溃坝研究方法 经验与成果进行总体回顾与评价的基础 上 提出了近期和中长期关于溃坝的研究重点规划建议 并开展了溃坝及其风险评价研 究 其目的为指导大坝的除险加固及大坝的改扩建工作 通过进行溃坝风险评估及应急 管理措施的建立 提高国家大坝的安全 另外更加深入地开展溃坝机理的研究 1 2 1 国外方面 1 8 7 1 年圣维南提出的明渠非恒定流控制方程组 圣维南方程组 为溃坝问题的水 力学分析奠定了理论基础 1 8 9 2 年r i t t e r 假定下游无水 在平底无阻力矩形棱柱体河槽的情况下 推出溃坝坝 址瞬间全溃峰顶流量的一个计算公式 1 9 3 8 年赫里斯佳诺维奇为了克服r i t t e r 仅能用于矩形和下游无水的局限 将棱柱体 河槽概化为抛物线型 假定在下游有水 用间断波理论推导了计算公式 但不能用于下 游无水或水深很小的情况 19 4 9 年和19 5 7 年s t o k e r 在c o u r a n t 和f r i e d e r i c h 的研究成果基础上 忽略河床起伏 和摩阻作用 将坝址流态分为连续波流 临界流 不连续波流3 种流态 将r i t t e r 解扩 展到下游有水的情形瞳1 1 9 5 1 年f r a n k 在自由出流和不考虑横向流速的情况下 利用r i t t e r 的瞬问全溃解 联合水量平衡方程 推导出计算公式 1 9 5 6 年克里斯基与曼开里提出洪水演进近似公式洪峰展平公式 1 9 6 7 年美国l e e n d e r t s e 首次将交替方向隐差分格式应用于模拟二维潮汐水流 并 4 广西大掌硕士学位论文土坝溃坝数值模型和溃坝洪水演进研究 很快得到推广 后来 有人应用苏联y h e n k o 等人的分裂法 从按空间坐标分裂到按物 理机制分裂控制方程组 这些算法缺陷是受网格密度的限制 对平面水体的周边形状逼 近较差 且对边界条件的实现困难或不准确 1 9 7 0 年s u 对不同断面明渠采用d r e s s l e r 的摄动解求解 分别给出了矩形 三角形 抛物线形断面明渠考虑摩阻作用时水面曲线和平均速度分布的一阶摄动解b 1 1 9 7 1 年m c d o n a l d 应用有限体积法求解二维欧拉方程 1 9 7 2 年p a t a n k e r 等用于平面不可压流数值模拟 形成了矩形网格上的s i m p l e 类 隐式算法 1 9 8 0 年c h e n 等研究了考虑摩阻作用时有限长水库的溃坝问题h 1 1 9 8 2 年和1 9 8 4 年h u i l t 将溃坝波近似地看作运动波来研究倾斜河床的溃坝问题啼l l 7 1 9 8 5 年美国天气局f r e a d 提出了土坝侵蚀模型 b r e a c h 计算方法阳1 1 9 9 4 年z h a odh 等采用o s h e r 格式的有限体积法并以非结构三角形或四边形网格 建立二维非恒定流模型 并应用于f l o r i d a 的k i s s i m m e e 河流域的水流模拟 19 9 9 年p r o n c e 等应用无量纲参数分析了溃坝波的演进特征 近年来 欧美的一些专家在对大量溃坝模型试验和原型观测取得的数据进行分析的 基础上 提出了一种全新的土石坝漫顶溃坝机理 陡坎冲刷机理 s u 口1 利用扰动系列研究倾斜底坡的溃坝问题 得到逆行波峰达到上游边界的有效时 间的近似解 h 吼t 畸l 障ln 1 对陡坡河床下游洪水波覆盖的有效距离接近坝址以上4 倍水库 长度的地区给出了一个适用于海洋深处的水流近似解 1 2 2 国内方面 1 9 8 0 年林秉南等对于平底无阻力有限长度库区的情况 用特征线 镜子映像法 速 矢端线变换法和勒让德函数推导出一个近似解 1 9 8 2 年陆吉康n 们等利用特征理论和黎曼方法研究了抛物形断面倾斜明渠考虑摩阻 作用的瞬时全溃问题的解析解 19 8 4 年谢任之利用分离变量法获得了有限长棱柱体水库溃坝波b e s s e l 方程形式解 1 1 o 1 9 9 5 年胡四一将逆风概念引入到非结构网格单元 并提出o s h e r 格式有限体积法 从而获得了跨单元界面法向数值通量的逆风分解 并用该格式模拟了长江口二维浅水流 广西大学硕士学位论文土坝溃坝数值模型和溃坝洪水演进研究 动 但是 在实际工程运用中 地形 摩阻系数的处理 参数的率定 一 二维格式的 嵌套接口问题等仍影响着有限体积法的应用 1 2 3 1 9 9 6 年王船海等运用直线坐标系下非均匀网格的有限体积法将流域径流概化为调 蓄单元的零维模型 河道水流的一维模型 洪泛区的二维模型 对流域的溃坝洪水进行 模拟 1 9 9 6 年胡四一 谭维炎等借鉴了空气动力学的某些概念和计算方法 并比较 s a i n t v e n a n t 方程组与空气动力学中的不可压缩气体无粘运动方程组在数学和物理意义 上相类似以及两者之间的差别 发展了一系列高性能 适合非恒定流 溃坝流 模拟的有 限体积法计算格式n 引 1 9 9 6 年谭维炎等用有限体积法对长江中下游及洞庭湖防洪系统进行了洪水演进模 拟 1 9 9 9 年伍超n 司用组合参数的分离变量法 定义梯形溃口断面形状的组合参数 建 立了一个新的溃坝模型 该模型能较真实的反映溃口复杂的水力特性 2 0 0 0 年万俊 陈惠源等对水库汛期蓄水运用提出了3 类非期望事件分别为 上游库 区淹没 下游遭受洪灾及威胁大坝安全作为 并对它们分别作风险损失 为选择合理的 拦蓄水位方案提供了依据n 6 l 姜树海在对河道水面线过程的推求中 引入随机初值条件 随机系数和随机作用项 用随机微分方程对河道行洪进行风险分析 范子武对蓄 滞洪区的洪水演进做了数值模 拟n 引 2 0 0 5 年邓家泉n 明 1 9 l 啪1 等提出一种新的以描述分子运动的b g k 波尔兹曼方程为基 础的水流数值模拟方法 这种数值模型能够精确 稳定地模拟溃坝波问题 1 2 3 研究现状综述 溃坝波的数值计算始于对数值图解和微波运动分析 后来随着计算机的高速发展 结合特征理论和有限差分法 有限元法等数值方法计算水力学 卓有成效地解决了不少 实际工程问题 浅水流计算的研究是伴随计算机的发展而不断演进 现已成为河道流量 及洪水预报 分蓄洪区分蓄洪方案 防洪规划 洪水漫滩 溃坝决堤等模拟的有效手段 半个多世纪以来 浅水流计算始终是计算水力学原理研究 溃坝洪水演进问题的有效方 法 具有极其广泛的前景 溃坝洪水的研究计算主要有两种途径 即模型试验和分析计算 研究计算的目的 在于掌握失事时 坝址上 下游水流状态及沿程传播情况 以便预先估计溃坝洪水对上 6 土坝渍坝数值模型和溃坝洪水演进研究 下游的影响范围 到达时间和可能遭受的损失 以作为拟定防护计划的依据 这种分析 计算也有其与寻常洪波计算相比特定的困难之处 即 1 溃坝口门形态和下游行洪路 线往往不易确定 对平原河道 溃坝洪水常形成多股分流 满决堤防 河岸 形成复杂 的二维平面水流问题 2 实验计算所需的原始资料不易完全满足 这是由于溃坝洪水 所及范围 远超过一般洪水 故水力要素等资料无现成可查 又多半是有工矿 交通和 城镇居民地区 其地形地貌复杂 目前 国内外溃坝洪水的研究仍尚处于研究和发展阶段 主要表现在 由于溃坝洪 水与其他类型的洪水相比具有其特殊性 影响因素复杂 如溃决过程中溃决模式 瞬溃 渐溃 溃口形状 决口泥沙运输 边坡稳定 溃口扩展过程 溃口流量 下游河床水 文水力因素等 没有形成统一 完善的理论体系 对溃坝机理问题的研究还有待完善和 提高 所建立模型计算精度和反映溃坝的实际情况的能力还待加强 目前对溃口发展过 程存在不切实际的简化 以及使用的垮坝案例数据与模型完全不同的峡谷地形图或溃坝 模式等 使坝体下游溃坝洪水流量过程线存在较大的不确定性 1 3 本文主要研究内容 根据上述研究现状 综合运用水力学 水动力学 挟沙动力学和土力学等 建立 数学模型进行分析 1 简要地介绍了溃坝洪水的研究意义 和国内外的研究现状 2 分析了溃坝的原因和几种主要的溃决模式 较详细的阐述了土坝溃口形成和 扩展的机理 根据土坝溃口发展过程中水流 泥沙动力学原理和边坡稳定性理论 建立 土坝溃口发展过程的计算模型 模拟土坝溃坝决口的发展过程和计算溃口洪水的流量过 程 3 用土坝逐渐溃坝溃口模型对澄碧河水库工程进行实测计算 4 应用灰色理论中关联分析来求出影响溃口流量的每个风险因子和风险因素的 关联度 根据关联度的大小确定主要的风险因子和风险因素 5 介绍了土坝发生逐渐溃坝时的模型假定 建立二维明渠水流的b g k 形式的数 学模型 这种数值模型是建立在对分子运动的b g k 波尔兹曼方程的积分基础上的 在该 模型的建立中没有假定水流必须为连续流 6 对所建立演进模型进行验证 7 研究的总结和展望 7 广西大学硕士掌位论文 土坝溃坝数值模型和溃坝洪水演进研究 图1 1 技术路线框架图 c h a r t1 1t e c h n i c a lr o u t ef r a m ec h a n 8 广西大掌硕士学位论文 土坝渍坝数值模型和渍坝洪水演进研究 第二章土坝溃口模拟研究 溃口流量过程是溃坝洪水演进研究的基础 主要内容是模拟溃坝决口的发展过程和 计算溃口洪水的流量过程 本章以构建水库大坝的溃口流量过程数学模型为基础 讨论 溃口发展过程中水流 泥沙动力学原理和边坡稳定性理论 建立溃口发展过程的计算模 型 2 1 溃坝的主要溃决原因 拦河筑坝兴建水库 蓄水灌溉 可为人民造福 但是 也有可能因某些偶然因素使坝 体突遭破坏造成严重后果 水库失事率在5 左右 其中属于坝体溃决的约占一半左右 中国溃坝情况与国际情况类似 其中主要以中 小型水库为主 绝大多数为土石坝 从溃 坝原因看 约有一半是由于水力学方面因素造成的 例如暴雨洪水漫过坝顶 坝体渗漏 坍岸涌浪过坝 水压力等 其它方面的因素如结构 地质 运行管理 人为破坏 以及 工程老化等方面原因也会导致坝体渍决 根据水流荷载与坝体阻抗之间相互作用关系 溃坝的发展过程 以往溃坝实例的调 查等综合分析 主要原因有 1 漫顶 水位超过坝顶高程 水流对坝体进行冲刷 结构受到侵蚀而溃坝 2 管涌 因渗流作用坝体内部筑坝物质受到侵蚀 形成小洞 逐渐侵蚀扩大导 致坝体的坍塌而溃决 3 坝体质量缺陷 大坝在施工过程中 局部质量控制不严 出现质量缺陷的机会 总会存在 这种质量薄弱环节正是发生集中渗流 管涌的地方 在外部不利动荷载作用 下发生溃决事故 4 特大洪水 在出现特大洪水时 往往伴有暴雨 暴雨强烈的冲蚀作用 使下游 坝面出现冲坑 虽然这些局部冲坑不至于影响坝体稳定性 但在库内风浪推动下 增加了 洪水漫顶过坝的机会 这些小冲坑在过坝洪水的冲蚀下会迅速扩大 当这些冲坑发展到 一定规模时 散粒体的土石坝就会出现局部失稳 接着出现溃决 5 地震作用 拦河坝在地震和地震动水压力作用下工作处于不利状态 在其它因 素促使下极易溃决 6 管理因素 在大坝管理工作中 人为疏漏或设备仪器失灵的概率总是存在 会 影响对坝体运行状态的实时监测 不能及时反映坝体工作状态 以致酿成坝体险情或溃 9 厂 西大学硕士学位论文土坝溃坝数值模型平 溃坝洪水演进研究 决 7 人为破坏 在战争条件下 敌方常将控制性水工程选为破坏目标 所以在战争 期间 水坝溃决概率大为增加 其中常见的溃坝模式为漫顶和管涌两种 溃坝原因据国外资料统计 由于洪水超 过工程泄洪能力而导致溃坝的约占3 5 设计施工缺陷占2 5 2 2 几种大坝的溃决模式 土坝 导致土坝溃决的原因有两类 即漫顶和管涌破坏 其中以坝项满溢较为常见 破坏程度取决于漫坝流量和持续时间 决口的位置大多发生在坝体中部 溃口多呈 v 型 管涌破坏历时最短 形成的最终形状同漫坝的一样 重力坝 溃坝原因多以基础破坏为主 坝顶溢流时砌石重力坝剥蚀比混凝土坝严重 其溃口形状呈矩形 在大坝溃决情况难于确切估计情况下偏于危险假定 大坝按瞬间全 溃考虑 拱坝 拱坝破坏最初发生在岩基地质薄弱处 继而导致全部溃决 连拱坝由于支墩 的支撑 在一定程度上不起支撑作用而全部溃决 坝体溃决过程与坝体类型 溃坝原因等有关 溃坝通常分为瞬间溃和逐渐溃 刚 性坝通常发生瞬时溃决 且多出现局部溃决 散粒体材料坝由于坝体耐冲蚀能力差 在洪 水漫过坝顶后 先是坝体上出现小规模冲坑 接着冲坑迅速扩大 坝体力学性能减弱 坝 体上出现局部溃决并逐渐扩大 对于散粒体坝体 受水流冲蚀损坏虽然有个时间过程 但 在发展到一定程度后 坝体便迅速溃决 几乎也是在短时间内溃口发展到稳定断面或一 溃到底 土坝的溃决属于逐渐溃 溃决过程持续时间较长 坝体被洪水逐渐冲溃 2 3 土坝的溃坝模型 溃坝研究中两个最主要的任务是溃坝洪水过程线的预测和溃坝洪水的下游演进计 算 而溃坝洪水过程线的预测包括溃口特性计算 例如溃口的形状和尺寸模拟 及库水 变化过程计算 溃坝的发生 发展和溃决程度受多种因素 如溃坝原因 坝体尺寸和材料 库容 及下游水位等 的影响 模拟难度非常大 尽管如此 土坝的溃坝模拟还是取得了相当 大的进展 出现了多个溃坝模型 土坝的溃坝模型通常可分为两大类 第一类称为基于参数的模型 主要利用一些 关键参数 如溃口最终宽度 溃口历时等 通过简单的时变过程 如溃口尺寸的线性 l o 广西大学硕士学位论文土坝渍坝数值模型和溃坝洪水演进研究 发展理论 模拟溃口的发展 还有一些模型通过建立库容和坝高等关键参数与溃口发展 速度 最大溃坝洪水流量之间的回归方程来模拟溃坝过程 总的来说 这类模型较简单 对数据输入要求 使用较方便 但由于未涉及实际溃坝机理 准确度不够 计算结果也 不稳定 可用于初步计算 第二类模型称为基于物理过程的模型 通过综合水力学 泥 沙 土力学等学科的知识构建一个时变过程 比较典型的有p t 模型 b e e d 模型和 b r e a c h 模型等 2 3 1 几种重要溃坝模型的研究 由于溃坝洪水的巨大危害性 世界各国对溃坝洪水都有系统的研究 溃坝洪水计算 模型是洪水风险分析的重要工具 长期以来受到国内外学者的广泛关注 许多学者对这 一问题进行过专门探讨 在2 0 世纪中后期 土石坝的溃坝模型取得了很大的进展 产 生了如美国的d a m b r k 荷兰的m i k e 系列 丹麦的d h i 等一系列能进行溃坝洪水计 算的模型 如表2 1 所示 1 d a m b r k 模型 d a m b r k 模型是美国国家气象局的溃坝洪水预报模型 有弗雷德 f r e a d 于1 9 8 8 年开发研制 模型以溃坝历时和溃口最终形状及尺寸为输入数据 假定溃口底部从一个 点开始 其宽度以线性速率在整个历时内增长 一直到溃口最终宽度 同时溃口的底部 高程也不断发展 直到最终位置 根据流体力学理论计算坝址泄水过程和向下游河道的 演进 该模型通过调洪演算法或水力学动力演算法考虑水位的消落和入库流量过程的影 响 用堰流公式计算溃坝泄流过程 并以一维非恒定流方程组的隐式有限差分解计算溃 坝洪水向下游的演进 漫坝的溃坝洪水由宽顶堰流公式计算 考虑行进流速及下游水位 对堰流可能产生的淹没影响 对于管涌引起的溃口 溃坝洪水由孔流公式计算 2 b e e d 模型 由辛 s i n g h 和斯卡拉托斯 s c a r l a t o s 共同开发 模型中溃口划分为两段 坝 顶的水平渍口段和坝下游坡面上倾斜的溃口槽 断面都假定为梯形 其中水平溃口段起 宽顶堰的作用 水流对坝体的冲刷速度采用爱因斯坦 布朗公式计算 当渍口处的冲刷 发展到一定程度时 溃v i 边坡失去稳定 形成楔形的滑体滑落 由水流逐渐带走 模型 包括六个主要部分 1 库水平衡计算 2 溃口几何形状的确定 3 溃口水力学计算 4 溃 口扩展的模拟 5 洪水演进计算 6 泥沙输运的推算 3 b i 迮a c h 模型 这是当前世界上应用较广的土坝溃决模型 同样由佛雷德在1 9 8 4 年开发研制 1 9 8 8 广西大学硕士掌位 论 文土坝溃坝数值模墨蚜口溃坝洪水演进研究 年模型又进行了修改 模型可模拟由漫顶和管涌引起的溃坝 坝体可以均质 也可包含 两种不同材料 分别构成心墙和外部区域 初始溃口设为矩形 在溃口处边坡坍塌后 断面变为梯形 边坡的坍塌发生在溃口深度不断发展并达到某一临界值时 这个临界深 度是坝体材料性质 如内摩擦角 粘结力和松密度等 的函数 除了溃口处边坡发生坍 塌以外 模型假定水流对溃口底部和边坡的冲刷速度相同 同时 溃口上游部分的坍塌 也会引起溃口的突然扩大 这种坍塌是由于作用在溃口上游面的水压力超过了土体因为 剪摩和粘结力而具有的抵抗力 坍塌发生时渍口的发展暂时停止 直到坍塌土体被水流 以输沙能力的速度逐渐带走为止 溃坝及洪水演算模型中最详尽最复杂的是d a m b r k 模型 它由三部分组成 一是 溃决洪水计算 包括溃决洪水流量过程线以及坝址溃坝水位计算 二是溃决洪水在下游 的传播与演进模拟 三是溃决口门的几何形成及其随时间的变化 d a m b r k 模型采用 了动力波法 使其除了能模拟一般洪水外 还能比其他方法更好地模拟溃坝波 并且该 法还考虑了溃坝波加速度的影响以及河道束窄 坎桥路提 支流汇入所产生的下游非恒 定回水的影响 大多数现有模型都采用宽顶堰方程和简化的一维圣维南方程包括下列一些假定 1 水流是一维的 2 水压力是静水压力 3 使用恒定流阻尼定律时 考虑边界 糙率和紊流影响 4 平均河床坡降相对较小 很明显第二和第四假定不适用于坝体溃 决过程 所以 以圣维南方程为基本控制方程的水流数值模型应用于溃坝计算是困难的 无论用什么数值方法建立的以圣维南方程为基础的水流数值模型都无法精确 稳定地模 拟溃坝波问题 有一种新的以描述分子运动的b g k 波尔兹曼方程为基础的水流数值模拟 方法 这种数值模型是建立在对分子运动的b g k 波尔兹曼方程的积分基础上的 在该模 型的建立中没有假定水流必须为连续流 所以非常适合模拟溃坝波水流问题 1 2 r 西大掌硕士掌位论文土坝溃坝数值模型和溃坝洪水演进研究 表2 1主要的土坝溃决模型乜妇 t a b 2 1t h em a i ne a r t h d a m b r e a km o d e l s 模型名称及开发 水动力学泥沙输移溃口形状 所需参数 时间 坝体材料及其 c r i s t o f a n o 19 6 5 宽顶堰流经验公式梯形 它 修改后的 h a r r i s w a g n e r 大坝几何形态 宽项堰流s c h o k l i t s c h 1 9 3 4 推移抛物线型 i q w 19 6 7 筑坝材料等 质公式 s c h o k l i t s c h 1 9 3 4 推移 筑坝材料 下游 b r d a m 1 9 8 1 宽顶堰流抛物线型 质公式水位等 梅叶 彼得和穆勒 p o n c e t s i v o g l o u 洪峰过后溃口初始溃口形状 曼宁公式等 m e y e r p e t e ra n d p t 1 9 8 1 宽度不变筑坝材料等 m u l l e r 推移质公式 矩形 三角形 溃口最终形状 d a m b r k 19 8 8 宽项堰流 孔流线性冲刷 梯形溃坝历时等 爱因斯坦 布朗 筑坝材料 溃口 b e e d i9 8 7 宽顶堰流 e i n s t e i n b r o w n 推矩形 梯形 初始形状等 移质公式 梅叶 彼得和穆勒公 筑坝材料 大坝 b r e a c h 1 9 8 8 宽顶堰流 式 杜博埃 d u b o y s 矩形 梯形 几何形状等 公式 梅叶 彼得和穆勒公 b e c h t e l e r 宽顶堰流式 斯马特 s m a r t 随时间变化 筑坝材料等 b r o i c h 1 9 9 1 公式和c r i s t o f a n o 公式 l o u k o l a 大坝几何形状 h u o k u n a 宽顶堰流 孔流梅叶 彼得和穆勒公式梯形筑坝材料 水文 l j 19 9 8 资料等 1 3 广西大学硕士学位论文土坝溃坝数值模型和渍坝洪水演进研究 2 3 2 陡坎冲刷 一种新的土坝溃坝机理 基于土坝溃坝在防灾减灾方面所具有的重要意义 欧美一些专家在对实验及溃坝 实例观察研究的基础上 提出了一种新的土坝漫溃机理 陡坎冲刷 其溃决过程可简 化为 漫项水流在坝下游坡面上产生细冲沟似的冲刷 冲刷不断发展 形成细冲沟网 并最终发展成一个较大的沟壑 陡坎 并随时间不断向上游扩展 沟壑的扩宽和陡坎 向上游发展是由陡坎下游射流冲击区周围的水流紊动和水流剪应力造成的 水流不断掏 蚀陡坎底部 引起垂直墙面的失稳而坍塌 从而导致溃口的扩宽和陡坎向上游不断发展 如图2 1 图2 1 陡坎 示意图 3 c h a r t2 1s k e t c ho f h e a d c u t 驻点 2 4 溃坝的溃口研究 2 4 1 逐渐溃坝溃口研究 溃坝有多种形式 根据坝体材料和结构形式的不同可分为两类 瞬溃和渐溃 溃决 方式不同 溃决洪水求法也不同 瞬溃 指重力坝或拱坝等刚性坝体 其溃决时间很短 这种洪水过程线特点是溃决初瞬 流量达到洪峰流量 随后即迅速消退 渐溃是指土坝 等 由于管涌或漫顶而导致溃决 其洪水过程线过程较长 起涨段可达十几分钟到数小 时 退水过程也较慢 渐溃中 管涌造成的渍决起涨段历时稍长 流量也较小 与漫顶 溃决稍有不同 由于溃坝洪水可能是超临界流的 土坝渐溃可用推移质泥沙输移公式计 算溃口的扩大 并计算溃口洪水过程线 由于渐溃洪水过程线相对历时较长 因此采用 一般的洪水演进方法推求下游洪水是可以的 溃决的梯形口门初时较小 而后随水流的 剧烈冲刷而逐渐加宽 迄最大泄量时 缺口即达最大 土石坝的溃决 当坝址狭窄时多 1 4 厂 西大掌硕士掌位论文 土坝溃坝数值模型和溃坝洪水演进研究 为全段 若坝址很宽 则多半只在主流部分造成局部溃决 刚性坝类 除拱坝外 混凝 土重力坝和连拱坝都很少出现全毁情况 大坝溃决时 库区蓄水将突然下泄 造成下游水位陡涨和库水位陡降 这种非恒定 流 包括坝址上 下游河道的水流波动称为溃坝波 它是一种断波 水流的一些物理参 数在断面上产生间断 其数学模型为圣维南方程组的黎曼问题 溃坝洪水与其他类型的 洪水相比 具有其特殊性 影响因素复杂 产生机理目前仍不是很清楚 溃决过程中溃 决模式 瞬溃 渐溃 溃口形状 决口