融合历史溃坝数据的水库大坝溃坝风险演化机制研究

随着水库大坝管理水平提升及除险加固工作的推进,我国已进入世界低溃坝率国家行列,然而在全球气候变化的背景下,大坝出险甚至溃坝事故仍时有发生。从统计分析、案例研究、文本挖掘等3个方面围绕我国溃坝风险展开了研究,主要研究成果包括:基于我国1954年以来的溃坝历史数据,分析了溃坝主要成因及时空分布特征;通过文本挖掘等手段提出了土石坝溃坝风险事件关联度分析方法及灾害链演化概率计算方法;提出了适用于溃坝风险分析的贝叶斯模型构建方法,并基于系统动力学理论建立了改进的贝叶斯模型,进一步提出了土石坝溃坝路径推断方法。研究成果对进一步提升我国水库大坝风险管理水平、加强防灾减灾体系建设具有借鉴意义。

融合案例挖掘与贝叶斯网络的溃坝事故致因风险分析

为了更加深入、全面探究溃坝事故致因风险发生机理,提出了融合历史溃坝事故案例挖掘与贝叶斯网络的溃坝事故致因风险计算方法。该方法在采集国内外大量历史溃坝事故案例的基础上,采用24Model识别和提取溃坝事故致因及致因链,构建了溃坝事故致因拓扑结构,利用贝叶斯正向因果推理计算了溃坝发生概率,并结合反向诊断推理分析溃坝成因机理,基于贝叶斯敏感性分析挖掘影响溃坝关键风险因素。结果表明:在人为因素方面,闸门控制问题比例较高;在管理因素方面,施工问题、运维管理缺陷、设计问题是溃坝重要间接诱因;洪水漫顶、渗透侵蚀和渗透管涌是导致溃坝的主要风险因素。

考虑淹没区域危险度的溃坝洪灾避难场所选址评价

针对溃坝洪灾避难场所选址中对潜在淹没区域危险程度重视不足的问题,提出了一种新的溃坝洪灾避难场所选址评价模型。首先,在构建危险度评价指标体系的基础上,运用改进突变评价法对潜在淹没区域进行危险度评价和危险等级划分;其次,将避难场所与高级别危险区的距离作为选址评价指标,并考虑避难场所的灾害风险、位置规模、应急保障等条件,通过层次分析法确定权重,运用TOPSIS法对避难场所进行选址评价;最后,以我国陆浑水库下游13个潜在淹没区域和10个备选避难场所为例进行验证。结果表明:危险等级较高的潜在淹没区域中,白元镇为Ⅰ级危险区,彭婆镇、鸣皋镇、城关街道、龙门镇为Ⅱ级危险区,评价较优的备选避难场所能够满足重视高危险度潜在淹没区域的要求。

考虑人体与水流相互作用的溃坝洪水生命损失评估模型

溃坝洪水会给下游人民群众造成巨大的生命损失,开展溃坝洪水造成的生命损失风险定量评估对应急抢险救灾具有重要的现实意义。本文在已有生命损失贝叶斯网络HURAM1.0模型基础上,引入了人体稳定性物理模型,考虑人体与水流相互作用关系,对处于洪水中的人先进行稳定性判定,并进行溺水判定,运用蒙特卡洛模拟方法,综合了水深和水流速对生命损失的影响,建立HURAM2.0模型;并将该模型应用于唐家山堰塞坝溃坝洪水生命损失分析。结果表明:HURAM2.0模型建立了水流流速对生命损失影响的定量关系,更精确地刻画了人体在水流中的稳定性和求生能力,相比HURAM1.0模型对较强洪水强度条件下的生命损失预测结果更准确。同时,在本文建立的模型中,除水深度、洪水严重程度变化不大,其余变量的敏感性均有所上升,其中居民区住宅层数、在建筑物中庇护情况和溃坝时长等变量对模型计算结果的最大影响程度分别增加142%、95%和93%,加强了模型在低、中、高3类洪水强度下的解释性,与HURAM1.0相比在贝叶斯反演分析中更占优势。在唐家山堰塞坝溃坝风险分析中,HURAM2.0能区分出不同水流速条件下的生命损失,更符合实际情况,即开挖泄流槽前风险大、死亡率高,在现场勘测和开挖泄流槽后风险及死亡人数大大降低,建议结合预警疏散以降低生命损失风险。

城市水库溃坝耦合极端降雨前后模拟对比分析

以探究城市上游水库溃坝耦合极端降雨及仅溃坝两种工况下洪水灾害程度的变化为目标,确定郑州市二七区、中原区、金水区及惠济区为研究区域,结合芝加哥雨型公式及长历时暴雨强度公式推求设计暴雨,依托“7·20郑州特大暴雨”实测数据推求研究区域产汇流特征,建立极端降雨与洪水过程的响应关系。在此基础上,以郑州市二七区尖岗水库为研究对象,构建两种工况下二维溃坝洪水演进模型,对水情信息进行对比分析。结果表明:相比于仅溃坝,降雨耦合溃坝工况下淹没范围更大,其中增加的淹没范围内各点的最大水深、流速、洪水严重性程度均处于较低等级。在河道两侧,两种工况下各等级水深、流速及洪水严重性淹没范围大致相同;地势较低的区域降雨耦合溃坝工况下淹没水深和流速增大较多,易涝点水深增加约0.6 m,选取断面水面线升高约1 m。

堰塞湖土石坝漫顶溃坝扩散模型

依据推移质输沙率公式及河床变形方程,建立了堰塞湖土石坝溃坝冲刷过程的扩散模型,并给出了溃口纵剖面侵蚀下切与横断面展宽的解析解及其冲刷系数A计算公式。再联解水库调蓄方程和宽顶堰流量公式,用Excel计算表格得到了坝址溃口处流量与流速过程线,溃口底部高程及库水位降落过程线,溃口底部宽度与水面宽度变化过程线,以及最终纵、横剖面侵蚀形状。该模型理论严谨,计算简单,经模型试验、堰塞湖坝、土石坝溃坝实测资料验证符合良好,可应用于堆石坝、黏土坝、堰塞湖坝、尾矿坝、防洪堤等工程的溃坝抢险设计。

抽水蓄能电站溃坝风险分析及溃坝过程模拟——以若羌抽水蓄能电站为例

针对抽水蓄能电站的溃坝洪水风险分析及溃坝模拟相关研究及方法较少的问题,文章以新疆若羌抽水蓄能电站为例,采用FMECA法、事件树等方法对溃坝概率及风险进行了分析,并采用MIKE软件,对溃坝洪水进行了模拟。结果表明,导致该工程上、下水库溃坝的主要风险因素为发震断层地表破裂、超强地震;上、下水库大坝溃坝风险等级为Ⅳ级低风险。文章提出了若羌抽水蓄能电站溃坝的潜在破坏路径,并设置了9种溃坝方案,分别对上、下水库溃坝洪水进行了模拟分析。根据若羌抽水蓄能电站双库开挖、库盆下游无明显河道的特点,提出适合于类似工程的溃坝风险分析及溃坝过程模拟方法,为同类型抽水蓄能电站溃坝洪水分析提供参考,为提高电站应对溃坝事件的能力、编制科学的大坝应急管理预案和风险应对措施提供技术支撑。

基于CEL方法的带结构物溃坝流数值模拟

随着全球气温的不断升高,极端天气现象增多,溃坝现象成为水工结构方向需要重点防范的自然灾害。溃坝流的发展会对下游结构物产生巨大的破坏作用,因此深入探究溃坝流现象的水动力学特性以及溃坝流下游结构物所受到的冲击力影响势在必行。本文针对带有结构物的溃坝流动问题现象,采用CEL方法(Coupled Eulerian-Lagrangian analysis,耦合欧拉-拉格朗日方法),对于溃坝流的发展、演化进行了数值模拟。研究结果表明,模拟结果中溃坝流自由表面及流体尖端时程变化与文献试验结果拟合较好,CEL方法可应用在溃坝流现象的模拟,并且具有较好的准确性和精度。结构物材料性能、高度及与结构物与溃坝流间的位置,均会影响溃坝流的运动状态以及结构物的受力变形状态,在不考虑结构物破坏的情况下,提高结构物弹性模量,增加结构物高度,以及减小结构物与溃坝流间的距离均可提高结构物对于溃坝流的阻挡作用。

基于MIKE21的尾矿库溃坝数值模拟研究

尾矿库的安全不仅影响生产效益,还影响人民的生命和财产安全。以河南省某尾矿库为例,利用MIKE21水动力模块,建立尾矿库溃坝数值分析模型,模拟下泄砂流演进过程;对比分析了4种工况下下泄砂流的淹没范围、淹没深度及特征时间点,分析增设拦沙坝后下泄尾砂的淹没特征。研究结果表明:增设拦沙坝后可有效阻拦一部分下泄尾砂,有效减小瞬时溃坝对下游的影响。研究结果对尾矿库增设防护措施,编制应急预案与可行性研究报告,设计安全设施等具有重要意义。

基于时序InSAR的老挝桑片-桑南内水库大坝溃坝回溯研究

InSAR是一种用于水库大坝表面位移监测的新技术,具有周期性、低延迟的特点,且能回溯历史数据。利用老挝桑片-桑南内水库大坝溃坝前期及溃坝期间的卫星影像,收集溃坝前后的大坝表面位移监测数据和降雨数据,对大坝自身和管理方面的溃坝原因进行了分析,结果表明大坝溃坝前已发生较明显的异常变形趋势。本研究将InSAR技术引入大坝风险管理中,能有效减少溃坝事故的发生。

基于水动力模型的尾矿库溃坝数值模拟分析

尾矿库是高势能人造泥石流危险源,如果溃坝将对下游造成大规模次生灾害。为减少尾矿库溃坝的风险,可在实际工程中应用数值模拟方法。利用MIKE 21软件的水动力模型模拟尾矿库溃坝过程,设置全库溃坝、初级坝以上瞬时溃坝、1/3堆积坝瞬时溃坝、最危险滑动面以上瞬时溃坝及洪水漫顶溃坝等5种工况,计算各工况下泄尾沙的淹没范围及特征时间点,研究其规律。结果表明,溃坝泥石流在坝址处流量大、流速快、淹没深度大;溃坝瞬时泄沙量越大,破坏性越强。数值模拟分析结果可以为尾矿库增建防护措施或编制应急预案提供参考依据。

基于Flow-3D尾矿库漫顶溃坝过程数值模拟

尾矿库是一个具有高势能的危险源,一旦发生溃坝,将对下游居民的生命财产造成严重威胁。为了提高尾矿库溃坝灾害预测与应急保障能力,以某尾矿库为工程背景,开展尾矿库溃坝的室内模型实验,并结合Flow-3D数值仿真技术对尾矿库漫顶溃坝后尾砂流的演进过程进行深入研究。将室内模型实验和数值模拟结果相互对比,溃坝过程基本吻合,验证了较小缩比尺模型实验的准确性以及数值模拟的可靠性。数值模拟研究结果表明:溃水的淹没高度和断面流量随溃坝时间的变化整体表现为前期快速增长及后期的较缓下降,且随着演进距离的增加,淹没高度和断面流量峰值都明显降低;下游地形影响溃坝尾砂流的流速和演进方向,溃坝尾砂流在下游弯道处出现“爬高”现象,弯道两岸淹没高度不同,弯道凹岸淹没高度高于另一侧;沟谷与河道的连接处,溃水向河道上下游两边扩散,在河道入口处形成“冲积扇”堵塞河道。

上游水库溃坝对铁路货场的影响分析

新建咸宁货场综合物流基地工程选址于王家祠水库下游,一旦水库发生溃坝,将对铁路货场的运营安全构成极大威胁。铁路勘测阶段通过详细调查水库情况,结合铁路工程水文勘测设计规范,研究了上游水库对新建货场选址处流量的影响,为货场的选址和设计提供了重要参考,相关研究思路可为类似铁路工程的勘察设计提供借鉴。

基于HEC-RAS的沥青混凝土心墙坝溃坝洪水过程模拟分析

大坝溃口发展过程模拟是开展溃坝洪水分析的基础,不同坝型溃口发展过程不同,溃口流量(下泄洪水)过程差异很大。文章通过对某水电站沥青混凝土心墙坝溃口形式的研究,采用HEC-RAS(Hydrologic Engineering Centers-River Analysis System)软件进行溃坝洪水模拟,旨在探讨沥青混凝土心墙坝在水库溃坝风险中的关键因素,着重考虑沥青混凝土心墙对溃口发展的影响。结果显示,初始运行水位、洪峰流量的重现期、溃坝历时及泄水建筑的泄流方式对溃口流量产生显著影响。研究成果为未来水利工程的安全可靠建设提供了科学依据。

沥青混凝土心墙坝漫顶溃坝试验与溃坝过程数值模拟

基于中国新疆射月沟水库溃坝案例资料,在水槽冲蚀试验系统进行了沥青混凝土心墙坝漫顶溃坝试验,直观展现了坝壳料冲蚀与心墙折断过程,发现了抗冲蚀能力强的沥青混凝土心墙对溃坝过程的重要影响。将沥青混凝土心墙坝的漫顶溃坝过程分为3个阶段:坝壳料溯源冲蚀至沥青混凝土心墙裸露;心墙第一次折断,溃口流量迅速增大并出现峰值;心墙发生多次折断直至溃口稳定。在试验成果的基础上建立了模拟溃口流量和溃口形态演化的沥青混凝土心墙坝漫顶溃坝过程数学模型,模型的特色在于通过冲蚀公式模拟沥青混凝土心墙的裸露长度,采用力矩平衡法计算裸露心墙的折断时刻、折断长度和折断次数,从而合理反映了沥青混凝土心墙坝漫顶溃坝时坝壳料与心墙的耦合作用机制。采用建立的数学模型对射月沟溃坝过程进行了反演分析,计算结果表明重要溃坝参数与实测值误差均在±25%以内,较好地反映了溃坝过程,研究成果可为沥青混凝土心墙坝漫顶溃坝过程模拟提供借鉴。

基于相对差异度改进的可变模糊溃坝生命损失率等级评价

针对传统可变模糊数学评价模型在处理呈指数态渐变指标时出现的等级隶属度跃变情况,综合考虑溃坝生命损失系统的模糊性和随机性,对评价模型进行了相关改进,提出了一种基于改进可变模糊的溃坝生命损失率评价模型。对传统评价模型中的相对差异度函数进行了改进,并将改进的方法应用于4个水库的生命损失率风险后果排序。实际生命损失率与生命损失率风险等级的排序结果一致,改进后模型的科学性和实用性得到验证。

基于生态服务价值的中国分区域溃坝环境风险标准研究

溃坝风险标准是大坝管理者进行风险决策的基础,然而溃坝环境风险作为溃坝风险标准的重要内容之一,目前尚没有统一的标准。借鉴生态经济学中关于生态系统服务价值和当量因子法的研究思路,对环境价值进行量化;利用ALARP准则和F-N曲线将溃坝环境风险标准与现有标准进行有效衔接;考虑我国不同区域环境和经济的差异,构建风险偏好矩阵以确定各区域风险偏好情况,进而提出了我国溃坝环境风险标准,并以河南省陆浑水库为例进行了应用说明。

卡霍夫卡溃坝造成的下游灾情评估

2023年6月6日凌晨乌克兰赫尔松州卡霍夫卡水电站大坝被炸毁。该大坝坐落于第聂伯河下游,上游约有18亿m3水库蓄水,下游有60多个村镇、数10万居民,溃坝洪水对下游产生了巨大影响。基于Sentinel-1遥感影像,利用双极化水体指数与最大类间方差法(OTSU)提取了第聂伯河下游区域受灾前后的水域分布情况;通过对比分析溃坝前后一周内的情况提取受灾区域,结合地物分类数据和交通矢量数据,综合评估了部分重要地物的受灾情况,约170.72 km2的农田、5.14 km2的建筑被淹没,16.63%的道路存在不同程度的淹没情况。

溃坝洪水演进一维水动力模型

中国是受洪水灾害影响最严重的国家之一。洪水数值模型可准确地反映洪水的演进与致灾过程。本研究针对天然河道洪水过程存在的尺度大、水流流态复杂、河道断面形式多变以及计算建模困难等问题,提出一套基于Godunov格式的有限体积法离散圣维南方程组的一维水动力模型,并采用求解复杂断面水力要素之间关系的方法,提高了一维水动力模型求解的精度与效率,精确地反映了复杂断面河道的水流运动特性。将模型模拟得到的数值解与算例中的解析解或实测数据进行对比,结果表明:(1)构建的一维水动力模型模拟结果与理想算例解析解及实验实测数据吻合程度均较高,所有算例的E NS均大于0.5,说明模型具有良好的稳定性和适应性;(2)将模型应用至金沙江白格堰塞湖溃坝洪水算例中,模拟得到的流量峰值及整体洪水过程均与实测过程吻合较好,在叶巴滩和苏洼龙两个测点处E NS分别为0.633和0.812,证明了模型在实际应用中的适用性与可靠性。结果表明,开发的一维水动力模型对溃坝洪水等水流流态复杂、突发性强的洪水过程具有良好的模拟效果。本研究可为河道及溃坝洪水风险的初步、快速评估等工作提供有效的模拟支撑。

基于HEC-RAS的千河流域宝鸡段溃坝洪水风险评估

水库是大量蓄水的水利工程,对生产生活提供便利,但同时溃坝洪水一般具有极高伤害性,进行洪水溃坝风险评估对保障下游居民安全有重要意义.以千河流域宝鸡段的冯家山水库为例,利用HEC-RAS模型,模拟了溃坝洪水淹没进程,并对淹没范围和流速分布进行分析.洪水演进数据结合灾害系统理论构建风险评估模型,从危险性、易损性角度,通过GIS方法实现风险评估并分为五个等级.结果表明:①100年一遇洪水淹没总面积为274.581km^(2),危险水深占全部水深93%,河道最高流速可达到14.34m/s.②洪水危险性自西向东逐渐降低,整体危险性中度偏下.③易损性在河道附近两侧较低,距离河道较远的部分易损性提高,整体是处于中低水平.④溃坝洪水风险水平中等,对淹没区各乡镇风险划分,危险区明显集中,主要在贾村镇、长青镇、千河镇以及揉谷镇.研究成果对千河流域宝鸡段下游洪水避难预警系统建设和人口转移有一定参考意义.