基于NWS BREACH的唐家山堰塞坝泄流过程模拟

NWS BREACH模型是目前国内外模拟土石坝或堰塞坝漫顶及管涌破坏最常用的数学模型。基于唐家山堰塞坝的实测资料,建立了唐家山堰塞坝漫顶泄流过程数学模型,并通过现场监测得到的流量过程和库水位变化资料验证了所建立模型的合理性。对模型中的重要参数进行了敏感性分析,研究了坝料平均粒径、冲蚀率、下游坝坡坡比3个参数对模型计算结果的影响,表明坝料冲蚀率和下游坝坡坡比对泄流过程影响显著。研究成果对堰塞坝除险和洪水风险评估具有指导意义。

唐家山堰塞湖应急除险工程堰塞坝下游洪水演进复演验证

将溃坝模型和传统一维非恒定流模型相结合,建立了溃坝洪水演进数学模型。采用DEM数字模型插值技术快速获取计算断面地形,能适合于资料缺乏情况下的应急模拟计算。运用该模型,对唐家山堰塞湖应急除险工程堰塞坝下游洪水演进过程进行了复演计算,验证结果表明计算的水位、流量过程与实测情况符合较好,从而证明了模型的可靠性。

唐家山堰塞体渗流稳定及溃决模式分析

在准确获取唐家山堰塞体地质结构(从上到下依次为①层碎石土、②层块碎石和③层似层状碎裂岩3层结构)及相关渗透参数基础上,采用Visual Modflow可视化三维软件,模拟4种堰塞湖水位(710,720,730和740m)条件下不同土层的渗流速度和渗透坡降,表明由于②,③两层颗粒粗大、渗透性好,总体表现出稳定流的渗水特点,整体坡降变化稳定,中间不会出现如低渗透黏性土的紊流状态、渗透坡降出现拐点以及管涌渗透特点。而下游侧①层碎石土由于沿第③层形成的贯通性渗流在下游侧穿越该层渗出形成的最大坡降会大于允许坡降,将导致堰塞体下游发生零散或局部渗流破坏,且临界堰塞湖水位为726m。随堰塞湖水位抬升,整个堰塞坝体出现的溃决模式为:下游侧表层碎石土层因渗透破坏和溯源侵蚀,同时因进口段地表水流漫顶淘刷,最终导致上部第①层碎石土被侵蚀、淘刷带走。随着第①层被淘刷、水流速度加大又进而会带动第②层块碎石被逐渐冲刷下切,但不会发生整体溃决,而第③层似层状碎裂岩将保持稳定,侵蚀和淘刷的下限深度就是第③层似层状碎裂岩顶部。

堰塞坝渗流稳定性及坝体动力响应研究

堰塞坝是由崩塌、滑坡等堵塞河道而形成的天然坝体。区别于人工坝,堰塞坝具有坝体结构松散、材料分布不均的特点,其一旦形成,极易在短时间内发生失稳破坏(漫顶溢流、渗流破坏及坝坡失稳),威胁下游群众的生命财产安全。堰塞坝的失稳破坏主要受到上游水位、坝体渗流及余震作用的影响,本文以唐家山堰塞坝为研究背景,基于通用有限元软件ABAQUS建立堰塞坝渗流及动力响应分析模型,研究堰塞坝在渗流及余震作用下的稳定性,并进一步分析渗流及坝体余震对堰塞坝溃坝模式的影响。研究结果表明,(1)唐家山堰塞坝坝体发生渗透破坏的可能性较小,但随着上游水位的上升,堰塞坝发生渗流破化的概率增大;(2)堰塞坝内部动力响应特征表现为沿坝高从上到下,坝体的加速度放大倍数逐渐减小,动力响应呈现明显的“表面放大”效应;(3)余震作用下,堰塞坝不会发生整体失稳破坏,但余震使得堰塞坝坝高降低,从而加速其发生漫顶溢流破坏。

“5.12”地震后通口河唐家山-邓家河段河道演变分析

"5.12"地震造成唐家山-邓家河段震后滑坡、泥石流等次生灾害频发,尤其是唐家山堰塞湖泄洪和"9.24"魏家沟泥石流进入河道,河道边界条件的改变使该河段河道发生了剧烈的演变。本文分析了唐家山-邓家河段的平面河势、纵向、河床组成上的变化情况,并预测了该河道未来的演变趋势。本文成果对震后该河段综合整治、科学规划及地震遗址保护具有一定的现实意义。

长距离溃堰洪水演进二维数值模拟

建立了用于模拟溃堰洪水演进的平面二维水流数学模型。采用非规则四边形网格划分计算区域,用有限体积法求解水深积分方程,显式MacCormack预测—校正格式步进计算,采用基于界面属性与单元属性的动边界技术处理干湿变动网格。模拟了唐家山堰塞坝溃堰过程及溃堰洪水在长约70 km河道中的演进过程,给出了各溃堰方案下溃口及沿程测站的水位流量过程,以及沿程最大洪峰流量,模拟结果充分反映了河道平面形态变化、漫滩及槽蓄对洪水演进的影响,为堰塞坝溃坝预案的制定提供了科学依据。

土石坝漫顶溃决模型的分析比较

为解决由现场溃坝过程记录资料匮乏导致的大量土石坝漫顶溃坝模型得不到工程验证的问题,在分析总结17种土石坝漫顶溃决机理模型基础上,以唐家山堰塞坝1/3溃坝事故为工程背景,选取BREACH模型、DB模型和IWHR模型对其溃坝过程进行数值模拟,研究这3种模型计算得到的筑坝材料冲蚀速率、流量过程线和水位变化曲线与实测值的差异。应用BREACH模型研究了筑坝材料的黏聚力、内摩擦角、不均匀系数和孔隙率对流量过程线的影响。结果表明:(a)IWHR模型预测的洪峰流量最大,BREACH模型次之,DB模型最小;(b)与实测数据相比,DB模型和IWHR模型预测的峰现时间提前,BREACH模型预测的峰现时间推迟;(c)随着黏聚力和内摩擦角的增大,计算峰值流量减小,峰现时间延后;(d)随着孔隙率和不均匀系数的增大,计算峰值流量增大,峰现时间提前;(e)不均匀系数和孔隙率对溃坝计算结果的敏感性尤为显著。