基于MIKE11的堰塞坝溃决过程数值模拟

堰塞坝溃决过程数值模拟结果主要取决于水流模型、溃口展宽和溃口泥沙侵蚀。阐述了堰塞坝溃决的基本原理,依托于资料完整的唐家山堰塞坝溃决过程,使用MIKE 11模拟了其溃决洪水流量过程、溃口展宽、侵蚀流速及溃口底高程的冲刷过程,模拟结果均与实测资料接近。通过参数敏感性分析发现,溃口初始宽度和筑坝材料孔隙比对结果影响较大,坝体上下游坡比对结果影响较小,验证了基于物理机制模型的MIKE11在溃坝洪水过程数值模拟中的合理性和稳定性。模拟结果表明,Englund-Hansen泥沙侵蚀方程适用于孔隙比约为0.4、粒径2~8 mm的砂砾石。

初始含水率对黄土滑坡堰塞坝溃决影响研究

黄土区各类地质灾害伴随着极端降雨频繁发生,然而当前针对黄土滑坡堰塞坝溃决机制的相关研究成果较少,尤其是初始含水率、密实度、来水流量等参数对堰塞坝溃决的影响仍缺乏系统研究,其灾害机理尚不清晰。在影响堰塞坝溃决的众多因素中,初始含水率对黄土滑坡堰塞坝的稳定性有着重要影响,本文基于室内模型试验,初步探究了0%~25%含水率对黄土堰塞坝溃决的影响。试验表明:(1)不同初始含水率下的黄土滑坡堰塞坝溃决模式有四种,含水率为0%~18.75%时,堰塞坝溃决模式主要为漫顶溃决;18.75%~21.25%时漫顶溃决与渗漏管涌溃决并存;21.25%~23.75%时溃决模式表现为漫顶溃决与坝体失稳溃决并存;23.75%~25%时表现为坝体失稳溃决。其中漫顶溃决过程具有三个典型阶段:溃口及冲沟发展阶段—溃口扩大阶段—溃口稳定阶段。(2)不同初始含水率下的黄土堰塞坝坝体侵蚀规律为:随着土体初始含水率的逐渐增大,水流对溃口底部的下切作用和溯源侵蚀能力逐渐减弱,牵引侵蚀作用增强。(3)对于漫顶溃决模式,溃决后的溃口宽深比随土体初始含水率的增大,呈现出先增大后减小的趋势,而发生坝体失稳溃决的堰塞坝溃口宽深比无显著规律。该研究成果可以为黄土堰塞坝溃决灾害的防灾减灾提供一定的理论参考。

堰塞坝漫顶溃决过程数值模拟

根据堰塞坝坝体材料的宽级配特性,建立描述堰塞坝漫顶溃决溃口发展规律与流量过程的数值模型。该模型引入与水流方向垂直的附加作用力来考虑粗颗粒对细颗粒的阻拦和遮蔽作用以及细颗粒对粗颗粒的包围和填实作用。基于不同土体陡水槽冲蚀试验结果,针对宽级配堰塞坝材料在高强度水流侵蚀条件下的冲蚀特性,建议采用能反映坝体材料颗粒级配、密实度、强度、坝体坡度、水流速度及摩阻流速对冲蚀量影响的土体冲蚀公式。利用该数值模型对唐家山堰塞坝溃决案例进行计算分析,所得溃坝洪水流量过程与实测结果接近,验证了该模型和计算方法的合理性,表明该模型能准确反映水库库容和上游补给水流量对堰塞坝漫顶溃决发展过程的影响。

堰塞坝稳定性快速评估模型--以小岗剑(上)堰塞坝为例

为了对堰塞坝的稳定性快速作出定量评价,通过分析历史案例并进行相关性分析,选取堰塞坝坝长、坝宽、坝高、回水长度、库容量作为堰塞坝稳定性评价因素,并进行主成分分析。将单一变量按照主成分大小及权重进行组合,得到坝高因子,高宽比,水流冲击系数,湖面形状系数,坝体形状系数五个复合因素,在此基础上提出一种定量分析堰塞坝稳定性的快速评估模型,同时引入稳定性系数来反映堰塞坝的稳定程度,进行等级划分,并对汶川大地震中形成的小岗剑(上)堰塞坝应用模型进行评估。结果表明所提出的模型判定准确率达89.9%,可以为堰塞坝应急处理提供参考。小岗剑(上)堰塞坝判定为不稳定,需及时采取泄流措施避免灾害损失。

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。