堤防漫顶溃决物理模型试验研究进展

随着社会经济的发展,堤防保护区内人口及资产密度不断提高,一旦遭遇极端降雨事件引发堤防溃决,会对人民生命和财产造成重大威胁,因此开展堤防溃决机理和溃堤水流特性的研究对水灾害防治工作具有重要的意义。堤防漫顶溃决物理模型试验是研究堤防溃决机理与溃堤水流特性的重要手段,有必要对该方面众多的成果进行归纳总结,以便更好的开展该领域的研究。本文回顾了近年来有关堤防漫顶溃决物理模型试验所取得的相关研究成果,总结了堤防漫顶溃决试验所用装置及测量设备,并对堤防溃口处水力特征、溃口形态演变以及溃口出流过程三个方面的研究成果进行了梳理。研究发现已有试验成果中对河道内外水动力响应变化规律的认识并不成熟,对堤防溃口水沙运动机理的阐述也不够清晰,继续开展堤防漫顶溃决试验,深入研究堤防溃决机理与溃堤水流特性依然非常必要。

均质土堤漫溢溃决机理试验研究

为研究堤防漫溢溃决机理及溃决影响因素作用规律,考虑河道来流量、堤高以及诱导溃口宽度3个影响因素,开展了5组均质土堤大尺度漫溢溃决试验。通过试验研究发现,溃口发展过程可分为初期较快发展期、中间快速增长期、后期缓慢增长期和稳定期4个阶段。研究表明:在第1个阶段存在陡坎侵蚀现象,峰值溃决流量则出现在第2个阶段;初始诱导溃口较宽时,第1个阶段溃口无明显扩宽;溃决过程中,溃口附近水位及水流不对称,进而导致溃口上下游侧均呈左右不对称发展;来流量和堤顶高程的增加均使得溃决峰值流量增大,而初始溃口宽度的增大则导致溃决初期坡面冲刷形态发生变化;来流量较大时,溃口初期扩宽速度较大。初始溃口宽度越窄,溃口平均扩宽速度越大。研究成果可为堤防建设与防汛抢险提供参考。

洪洼洪泛区溃堤洪水与漫溢洪水联合演进数值模拟

河道溃堤洪水与漫溢洪水是两种典型的洪水灾害,准确模拟这两类洪水的联合演进过程至关重要。为准确获取超标准洪水条件下溃堤洪水和漫溢洪水的联合演进情况,以淮河流域典型洪泛区为研究区域,结合河道形态、下垫面条件、工程调度等情况,综合确定网格大小、空间步长与时间步长等。采用MIKE11构建一维河网模型,采用MIKE21构建洪洼洪泛区二维水动力学模型,采用MIKE FLOOD构建一维、二维耦合模型,分别采用标准连接、侧向连接耦合溃堤洪水与漫溢洪水。采用2003年、2007年典型洪水过程对一维模型的参数进行率定和验证,模拟水位过程与实测水位过程拟合较好,纳什效率系数均大于0.80,水位峰值模拟值与实测值偏差小于5%,构建的模型能够同时模拟溃堤、漫溢洪水演进过程。在100 a一遇、300 a一遇超标准洪水与不同防洪薄弱堤段组合情景条件下,开展典型溃堤、漫溢场景的洪水联合演进过程模拟。模拟结果表明,100 a一遇、300 a一遇超标准洪水淹没范围分别为121.50 km^(2)、149.87 km^(2),平均最大淹没水深分别为2.33 m、2.90 m,洪水演进及淹没情况符合区域地形地物等实际情况。研究成果可为区域洪水预案编制、灾害预警、决策制定、避洪转移等提供依据,也可为同类型研究工作提供借鉴。

洞庭湖团洲垸堤防特大决口高效封堵关键技术

2024年7月5日,湖南华容县洞庭湖团洲垸一线堤防发生溃决,最终形成口门宽度226 m、平均水深超10 m的特大决口。中国安能建设集团有限公司受命迅速牵头制定“石碴戗堤沿原堤线立即封堵”方案,创新“机械化双向立堵+船舶水上抛投”战法、多料掺混抛填及船舶集群抛投技术、戗堤两侧坡面复合防渗防浪体系设计,集成采用水陆空立体侦测和数据融合技术,解决了特大决口快速高效封堵的技术需求和湖区与垸内水位差复杂变化条件下戗堤防渗闭气难题。按“抢筑裹头→双向立堵+水上抛投→突击合龙→加高加固→防渗闭气”的程序,提前13.5 h实现戗堤封堵合龙,是堤防特大决口及时高效封堵的典型战例。

生产堤溃口展宽过程的概化模型试验研究

为研究生产堤溃口横向展宽过程的发展规律,以黄河下游生产堤土体为材料,开展概化模型试验,分析溃口处水深、流速、流量以及溃口宽度的变化。试验结果显示,溃口横向展宽的机理主要表现为水流冲刷堤身下层土体伴随上层悬臂土体发生绕轴崩塌;随着溃口展宽,堤前水深持续下降但下降速率逐渐减小,溃口流速呈先增大后减小的趋势,流速峰值约为1.1 m/s;随着主槽流量增加,溃口宽度发展至0.7 m时,溃口的水深、泄流流量、流速、展宽速率均有所增加。基于对溃口展宽的影响因素分析,提出溃口横向展宽速率的计算关系式,计算溃口展宽过程与实测值符合较好。研究结果不仅有助于生产堤展宽机理及发展规律的研究,还可为数学模型的建立与验证提供参考资料。

黄河下游悬河决口灾害的风险分析与评价

本文运用风险分析理论和方法 ,对黄河下游河南境内的若干河段进行了决口灾害的风险评价 .结果发现 ,鹅湾 -渠村河段发生决口灾害的风险最大 .文中的分析结果可为黄河下游悬河治理的优化决策、重点治理河段的科学确定提供重要依据和可靠保证 .

黄河下游不同洪水情景决溢风险评价

本文提出黄河下游悬河决溢风险的影响因素应当包含水沙运动、区域地壳稳定性、河势演变和堤防稳定性4个方面,并据此建立了指标体系和基于GIS技术的多层次模糊综合评判模型,对不同洪水情景下黄河下游的决溢风险进行了评价。结果表明:(1)决溢风险随着洪水量的增大而增高;(2)决溢风险随河型的沿程变化而降低;(3)决溢风险较大的河段集中在游荡型河段,游荡型河段南岸风险高于北岸;(4)弯曲型河段北岸决溢风险高于南岸;这些结论能够应用于黄河下游河道的治理与防汛抗洪的实践。研究表明:本研究的评价指标体系和方法,能够用于解决黄河下游的决溢风险问题;GIS空间分析技术能够量化不同空间位置的决溢风险,客观地反映不同空间位置决溢风险的差别,对于指导防洪和河道治理的实践具有重要的现实意义。

联安围防洪保护区洪水演进模拟分析

针对联安围防洪保护区地形多变,水系复杂的特点,以水力学方法为理论基础,构建了一维水流模型与二维非恒定流模型水动力耦合的洪水模拟模型,综合考虑研究区丘陵地形、不同重现期洪水、防洪系统薄弱堤段等组合情景,进行基于情景方案的河道溃决洪水演进模拟及风险分析,模拟不同情景下保护区内的淹没面积、水深、溃口流量过程和洪水演进过程。结果表明,该模型能综合反映溃堤洪水造成的影响,可为洪水灾害的预警提供技术支持。

高填方渠道溃堤洪水三维风险图研究

目前的风险图绘制研究中,洪水淹没计算多基于一、二维数值模拟,洪灾风险分析较少考虑地形危险性,未能真实反映复杂下游区域洪水淹没情况及洪灾风险分布.因此,本文提出基于三维数值模拟和数据场耦合的高填方渠道溃堤洪水风险图分析方法.首先,建立耦合VOF法的SST k-ω三维溃堤洪水演进数学模型,该模型结合了k-ω和k-ε模型的优势,增加了交叉扩散项,考虑了剪切应力的输送过程,能更精细地模拟湍流过程;其次,基于三维溃堤洪水淹没计算,引入数据场模型,考虑区域地形与洪水各灾情信息的综合风险,绘制三维洪水风险图,并与二维洪水风险图相结合,实现洪灾风险分布的详细、直观表达.以某高填方渠道为例,阐述了风险图绘制方法,分析了溃堤洪水的风险分布特征.

黄河下游悬河决溢风险评价指标体系的构建

针对黄河下游存在决溢风险的现状,根据环境因素对悬河决溢的作用机制,通过对地质构造评价在决溢风险评价中的地位、洪水要素对悬河决溢的影响、不同决溢模式的形成机理进行了分析,从而建立了一套较为系统的黄河下游悬河决溢风险评价指标体系。文中提出了以下观点:1.将洪水要素纳入评价指标体系:2.决溢风险评价分为地质构造环境背景评价和决溢情景评价两部分;3.决溢情景评价与决溢模式相结合;4.以不同决溢模式的形成机理为基础确定评价因子。

河道堤防决口风险辨识与防控对策

河道堤防的安全运行是保障我国水生态、水文化建设的重要基础。在收集整理新中国成立以来533处堤防决口案例基础上,对堤防工程达标情况及决口成因进行了系统分析,并从风险管理角度辨识了引起决口的自然因素、工程因素和人为因素等。为有效降低极端降雨条件下堤防工程的运行风险和决口损失提出建议。

舟山东港新城溃堤洪水演进数值模拟

台风会引起风暴增水和强浪。围填海工程建于软土地基上,海堤易产生不规则沉降,在台风引起的强浪作用下有可能发生溃堤,海水在高水位下大量涌入围区,引发灾难。针对溃坝的急变流特性,基于Delft3D Open Source,采用一种基于经典交错网格的改进型数值方法(其水流扩展流动数值近似算法符合动量守恒,而水流收缩流动数值近似则满足伯努利方程),建立了舟山东港新城溃堤洪水演进模型,并计算了最大可能风暴增水条件下溃堤洪水在东港新城的演进过程。结果表明,围区内的地形形势对洪水的演进及最终分布起了决定性作用,当溃口出现在不同位置时,影响范围和程度不一样。东港南部由于地势较低,且没有大型的吸纳洪水的人工湖,当附近出现50 m宽的溃口时,近乎整个南部区域都会受到海水的影响;而北部由于地势相对较高,影响有限。

黄河河道格局的历史演变及其对现代治黄思路的启示

在学习、整理有关黄河形成发育过程和黄河下游大改道变迁分期研究成果的基础上 ,结合当前黄河治理中的重大问题 ,对黄河决溢、改道的变化进行了分析归类 .按照黄河下游河道演变的成因、影响及其与相邻河系的关系等 ,将黄河发育进化分成 9个历史阶段 .把黄河改道纳入黄淮海平原发育的整体格局的演变中综合全面研究 ,以弥补只视改道为各个孤立、偶发事件的研究方法局限 .由此认为 ,2 0世纪后期是黄河和黄淮海平原完全发育成熟的阶段 ,而 2 1世纪开始了黄河的新纪元 .

抚河尾闾抚东堤防洪保护区洪水风险分析

江西省是洪涝灾害发生较频繁的区域,特别是受上游洪水和鄱阳湖水顶托双重作用的赣抚尾闾河段。分析其洪水风险,对于提高江西省防洪减灾能力、减轻或避免生命财产损失是非常必要和迫切的。以抚东堤防洪保护区为例,利用MIKE软件建立一维、二维耦合模型,分析不同溃口在标准内(20 a一遇)和标准外(50 a一遇)洪水叠加鄱阳湖1954年型设计洪水条件下的洪水演进过程、淹没范围和淹没损失等。研究结果表明,由于抚东堤防洪保护区内地形起伏较大,不同河段的溃口溃决后的风险大小不同,其中上段李家渡水文站下侧溃口发生溃决时,洪水影响最大。研究结果对于类似区域洪水风险分析具有一定的参考价值。

2021年7月卫河浚县彭村堤防堵口的启示

2021年7月17日至23日,新乡、鹤壁等地遭遇历史最大降雨过程,造成卫河浚县彭村堤防决口。在地方行政首长领导下,当地军民、中国安能集团救援队和技术专家组团结协作,利用现代化装备和钢筋笼、大块石、铅丝网石子袋笼和满载石料的卡车等材料奋力抢险堵口,历经初次合龙失败和后期方案修正,成功堵复,既体现了现代化大型装备、现场应急抢险方案与技术、完善的防汛责任制及抢险组织的有效性,也暴露了中小河流堤防标准低、决口概率大、现场抢险条件恶劣、缺乏高效可靠的抢险技术和手段等问题。

堤防决口下游泥沙冲刷的三维数值模拟分析

堤防决口水流冲刷将直接影响建筑物的整体安全,基于Flow-3D软件建立了泥沙冲刷的三维数学模型并采用物理模型试验算例进行验证,验证结果表明数值模拟泥沙计算值和试验实测值拟合较好。随后采用所建模型模拟计算了不同型式(矩型、U型、T型、V型)堤防决口的冲刷过程并对计算结果进行比较分析,结果表明堤防决口出口堤脚处水流冲刷泥沙的程度最大,冲坑深度随着河道水流方向逐渐增大,矩型决口下游泥沙冲刷的的范围面最广,冲坑两侧泥沙堆积高度最大;V型决口下游泥沙冲刷的范围最小,泥沙堆积范围最小;U型和T型决口下游冲坑发展较为对称且规律相似,可相互参考分析。

堤防溃口水流特性与封堵技术研究进展

堤防溃决洪水可能造成巨大的经济损失甚至人员伤亡,及时封堵溃口是减轻损失的必要措施。溃口封堵效率的提升既有赖于封堵技术的创新,又以对溃口水流特性的深入认识为前提。回顾了近年来主要通过物理模型实验取得的溃口演进过程和水力特征的研究成果,总结了溃口封堵工程实践中主要采用的封堵材料及其计算方法与适用条件、堵口方法及其配套构件与施工装备,追踪了溃口封堵技术的新发展趋势。在梳理已有进展的基础上,提出应加强溃口水流特性实验研究,注重溃口参数便携式测量技术和自动化、快速堵口装备研发。

堤防安全及抢险技术的分析与应用

了解堤防的溃决机理和抢险手段对堤防安全运行有重要意义,将堤防的破坏形式分成漫顶破坏、渗透破坏和边坡失稳,分析了不同堤防破坏形式的机理,按溃口形成前后的顺序梳理了堤防的破坏形式及对应的抢护流程。结合实际案例分析了现代堤防抢险手段和传统手段的区别,对现有堤防的抢险方法进行了总结和展望。

堤防决口封堵材料应用分析

堤防决口突发性强、破坏力大,可造成重大人员伤亡和财产损失。本文通过计算分析决口水力学特性和堵口材料抗冲稳定性,正确选择堵口材料的粒径和堵口方法,系统分析论述传统和现代的各种堤防决口封堵材料的适用条件、应用形式和实践应用等,提出因地制宜、就地取材、多种组合、不断创新的现代抢险新模式。

围填海溃堤洪水演进数值模拟

围填海工程建于软土地基上,海堤易产生不规则沉降甚至坍塌,而在高水位期间可能发生溃堤灾害。本文采用HLL逼近Riemann解格式计算界面通量和有限体积法离散控制方程建立了数学模型,对围填海工程溃堤洪水运动进行模拟研究。针对浙南某围填海工程,成功模拟了海塘不同位置发生溃堤时的洪水演进过程:溃堤初始时刻,围区内淹没面积和淹没水深增长迅速,其后洪水推进速度放缓,平均水深则经历下降、快速增长、缓慢增长3个阶段变化;并且南堤溃决事故下同时刻平均水深较东堤溃决时高0.3～0.5m,其洪水灾害性和风险性更高。进一步分析双溃口条件下淹没水深的空间分布及其变化规律可知,洪水完全淹没围填海区仅需要60min,溃堤4h后淹没水深可达1.7m,围区东、南部两股水流迅速交汇将会造成较大的人员伤亡,其他区域居民可有15min以上逃生时间。另外,糙率参数在±15%区间变化下,计算平均水深最大变幅为20%,淹没面积最大变幅为14%。研究成果对于减少溃堤突发事故损失,提高工程建设管理水平具有重要现实意义,可为今后围填海工程的安全设计和风险评估提供技术依据。