考虑降雨-洪水-泥沙作用下的淤地坝溃决致灾风险评估

淤地坝一旦遭遇极端降雨极易导致洪水漫顶溃决,将对下游人民群众造成极大威胁,亟需开展淤地坝溃决风险定量评估。现有研究忽略泥沙对溃决致灾过程的影响。本研究通过分析降雨诱发的泥沙对溃决致灾的影响过程,揭示降雨-洪水-泥沙作用下的溃决致灾机制,建立考虑降雨-洪水-泥沙作用下的淤地坝溃决致灾风险定量评估模型,将传统的“降雨-洪水”研究发展为“降雨-洪水-泥沙”,实现溃决坝体的精准判定和风险定量评估。将模型应用于王茂沟流域两次溃决案例,并评估不同重现期降雨量的溃决致灾风险。结果表明:考虑泥沙对溃决致灾过程的影响,判定关地沟3坝、背塔沟坝和康和沟3坝溃决,判定结果与实际溃决情况吻合,忽略泥沙影响则背塔沟坝的溃决判定存在差异。与忽略泥沙对溃决致灾的作用相比,考虑泥沙作用2017-7-26降雨下关地沟3坝、背塔沟坝和康和沟3坝起溃时间分别提前11 min、13 min和7 min,有利于及时发出预警,快速撤离两岸群众,提升了淤地坝预警的准确度。不同重现期降雨量下,关地沟3坝10年一遇溃决流量为4.82 m^(3)/s,200年一遇溃决流量为5.97m^(3)/s。黄柏沟2坝和关地沟4坝在目前淤积情况下,可抵御200年一遇降雨。

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。

基于物质点法的白格滑坡堰塞坝形成过程数值模拟

为准确模拟堰塞坝的形成过程,在物质点方法中引入了滑动速度依赖型的摩擦系数模型,实现了滑面接触算法的求解,并与试验结果对比验证方法的可靠性。在此基础上,反演了白格滑坡堰塞坝的形成过程,探讨了滑床底摩擦对堰塞坝成坝模式的影响规律。研究结果表明:白格滑坡堰塞坝形成过程可分为滑坡体加速运动、河谷制动和堆积成坝三阶段。白格滑坡速度最大达到45 m/s且最大速度位于滑坡体后缘,而滑坡体前缘受到河床底部摩擦影响,速度不稳定,变化幅度大且比滑坡体后缘早20 s制动。不同滑面接触模式决定了滑坡最终堆积成坝的状态:若采用滑动速度依赖型的摩擦系数模型模拟,则能够真实反映白格滑坡堰塞坝堆积状态;采用滑面的峰值摩擦系数计算,则导致计算的白格滑坡运动距离减小了32%,不能形成完全堵塞金沙江的堰塞坝;而采用残余摩擦系数计算,则导致计算的白格滑坡运动距离增大了12%。研究成果对加深堰塞坝成坝模式的认识具有意义,对于滑坡堰塞坝链生灾害预测及防灾减灾应急抢险处置具有一定的参考价值。

极端降雨条件下淤地坝系溃决损失计算方法

近年来,由于自身“服役”状态欠佳和汛期极端降雨天气频发,淤地坝在发挥综合效益的同时面临着溃决风险。这对下游人民生命财产和生态环境保护造成极大威胁。因此,亟需提出极端降雨条件下淤地坝系溃决损失的定量计算方法。基于“家谱法”坝系溃决风险分析程序FT-IWHR、溃口流量程序DB-IWHR、一维洪水演进计算程序,提出淤地坝系溃决—洪水演进全过程计算方法,结合李—周法生命损失计算模型等,构建涵盖生命损失、经济损失、社会环境影响3方面的溃决损失计算方法体系;并在西五色浪流域淤地坝系进行应用。结果表明:警报时间对生命损失数量影响极大,充分警报和无警报下生命损失数量相差10倍左右且降雨量超过100年一遇后损失激增,坝系以中小型淤地坝溃决为主。溃决损失计算方法可实现对淤地坝系溃决损失进行快速量化评估,为淤地坝系安全度汛和病险坝除险加固工作提供技术支撑,同时建议西五色浪流域做好中小型淤地坝的溃决风险防控工作。

不同断面泄流槽的堰塞坝溃决模型试验研究

以2018年“11·3”金沙江白格滑坡堰塞坝为原型,对所布设的泄流槽从断面形状、位置、尺寸等方面进行考虑,采用相同颗粒级配材料,设置7种试验工况,在控制上游来水量相同条件下,对各工况下试验溃决过程进行观察,进而揭示堰塞坝溃决演变机理及其影响因素。结果表明:溃决过程可分为初始孕育阶段、溯源坡面侵蚀阶段、溯源陡坎侵蚀阶段、河床稳定平衡阶段4个阶段;不同断面形状泄流槽的溃决过程中,冲蚀程度影响范围由强到弱排序为自然组、三角形槽、矩形槽、梯形槽。对于泄流槽断面形状尺寸及位置,当宽度相同且深度较低时,受约束影响溃决过程会较为提前;当泄流槽断面一致,布设位置位于一侧时,受一侧固定约束影响,溃口宽度扩展会小于布设位置位于中间的情况。研究结果可为堰塞坝溃决机理分析及堰塞坝应急救援处置提供参考。

极端工况下梯级水电枢纽群大坝连溃情景分析

为分析极端工况下梯级水电枢纽群可能出现的最大连溃灾难,提出了两种溃坝工况:一种针对土石坝或受损及病险的重力坝与拱坝,认为大坝漫顶即溃,且全溃;另一种针对正常运行的重力坝和拱坝情形,认为漫顶不溃,采用堰流公式计算下泄水量,并采用洪峰展平公式计算两种工况下溃坝洪水向下游的演进过程。以大渡河流域13座梯级水电枢纽群为例展开分析。结果表明:下游泸定、大岗山、瀑布沟大坝能够抵挡和削弱一部分上游溃坝洪水,是流域的控制性大坝;工况一(漫顶即溃)发生时的溃坝影响比工况二(漫顶不溃)发生时的影响更为恶劣,水量更大,持续时间更长,产生的峰顶流量更大;漫顶即溃时的下泄流量过程与库容、距离以及起溃水位有关,而漫顶不溃坝时,下泄流量过程与库容、起溃水位、坝型选择密切相关;“上小下大型”梯级电站布局和以重力坝、拱坝为主的坝型选择将有效降低梯级水电枢纽群发生大坝连溃的风险。研究成果可为梯级水电枢纽群大坝连溃风险分析提供理论支撑及技术参考。

两级堰塞坝连溃过程数值模拟及溃口流量演化特征研究

在强震作用下,高山峡谷区易发生滑坡堵江形成串联的梯级堰塞坝,其中一级一旦溃决易引发梯级连溃。本文基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程、湍流重正化群模型,以及悬移质和推移质冲蚀方程,并考虑溃口边坡的失稳坍塌,采用有限体积法建立了梯级堰塞坝连溃过程数值模拟方法,用于模拟连溃过程中的水动力特征及梯级堰塞坝的溃口形态演化过程。选择典型的两级堰塞坝连溃概化模型试验作为数学模型验证案例,对比实测值和计算结果发现,上下游堰塞坝溃口洪水流量过程和溃口形态演化过程基本一致,上下游堰塞坝溃口峰值流量、区间洪水演进时间等关键参数的相对误差小于±5%;比较上下游堰塞坝溃口洪水流量过程发现,梯级堰塞坝发生连溃时,溃坝洪水存在级联放大效应。选择上下游堰塞坝距离、河道坡度和下游坝坝高等三个关键参数,研究连溃洪水的放大效应及其影响因素,参数敏感性分析结果表明:下游坝溃口峰值流量随两坝间距和下游坝坝高的减小而增大,随河道坡度的增长呈先增大后减小的趋势;上游坝溃决洪水演进至下游坝时可能产生涌浪翻越并冲蚀坝顶,导致坝顶高程降低,并对下游坝发生溃决的时间以及溃口峰值流量产生影响,因此涌浪对下游坝溃决过程的影响与涌浪翻越坝顶的水量以及坝料冲蚀特性相关。选择小岗剑上、下两级堰塞坝连溃案例,通过对比计算和实测的溃口流量以及溃口形态发现,关键溃坝参数的相对误差小于±10%,验证了模型在实际案例中应用的合理性,本文提出的数值模拟方法可为梯级堰塞坝连溃风险评估和应急处置提供重要技术支撑。

梯级水库群溃坝洪水风险分析——以澜沧江上游为例

梯级水库的建设是开发利用我国丰富水能资源、保障国家能源安全、实现减排目标的重要途径.但是由于部分水库结构老化、地势险峻以及近几年极端天气频发等原因,极有可能造成单坝溃决,继而引起梯级连溃,最终使整条流域系统瘫痪,为下游城镇带来不可估量的经济和生命损失.为准确预测梯级连溃发生后的危险程度及影响范围,基于心墙坝漫顶溃坝数学模型和HEC-RAS软件提出了梯级连溃地貌特征演变及洪水演进计算方法,并应用于澜沧江流域梯级水库RM-XW水电站大尺度连溃分析.结果表明,在遭遇1.4倍超标准洪水的情况下,RM水电站发生漫顶溃决,溃决过程中,心墙发生四次折断,并伴随溃口迅速扩张以及溃决流量激增,最高峰值流量达699986.5 m^(3)/s,溃决洪水演进至下游,使WNL-XW水电站相继发生漫顶.河道距离、坝型特征和坝体物理参数是影响梯级连溃过程中溃决流量大小的重要因素.

基于MIKE的滨海城市内涝模拟及深隧工程排涝效果评估

在暴雨及风暴潮等极端气象水文条件潮位影响下,快速城市化的滨海地区内涝问题日益凸显。以粤港澳大湾区深圳市西部为研究区,耦合一维河道洪水模型及管网排水模型和二维地表漫流模型,模拟极端降水和典型风暴潮条件下城市内涝淹没过程,开展内涝风险分级,评估深隧工程排涝效果。结果表明:MIKE多模型工具相结合能够较好地模拟城市内涝形成过程及淹没特征,引入概率矩阵法能够更清晰地揭示内涝风险等级之间的变化。极端气象水文条件下的滨海城市内涝淹没呈现快涨缓退特征,设计50年和100年一遇2 h极端降水下的内涝风险区面积分别为4.24、5.04 km^(2),其中1级到4级风险区范围的相对比例分别约为0.9:37.5:28.5:33.0和4.0:33.7:26.8:35.5,考虑深隧工程排涝的淹没范围分别减少了17.0%和13.4%、内涝风险区面积分别减少了28.8%和30.2%、典型易涝点的淹没持续时间缩短了60.0%~80.8%。大部分地区的内涝风险等级显著下降,深隧工程改善排涝效果明显。

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MIKE模型的溃坝洪水分析——以惠州抽水蓄能电站上库为例

以惠州抽水蓄能电站上库范家田水库为研究对象,运用MIKE模型与GIS技术,构建了小金河一维河网数学模型、惠城区二维水流数学模型以及一、二维耦合模型,分析了不同工况组合,评估了范家田水库下游惠城区的溃坝洪水风险,并绘制了淹没水深图、淹没历时图、到达时间图和淹没范围图,为惠州抽水蓄能电站溃坝洪水风险预报预警的决策提供了科学有力的支持。

溃坝的二维和三维数值模拟分析

为了分析溃坝水流在演进过程中的水位变化和建筑物所受到的冲击荷载,基于开源计算流体力学工具箱OpenFOAM建立了二维和三维溃坝的数值模型,并使用流体体积法追踪水和空气的自由界面。二维分析中考虑了下游只有水、下游同时有水和建筑物两种工况下的水位变化过程。三维分析中考虑了下游无水、下游无水但有建筑物时两种工况下的水位变化过程和建筑物上的冲击压力变化过程。通过将数值结果与模型试验数据进行对比,验证了二维和三维数值结果的准确性。进一步分析了三维溃坝过程中多个建筑物所受到的冲击荷载,为洪水中建筑物的安全评估提供一定的依据。

基于HEC-RAS的竹根池水库溃坝洪水风险研究

为避免发生水库漫坝水淹周边电站厂房,采用HEC-RAS对向家坝电站周边的竹根池水库进行二维溃坝洪水模拟计算,分析其演进过程及最大的影响范围。结果表明,溃口洪峰大小取决于溃口底宽、溃决水头及溃决时间;竹根池溃坝对向家坝下游的机电设备仓库及金沙江大桥基本无影响,对几条进厂公路和上坝公路产生轻微影响。该分析结果可为竹根池水库及向家坝电厂的安全运行及防洪应急管理提供科学依据。

基于GPU加速的溃坝洪水演进模拟研究

溃坝洪水演进与淹没范围快速模拟,对指导抢险救灾至关重要。为此,引入GPU加速技术,构建了一套高效高分辨率溃坝数值模型,与经典三驼峰溃坝试验对比发现,模拟结果与试验结果非常吻合,并利用该模型模拟了典型溃坝洪水演进及溃口流场、溃后水位变化情况。结果表明,模型能较好地模拟溃坝洪水演进,较好捕捉溃口发展过程及泥沙输移。t=200 s时溃决流量出现小峰值4 m3/s,t=450 s时,溃决流量出现最大峰值13.8 m3/s;随着下泄流量增大,溃口加速侵蚀和冲刷并逐渐连通,溃口由0.21 m扩大至0.40 m。GPU加速比约为CPU的10.33~13.75倍,且网格数越多,加速效果越明显。

某特高堆石坝溃决过程及下游梯级水库群风险防控研究

水库大坝是重要的基础设施,其运行安全事关人民生命财产安全和社会稳定。应用DB-IWHR模型模拟某特高堆石坝因超标准洪水、泄洪建筑物失控、安全事件等原因导致坝体溃决的洪水过程。利用HEC-RAS软件模拟安全事件情景下的溃坝洪水演进,并对比分析通过预警提前降低水位与否对下游水库群受溃坝洪水影响程度的差异。研究结果表明,降低水位能够显著减小溃坝洪峰洪量,梯级水库群可通过预警腾库、减小蓄水量,有效削弱、截断上游溃坝风险的传导;水库调节性能、坝体抗风险能力等是梯级水库群布置应予考虑的重要因素。

水利工程截流中铅丝石笼起动流速的分析

为探索水利水电工程立堵截流中铅丝石笼起动流速变化的趋势规律,通过制备不同规格的石笼模型,在工程所在省水利科学研究院水工厅展开物理模型试验;又应用FLOW3D流体力学分析软件进行了不同规格铅丝石笼起动状态及流速的模拟分析。结果表明,扁形和条形六面体石笼在水体中的稳定性最佳,模拟结果与物理模型试验结果基本吻合,也验证了分析结论的准确性。

基于Mike的水库大坝溃坝洪水影响分析

文章对五强溪水库大坝进行了溃坝洪水分析计算,根据工程实际情况分析了大坝溃坝成因,采用Mike系列软件构建一、二维耦合水动力模型,进而模拟了溃坝洪水演进过程及影响范围。结果显示,溃坝最大洪峰流量为97231.7 m^(3)/s,洪水传播至常德市时洪峰流量均小于常德市百年一遇防洪标准31600 m^(3)/s,对常德市区基本没有影响;下游总淹没面积最大约为183.2 km^(2);桃源县淹没面积最大,为89.94 km^(2);淹没水深最大区域为五强溪镇,约20.02 m。该模型可以为五强溪水库大坝安全管理及下游城镇避险转移提供技术支撑。

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。

三维溃坝波对下游结构物致灾过程数值模拟

暴雨等自然灾害形成的溃坝对下游结构物安全存在潜在威胁,溃坝对结构物的破坏非线性强且机理复杂,基于自主研发三维并行模型,探究水灾害流固耦合动态响应过程。通过并行算法实现加速计算,利用流体体积法捕捉自由面,采用浸入边界法处理流固耦合。定量预报溃坝洪水过境流速和冲击载荷,通过实际案例、公开数据对比论证数学模型处理水灾害流固耦合问题的可靠性。溃坝波携带大量动能和势能,全流场信息可描述在短时间内多次变化的溃坝致灾流态,水流推进与跌落的过程易形成冲刷作用,传导到结构物的冲击载荷易破坏工程结构,致灾机理研究为防灾减灾提供科学依据。

基于VOF模型的二维溃坝水流数值模拟研究

基于Volume of Fluid(VOF)模型对二维溃坝经典案例进行模拟,通过与实验值进行对比,验证VOF模型的计算精度。针对二维溃坝下游有障碍物的情况,研究不同时刻的流场变化情况,与实验结果比较分析,并对障碍物所受到的压力进行分析。通过更改障碍物的位置,研究不同障碍物位置对溃坝水流的影响,不同障碍物位置所受到的压力。结果表明:VOF可以很好地模拟溃坝水流。对于下游有障碍物的溃坝模型,障碍物的最低点所受到的压力最大,最高点所受到的压力最小。障碍物位置距离溃坝水流越远,受到的压力越大,液面变化越剧烈,溃坝水流撞击障碍物行成的水舌高度越高,飞溅的水体也相应增加,水舌撞击右壁面的高度越大。