Numerical Simulation of Dam-Break Flooding of Cascade Reservoirs

Previous studies at home and abroad have mainly focused on single dam-break, and little attention has been paid so far to the dam-break of cascade reservoirs. Multi-source flooding, which can lead to three-dimensional turbulent phenomena and superposition effects, is the main difference between the dam-break of cascade and single reservoirs. Detailed descriptions of the coupled numerical simulation of multi-source flooding have little been reported, and the initial wet riverbed is rarely considered in current models. Therefore, in this paper, a method based on the three-dimensional (Formula presented.) turbulence model coupled with the volume-of-fluid method is proposed to simulate the dam-break flooding of cascade reservoirs. The upstream river, reservoir, and downstream river are connected by the internal boundary method, and the initial conditions, including river flow and reservoir water, are determined according to the results of the numerical simulation. Coupled numerical simulation of different dam-break flooding is then achieved. The present work solves the challenges presented by the enhancement and superposition of natural river flow, upstream flooding, and downstream flooding. This paper provides a theoretical basis for future studies on the dam-break flood routing of cascade reservoirs. © 2017 Tianjin University and Springer-Verlag GmbH Germany

Life Loss Estimation Based on Dam-Break Flood Uncertainties and Lack of Information in Mountainous Regions of Western China

Compared with urban floods, dam-break floods are associated with greater uncertainties, including variable dam-break modes and hydrological characteristics, so conventional flood estimation methods cannot be directly applied in the estimation of dam-break flood loss. In particular, there is scant information regarding the conditions of affected area and hydrological characteristics in southwest China. In this paper, we introduce an integrated model for estimating flood loss that is adapted to the mountainous regions of southwestern China in light of the relative lack of available information. This model has three major components: a basic information model, a dam-routed flood propagation simulation model, and a loss estimation model. We established the basic information model despite the relative lack of available information using 3S technology [remote sensing (RS); geographical information system (GIS); global positioning system (GPS)], data mining technology, and statistical analysis techniques. Our dam-routed flood propagation simulation model consists of major hydrologic processes and their governing equations for flow propagation, which we solve using finite-difference schemes. In this model, the flood propagation area is divided into grids and each grid is determined by the characteristic parameters obtained from the propagation simulation. We present a case study of the Lianghekou hydropower station in Sichuan Province, China to illustrate the practical application of this integrated model for life loss estimation. © 2017, Tianjin University and Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

高拱坝表中孔窄缝式挑坎泄洪雾化特性分析

对古学水电站拱坝表中孔窄缝布置方案的泄洪雾化特性进行分析,根据物理模型试验成果,率定出不同频率洪水条件下,坝身表中孔的泄洪雾化水力因子,然后考虑水舌入水形态、复杂河谷地形及气象条件等因素,得到了泄洪风场与雾化降雨强度的等值线分布。研究表明,坝身表中孔采用窄缝出口体形,泄洪水舌纵向拉开,水舌两侧溅水受到前部遮蔽,且当表中孔联合泄洪时,内外侧不同水舌间也发生相互遮蔽。由于水舌两侧雾化源受到削弱,使得窄缝体形在保证消能安全的同时,能有效减小两岸雾雨爬升范围。在坝身各种泄洪条件下,雾化降雨分布范围在坝下80~700 m之间,两岸雾化雨区爬升高度仅为120~140 m,右岸下游电厂尾水出口处降雨强度0~20 mm/h,已属自然降雨范畴。

溃坝洪水演进一维水动力模型

中国是受洪水灾害影响最严重的国家之一。洪水数值模型可准确地反映洪水的演进与致灾过程。本研究针对天然河道洪水过程存在的尺度大、水流流态复杂、河道断面形式多变以及计算建模困难等问题,提出一套基于Godunov格式的有限体积法离散圣维南方程组的一维水动力模型,并采用求解复杂断面水力要素之间关系的方法,提高了一维水动力模型求解的精度与效率,精确地反映了复杂断面河道的水流运动特性。将模型模拟得到的数值解与算例中的解析解或实测数据进行对比,结果表明:(1)构建的一维水动力模型模拟结果与理想算例解析解及实验实测数据吻合程度均较高,所有算例的E NS均大于0.5,说明模型具有良好的稳定性和适应性;(2)将模型应用至金沙江白格堰塞湖溃坝洪水算例中,模拟得到的流量峰值及整体洪水过程均与实测过程吻合较好,在叶巴滩和苏洼龙两个测点处E NS分别为0.633和0.812,证明了模型在实际应用中的适用性与可靠性。结果表明,开发的一维水动力模型对溃坝洪水等水流流态复杂、突发性强的洪水过程具有良好的模拟效果。本研究可为河道及溃坝洪水风险的初步、快速评估等工作提供有效的模拟支撑。

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。

MIKE软件技术在水库溃坝洪水数值模拟中的应用研究

当前,水库大坝受到超频率的洪水以及强震破坏,而容易导致溃决风险。针对水库大坝溃决相关问题,融合BREACH和MIKE21构建耦合模型,并用于溃坝洪水数值模拟试验。结果表明,7种方案最大下泄流量为方案1的18.39×10^(4) m^(3)/s;方案1洪峰向地点C汇入点的洪水最大流量比邢台坝址下降约44%。方案1的溃坝洪水水位始终最高,A地最高为306m。综合来看,耦合模型在水库溃坝洪水数值模拟中具备有效性,在实际的水库防洪避险中具备实用性。

清远抽水蓄能电站溃坝洪水演进及影响分析

为研究清远抽水蓄能电站溃坝对下游梯级水库和防洪保护区的影响,利用MIKEFLOOD构建一二维耦合模型对溃坝洪水演进进行模拟。研究共设置12种工况,分析不同因素对溃坝后洪水流量、淹没范围、淹没水深等演进过程的影响。结果显示,溃决形式(溃口宽度)及溃决水位、溃决历时都是影响溃坝洪水的重要因素,且梯级电站溃坝后对于距离较近且地势较低的楼心村、大楼村影响最为显著,应采取相应预防措施。

基于DAMBRK模型的老鹰岩一级水电站溃坝洪水数值模拟分析

模拟分析水库溃决洪水,预估溃坝洪水对下游沿江居民生命财产安全的影响,对防灾减灾措施研究和完善流域应急管理机制具有重要意义。通过大渡河老鹰岩一级水电站为研究对象,采用DAMBRK溃坝数学模型计算了不同溃决方案并分析其影响,其中整个泄洪冲沙孔闸段瞬间溃决时对下游的危害最大。

基于二维水动力模型的溃坝洪水数值模拟研究

【目的】研究水库溃坝洪水影响。【方法】以辛庄水库为例,通过建立二维水动力模型,模拟了不同溃决方案下溃坝洪水演进过程,计算了下游高速铁路处淹没水深、流速、冲刷深度等,分析了溃坝洪水对下游高速铁路的安全运行影响。【结果】水库未溃决时,溢洪道最大下泄洪水能够正常通过铁路涵洞,对下游工程影响较小;水库大坝正面溃决的影响要比侧面溃决的影响大,下游部分铁路路基顶面过水,影响铁路正常运行;大坝溃决后最大流速是未溃决时的2.15~2.48倍,涵洞处最大冲刷深度是未溃决时的1.56倍。【结论】二维水动力模型可较好的模拟溃坝洪水演进过程和淹没范围,研究成果可为水库溃坝洪水灾害预防提供参考和数据支撑。

小型水库超标准洪水溃坝模拟及风险分析

我国小型水库数目众多,承担着防洪、灌溉、供水等重要作用。为减少水库遇超标准洪水溃坝后下游风险区的生命财产损失,以南王水库为研究对象,考虑水库遇超标准洪水下瞬时溃坝与渐进式溃坝两种溃坝形式,采用DB-IWHR溃坝模型模拟溃口流量过程,利用MIKE软件构建一二维耦合模型模拟洪水演进情况并进行风险分析。结果表明,下游淹没情况符合溃坝洪水演进的一般规律,模型可较好模拟超标准洪水引起大坝溃决的溃口流量与洪水演进过程,可为小型水库超标准洪水溃坝应急预案提供参考。

平原河网地区水库溃坝洪水数值模拟分析——以江西省柘林水库为例

为了克服传统一维水动力学模型在模拟平原河网地区溃坝洪水中的不足,准确模拟洪水漫溢堤防后泛洪区溃坝洪水演进过程,建立了平原河网地区水库溃坝洪水计算的一维-二维耦合模型。以江西省柘林水库为例,计算了水库不同工况下的溃坝洪水及其在下游洪泛区的演进过程,分析了溃坝洪水的淹没风险。结果表明:柘林水库遭遇可能最大洪水漫顶溃决和管涌渗透破坏溃决工况,坝址洪峰流量分别为87000 m^(3)/s和46000 m^(3)/s;修河干流柘林坝址至虬津河段两侧有山头控制,溃坝洪水可被约束在狭窄的山谷内,水位涨幅较大;虬津以下为开阔的滨湖平原,水位涨幅下降明显。研究成果可为平原河网地区溃决洪水计算提供借鉴,并为柘林水利枢纽工程突发溃坝事件应急处置提供技术支撑。

土石坝水库溃坝洪水非恒定流演进计算应用研究

本文通过对老鹰嘴水库工程土石坝溃坝洪水研究,预测水库大坝溃口发生的过程(如形状、深度、宽度、溃口扩张的速度等),计算溃口出水流量,通过水库库容演算,预测水库溃口过流量的过程线;对大坝在正常蓄水位、大坝校核洪水、大漫顶三种情况下的溃坝洪水,进行了下游河段洪水非恒定流演进计算,分析最不利为大坝漫顶工况,并在大坝漫顶工况下根据不同溃决状态,分别计算出1/4溃决、1/2溃决、全溃决的下游淹没水位、影响范围人口等数据,为制定相应的应急措施提供依据。

尾矿坝溃坝模型研究及应用

根据多个大坝的实际溃决资料,提出尾矿坝溃坝的数学模型,该模型考虑尾矿的物理力学性质及其在流动中的变形,适合溃坝砂流下泄流量变幅大的特点。并就尾矿坝溃坝后泥石流对坝下游的影响提出预测的方法,该方法确定了泄砂总量、溃坝口平均宽度、坝址最大砂流量、坝址流量过程线等溃坝的重要参数。最后利用数学模型对某尾矿库溃坝砂流进行了预测,并指出该坝下游人员的撤离高程,为防灾减灾以及保护人民生命财产安全等起到了积极作用。

梯级水库群洪水溃坝模拟

以某河流的7个梯级水库为研究对象,合理地拟定各梯级水库不同大坝类型(土石坝、拱坝、混凝土重力坝)的溃决形式、溃口发生过程及形态,针对各类型水库漫顶即溃坝和土石坝漫顶溃坝,拱坝、重力坝漫顶过流不产生溃坝两种极限状态,运用Dam Break溃坝模型原理,计算主汛期超标准洪水和后汛期超标准洪水时梯级水库的连锁响应以及溃坝洪水向下游库群的演进过程,分析流域内各水库溃坝发生的因果关系,并得出各水库溃坝发生的相对时间及各特征断面的最高水位、流量等特征值。汛期超标准洪水时流域梯级水库的溃坝模拟分析结果,为降低大坝风险、制定应急预案和防灾减灾提供了科学的决策依据。

QGIS和HEC-RAS在二维溃坝洪水模拟中的联合应用研究

为了准确模拟大坝溃决后的洪水演进过程及淹没范围分析,以数字高程地图为基础,建立了HEC-GeoRAS模型;结合水库的漫顶溃决工况,模拟阳江市大河水库主坝和副坝溃决后洪水沿下游河道的演进过程,并联合QGIS生成洪水风险图、最大水流流速,最大水面高度等成果。研究成果对山区河流下游的人员疏散转移避险决策具有重要的参考意义。

基于DTM的溃坝风险图编制技术

溃坝洪水风险图对于制定区域防洪应急预案、进行溃坝洪水风险分析是十分必要的.利用BREACH模拟溃口,采用无结构网格有限体积法进行二维溃坝洪水演进计算,利用TIN模型将计算结果可视化,制作成水深风险图、流速风险图、淹没历时风险图、洪水到达时间风险图,并对风险图进行了空间分析.本文充分利用了G IS对空间数据以及空间数据和属性数据联合分析的功能,对溃坝洪水风险图制作的基本原理和方法进行了探讨,并应用于沙河集水库大坝溃坝模拟,具有较强的实用价值.

洪水与风暴潮共同作用下的溃堤洪水一维、二维耦合模型及应用

为了解决复杂条件下河道洪水漫堤、溃堤和潮水倒灌的问题,建立了在洪水和风暴潮共同作用下的天然河道漫溃堤洪水在防洪保护区的一二维水动力耦合模型。在兼顾计算效率和精度的基础上,分区剖分网格,设置合理的网格面积;根据植被和地物的不同,分区设置糙率;通过宽顶堰的方式将河道一维模型和防洪保护区二维模型进行侧向耦合;采用基于侵蚀的渐变溃破坏方式模拟河道溃堤过程,实现了河道上游发生洪水和下游遭遇外海风暴潮的复杂情况下精细化模拟。实例研究表明,所建模型可灵活处理复杂多变的水力条件,模拟结果合理可靠,可为防汛部门制定决策提供有力的科学依据。

考虑调洪的一维漫顶不溃与漫顶溃坝过程模拟

建立了一维数值模型,可模拟包括瞬时溃与逐渐溃的漫顶溃坝过程,同时可模拟对于混凝土坝失事来说最常见的漫顶不溃过程;可考虑泄水建筑物的调洪过程对溃坝过程的影响,且针对泄水建筑物不同的布置形式,能够分别模拟位于坝身与岸边的泄水建筑物。以土心墙堆石坝为例,模拟大坝的漫顶逐渐溃过程,分析了溃口流量、泄水建筑物流量的变化过程,可知溃坝发生后,溃口流量急剧增大,泄水建筑物泄量迅速降低;对比分析了不同漫顶原因、溃决形式以及溃决历时下的流量过程。以混凝土重力坝为例,模拟大坝的漫顶不溃与漫顶瞬时溃过程,分析了不同溃决形式下大坝下泄总流量的变化过程,可知溃坝发生后,大坝下泄总流量突增后降低,不同工况下,随着溃口尺寸越大,总流量峰值越大,流量下降的速度越快,稳定时间越短。

南水北调中线工程丹江口水库泥沙冲淤计算

利用一维不平衡输沙原理对丹江口水库大坝加高后,水库正常蓄水位抬高至170m运行时的库区泥沙冲淤进行了计算分析。计算成果表明:当枢纽运行至100a末时,汉江干流库区淤积量为36.34亿t,当枢纽运用至20a末,遇不同频率洪水时,受库区泥沙淤积的影响,在距坝190km以下的河段水位有所抬高,距坝190km以上的河段水位不受泥沙淤积的影响。

川藏公路南线泥石流坝溃决洪水过程试验研究

川藏公路南线(西藏境内)由于区域地质地貌和气候环境条件的特殊性,近几十年来曾多次发生泥石流堵溃事件,坝体溃决所产生的洪水给下游造成了灾难性破坏。根据13组室内泥石流坝溃决模型试验对洪水流量过程进行研究发现,对流量影响最大的是堵塞坝的溃决形式,即重力再启动形式的溃决洪峰流量最大,水力再启动次之,冲刷型溃决最小;溃坝洪水洪峰流量与上游来水量流量成正比关系。溃决过程中的洪峰位置出现在库区水下泄30%～50%的时候;不论哪种形式溃决,洪峰在时间轴上的位置主要集中在整个洪水历时的1/3处。该研究可以为泥石流坝溃决洪水预测和下游综合避险减灾提供参考。