黄河下游透水丁坝瞬溃后水力及冲淤特性研究

溃坝是一种瞬时带有巨大破坏作用的灾害性过程,可引起河床的骤冲、骤淤以及下游岸滩失稳坍塌。基于MIKE21 FM软件构建二维水动力数值模型,模拟了黄河下游老君堂河段拟建透水丁坝群中首排丁坝瞬时全溃后所诱发的水流泥沙运动过程,分析了溃坝后床面剪切力的分布变化,阐明了坝群附近河床的冲淤特点。研究表明:首排坝瞬溃后,溃坝波受下游丁坝群的影响而改变了其传播演进过程线;溃坝对主槽的输沙能力影响较弱,但却显著地影响了坝区泥沙的起动和沉降;首排坝的坝体和次排坝的坝头是受损最严重的区域,因此建议采用实体丁坝与透水丁坝相结合的复合式配置方式,即首排坝和次排坝采用实体丁坝、其余位置采用透水丁坝,以加强各工况丁坝群运行的稳定性。

长江中游地区洪泛沉积物与正常河流沉积物磁组构特征对比研究

在地层剖面中 ,洪泛沉积物与正常的河道沉积物的沉积学特征非常相似 ,仅靠沉积学特征很难将两者区分 .为了识别古洪灾事件 ,因而从环境磁学角度建立两种沉积物的识别标志是非常必要和有意义的 .本文通过对1998年长江洲湾溃口扇及其附近的长江现代河漫滩沉积物进行磁组构参数测量和对比分析 ,并结合长江下游河漫滩沉积物的磁组构参数特征 ,揭示出长江中游正常河流沉积物与河流溃口沉积物的磁组构参数特征具有明显的不同 ,并且它们与沉积时的沉积环境有着密切的关系 .因此 ,对长江中游地区沉积物磁组构参数的测试及磁化率各向异性量值椭球体形态的研究 。

长江中游堤防溃口沉积物的磁组构特征

通过对 1998年 8月 1日湖北 竹牌 洲湾溃口沉积物的系统采样和磁组构测量与计算 ,发现溃口沉积物的磁组构特征为 :由溃口扇的扇顶→扇缘 ,磁组构参数各向异性度 P、磁面理度 F、磁线理度 L、水流速度函数因子 Fs的统计平均值均具有由大逐渐变小的特点 ;在溃口扇的不同部位磁化率量值椭球的主轴平均方向具有不同的特点 ,其规律是 :在扇顶或扇缘处平均方向变化较大 ,尤其在扇缘处 ,最大磁化率主轴方向比较随机 ,没有明显的主方向 ,而在扇中磁化率量值椭球的主轴平均方向比较稳定 ,最大主轴的优选方向比较明显。

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限体积法离散。同时利用Roe-MUSCL方法以及时间方向的预估-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。

金沙江上游雪隆囊古滑坡堰塞湖溃坝堆积体的发现及其环境与灾害意义

西藏芒康县金沙江上游雪隆囊河谷史前时期(全新世晚期)发生了一次明显的堰塞事件,形成了一个湖水体积约3.1×108m3的大型堰塞湖。该堰塞湖形成后期发生溃决并引发异常大洪水,这一溃决事件发生在大约1 117A.D.。地震诱发山体滑坡可能是金沙江发生堰塞的直接原因。在雪隆囊古堰塞坝体的下游一侧到其下游3.5 km的范围内,发现大量由砾石、砂和少量黏土组成的混杂堆积体,判定其为滑坡堰塞湖的溃坝堆积,是滑坡坝体及上游河床物质在坝体溃决后快速堆积形成。整套溃坝堆积体具有支撑—叠置构造、叠瓦构造和杂基构造等沉积特征,还具有一种特殊的沉积构造:即在垂向剖面上发育粗砾石层与细砂砾层的韵律互层,但剖面中缺少砾或砂的透镜体。这种沉积构造("互层构造")是溃坝堆积相区别于冲—洪积相、泥石流相等的一种重要判别标志。采用水力学模型反演确定雪隆囊古滑坡堰塞湖溃决洪水的平均流速为7.48 m/s,最大洪峰流量为10 786 m3/s。雪隆囊溃坝堆积体沉积特征及其环境的研究,不但有助于揭示古洪水事件发生的过程和机制,同时对于认识金沙江上游地区的环境演变也具有重要意义。

雪隆囊地区堰塞湖溃坝沉积物的石英砂表面微观特征

石英砂表面微结构分析有助于理解沉积物的成因环境。四川省雪隆囊地区位于青藏高原东南缘金沙江上游,该处分布有堰塞湖溃坝沉积物。为了判断其溃坝沉积物的沉积成因和形成环境以及过程,采集石英砂样品并进行扫描电镜分析,初步获得堰塞湖溃坝沉积物石英砂的表面微观结构组合特征是次棱角状及次圆状颗粒为主,颗粒边缘形状为棱脊磨损及次棱脊,表面多为中、低起伏;少量出现贝壳状断口,小撞击坑出现较多,平行解理面少见甚至没有;擦痕、磨光面少量出现;化学溶蚀和沉淀形态包括蚀坑和蚀缝、硅质薄膜和硅质球。结果表明雪隆囊堰塞湖溃坝沉积物在沉积过程中不仅受到强烈的机械撞击作用,而且在后期也有比较强烈的水流作用参与其中,可以为分析溃坝沉积物的沉积过程和沉积环境提供参考。雪隆囊溃坝沉积物石英砂表面微观结构特征与残坡积、冰碛、冰水、冲积、洪积、泥石流、湖相沉积、海洋沉积、风成等沉积环境明显不同。

二维溃坝波遇障碍物的水流泥沙数值模拟

本文通过对浅水方程进行Godunov差分离散和对泥沙运动方程进行一阶迎风差分离散,建立了平面二维溃坝水流泥沙数值模型。在算例中计算了溃坝波遇障碍物后的水流反射、绕射及泥沙冲淤,计算结果表明,溃坝波遇障碍物后会产生明显的反射和绕射,并在障碍物前形成壅水、障碍物的侧面会发生剧烈的冲刷,障碍物前后则会发生局部淤积。本模型能够较好地模拟溃坝间断水流的运动,结果符合水流泥沙运动的基本规律。

堰塞坝局部溃决输沙率试验研究

本文设计9组堰塞坝溃决的水槽试验,用摄影记录坝体变形的过程,通过录影数据分析,将坝体变形过程数值化,研究坝体级配、坝体内坡和初始溃口宽度对最大输沙率的影响。根据观察到的现象,可以总结以下规律:内坡坡度越大,最大输沙率越大,峰现时刻越早出现;拣选系数越大,最大输沙率先增大,随着粗沙继续增加,反而减小;初始溃口宽度越小,最大输沙率越大,峰现时刻越晚出现。

一维溃坝水沙数值模拟

在水库溃坝时考虑泥沙冲淤问题具有十分重要的现实意义。采用有限体积和有限差分相结合的方法,通过对一维非恒定水沙数学方程组的离散求解,建立了一维溃坝水沙数学模型。针对新集水库不同运行年限后的淤积情况,采用该模型进行溃坝水沙数值模拟,并与蓄水初期无泥沙淤积时的清水溃坝计算相比较,分析溃坝后库区淤积泥沙下泄对洪水波传播及河床变形等因素的影响。结果表明,对于运行一定年限的水库溃坝,除了大量泥沙下泄、覆盖下游河道和岸边良田以外,由于地形和糙率的改变,对坝下游洪水波的传播也将产生一定的影响。

基于FLOW-3D的尾矿库逐渐溃坝三维数值模拟

为了分析尾矿库逐渐溃坝时溃口随时间的变化过程以及溃坝后尾砂的淹没范围,基于FLOW 3D软件建立了三维数值模型。模拟了水槽内的逐渐溃坝,将计算得出的溃口形态变化数据以及水位数据与实验数据进行对比,结果基本吻合,验证了数值模拟的精确性和可靠性。以某尾矿库为例,利用该数值模型模拟逐渐溃坝,结果表明:尾矿坝溃决时先冲刷溃口底部,而后逐渐向两侧侵蚀,坝体侵蚀断面呈U型分布,随着水量减少,泥沙慢慢沉积,最终稳定,泥沙下泄量约为总泥沙量的31.1%,随着距离的推移,泥沙淤积量沿程减少,下游房屋监测点最大水深15.44 m。

溃坝洪水模拟中泥沙因素的影响

鉴于在溃坝洪水模拟中较少考虑泥沙因素的影响,采用欧拉模型即双流体模型模拟了溃坝洪水中的悬移质泥沙颗粒,通过对比来流为清水、含悬移质泥沙的水沙流两种情况下壁面剪切力,证实了悬移质泥沙可增强水流剪切作用、加速溃坝过程,并分析了淹没区障碍物对悬移质泥沙的影响,给出了溃口发展过程和下游河道泥沙淤积状况。所有模拟结果均符合实际溃坝规律,可为溃坝洪水精确模拟和灾害性分析提供参考。

溃坝水流与泥沙冲刷的三维数值模拟研究

基于N-S方程、RNG k-ε模型和有限差分法建立了溃坝洪水分析的三维数学模型,进行了溃坝洪水通过直角弯道的模型试验,并将计算值与实体模型试验结果中洪水的实测值进行对比,结果表明渠道内洪水位的计算值与实测值高度吻合,流速大小与方向也基本一致。为进一步研究溃坝洪水冲刷问题,在水流模型的基础上加入了泥沙模型,并采用槽宽突变渠道中溃坝洪水冲刷的模型试验进行验证,验证结果表明洪水水位的实测值与数值模拟计算值吻合较好,冲刷完成后的冲刷坑深与堆丘高度也基本一致,说明所建的泥沙模型在研究溃坝洪水泥沙冲刷问题时有较好的准确性与实用性。

某水库库区淤沙对溃坝洪水影响分析

为分析某淤积型水库淤沙对溃坝洪水计算的影响,将MIKE21中的水动力模块与输沙模块耦合构建了二维溃坝水沙模型,分别模拟了不考虑淤沙与考虑淤沙运动水库的溃坝洪水演进过程。模拟结果表明,与不考虑淤沙运动水库溃坝相比,考虑淤沙的水库溃坝洪水下游各断面洪峰流量减小,洪水过后水位升高,水深变化不明显。

库区泥沙对溃坝洪水影响分析

针对淤积型水库溃坝洪水计算中是否考虑泥沙因素影响、产生怎样影响的问题,利用M IKE21中的水动力模块(HD)与输沙模块(ST)耦合,模拟淤积水库清水、浑水溃坝洪水演进过程,并通过溃坝峰顶流量值、溃坝最大水位值及溃坝洪水淹没历时的变化,分析泥沙因素对水库溃坝洪水影响。结果表明:库区泥沙可使下游各断面溃坝峰顶流量值变小,淹没历时变长;泥沙的中值粒径对峰顶流量、水位、淹没历时有影响。

特大洪水演变过程及不确定性研究项目专题(五)——WP4:模拟溃坝引发的洪水和泥沙运动

4家研究机构参与了IMPACT项目泥沙运动专题的研究。研究中首先进行了一系列的试验室试验,获取了大量的试验数据。研究机构建模模拟了试验室极端洪水条件下的泥沙运动,并结合Lake Ha! Ha!大坝溃决事件,研究人员将模型用于该真实案例的模拟研究中。通过对比试验室试验数据和真实溃坝案例的数据,检验了数字模型,评价了各模型的性态和不确定性,并依此提出了关于未来研究的建议。

尾砂库溃坝对大环江沉积物中重金属的影响

为研究2001年特大洪水导致的北山铅锌矿尾砂库溃坝对大环江沉积物中重金属含量的影响及其潜在的生态风险,沿大环江自北向南设置了21个样点,共采集沉积物样品77个;分别采用SQG（沉积物质量基准）、PLC（污染负荷指数）和Hankson潜在生态风险指数法,对尾砂库下方大环江沉积物表层及剖面中As、Pb、Cd、Cu和Zn 5种重金属进行了分析和评价.结果表明：大环江沉积物剖面p H平均值在2.09-7.51之间,其中38.1%的采样点土壤p H低于环江县背景值上限;表层（0-25 cm）沉积物中w（As）、w（Pb）、w（Cd）、w（Cu）和w（Zn）的平均值分别是环江谷地土壤平均值的3.2、20.0、59.2、2.1、17.0倍.沉积物剖面的重金属质量分数分布主要有自上而下先降后升或先升后降2类规律,w（As）与w（Pb）、w（Cu）,w（Pb）与w（Cu）、w（Zn）,w（Cd）与w（Zn）均呈显著相关.根据SQG法评估结果,大环江沉积物剖面首层（0-22 cm）w（As）、w（Pb）、w（Cd）和w（Zn）已对水域生物产生严重影响;大环江流域的PLI为2.57,属于极强污染;以环江县土壤背景值为参比值的Hankson潜在生态风险指数分析结果显示,大环江表层沉积物呈现强-极强的生态风险,5种重金属的污染程度为Cd〉Pb〉As〉Zn〉Cu.尾砂库溃坝导致大环江沉积物中重金属质量分数陡然升高且难以恢复.

基于双流体模型的三维溃坝洪水模拟

在溃坝洪水模拟中,泥沙因素的影响不可忽略。针对坝体溃决中的水沙流动,溃口采用DAMBRK模型中的概化梯形模型,通过欧拉模型即双流体模型成功模拟了溃坝洪水中的悬移质泥沙颗粒。对比来流分别为清水和含悬移质泥沙的水沙流、在下游有村庄阻水和无阻水情况下坝面剪切力的大小,证明悬移质泥沙加快了坝体溃决,下游阻水建筑物对水沙流的破坏有抑制作用,最后给出了河道中泥沙的淤积分布情况。所有模拟结果均符合实际溃坝规律和环境。

尾矿坝溃决砂流数值模拟研究及应用

为研究尾矿坝溃决砂流流动状况,基于二维溃坝水流数值模型及高含沙水流运动研究成果,建立尾矿坝溃决砂流数值模型。采用有限体积法对平面二维砂流运动方程及高浓度非平衡全沙输移方程进行离散求解,并运用中心迎风格式计算网格界面通量,且通过对界面两侧变量线性重构,使模型具有空间上的二阶精度。为保证模型的稳定性,用中心差分方法和半隐式方法,分别离散求解摩擦阻力项与底床坡度项。应用二维溃坝水流数值模型和尾矿坝溃决砂流数值模型,分别模拟某省尾矿坝溃决洪水、砂流运动状况。分析结果表明,尾矿坝溃决砂流与普通水坝溃决过程显著不同,受含沙量变化以及水流与泥沙相互作用和河床变形的影响,溃决砂流计算所得溃决不同时刻的流速、泥深与溃决洪水计算所得流速和水深有明显区别。

淤地坝淤积对漫顶溃坝洪水影响数值模拟研究

为分析淤地坝淤积高度对漫顶溃坝洪水的影响,选择理想沟道和某小流域内的淤地坝为研究对象,采用耦合溃口演变过程的水动力数值模型,模拟分析了不同淤积程度下淤地坝溃坝洪水过程。研究表明:溃坝洪水流量随淤积高度的增加而减小,且洪峰流量与淤积高度的关系可用二次多项式拟合,相关系数均在0.99左右,拟合精度较高;淤积高度至坝高20%和40%时,洪峰流量削减率分别达40.50%和68.71%,可见在淤地坝运行初期和中期,淤积对洪峰流量的削减效果显著。研究成果对淤地坝系规划及安全度汛有指导意义。

尾矿沉积固结对溃坝后尾矿浆体运动特性的影响探究

沉积固结是随着时间增长土体体积压缩的过程。随着尾矿堆积时间增长,孔隙水排出,尾矿密实度增大,土体强度特性和流变特性发生变化。实际生产中尾矿坝加高过快,尾矿沉积固结不充分,不利于尾矿库的稳定,增大了灾害发生几率。通过尾矿库溃坝模型试验探究尾矿沉积固结对尾矿库溃坝后浆体运动特性的影响,研究结果表明:随着下泄距离的增加,尾矿堆积深度逐渐减小,在临近堆积区因底面坡度改变有小幅度的增大;随着沉积固结时间增长,流通区上游尾矿堆积深度逐渐增大,当沉积固结时间超过5h后,尾矿堆积深度开始减小;随着尾矿固结度增大,溃坝量逐渐减少,相较于固结0h溃坝,固结24h溃坝量减小了7%。六组试验堆积区淹没范围随时间的变化规律基本相同,但最大下泄距离随着沉积固结时间增长而减小。用分段函数拟合堆积区溃坝淹没范围随时间的变化规律,为下游防灾避险工作提供参考依据。