三维溃坝波对下游结构物致灾过程数值模拟

暴雨等自然灾害形成的溃坝对下游结构物安全存在潜在威胁,溃坝对结构物的破坏非线性强且机理复杂,基于自主研发三维并行模型,探究水灾害流固耦合动态响应过程。通过并行算法实现加速计算,利用流体体积法捕捉自由面,采用浸入边界法处理流固耦合。定量预报溃坝洪水过境流速和冲击载荷,通过实际案例、公开数据对比论证数学模型处理水灾害流固耦合问题的可靠性。溃坝波携带大量动能和势能,全流场信息可描述在短时间内多次变化的溃坝致灾流态,水流推进与跌落的过程易形成冲刷作用,传导到结构物的冲击载荷易破坏工程结构,致灾机理研究为防灾减灾提供科学依据。

均质黏土坝漫顶缩尺模型的相似性优化试验研究

为进一步研究土石坝漫顶溃坝模型与原型之间的相似性问题,从均质黏土坝在水流冲刷作用下的起动极限状态分析入手,提出调整筑坝压实度来降低缩尺模型坝的抗冲刷能力,进而达到漫顶溃坝过程相似性优化的设想。基于黏土的抗剪强度及黏聚力会随着压实度的降低呈非线性减小,以某土石坝工程的漫顶溃坝分析为原型,开展了不同压实度和几何比尺条件下的均质黏土坝相似漫顶流槽试验。结果表明:采用与原型黏土坝相同筑坝密实度的模型坝溃决过程与原型完全不相似,模型与原型之间的差异性会随着几何比尺的增加而愈发明显;适当减小黏土模型坝的压实度能够显著提升模型坝与原型在溃坝形态、溃决时间等溃坝过程相似性。

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。

尾矿库漫顶溃坝模型试验研究

根据洪水计算结果、调洪库容和排洪设施泄洪能力进行调洪演算,找出漫顶溃坝的诱因,拟定试验备件,选取洪水频率,确定洪水过程线,再换算成模型试验来水流量-时间曲线。将相似准则适当放宽,重点考虑集积效果相似,试验模型遵循水流重力相似、水流阻力相似、尾矿起动相似和尾矿悬移相似等相似条件。以国内某尾矿库为工程背景,建立试验模型进行溃坝试验研究,分析溃决过程和溃坝机理。尾矿坝漫顶溃坝溃口发展过程主要由"水流冲刷引起的纵向连续下切及陡坎冲蚀"和"溃口边坡失稳坍塌引起的横向间歇扩展"组成,在溃坝初期,水流侵蚀是溃口扩展的主导因素,而在中后期,纵向陡坎冲蚀和边坡失稳坍塌成为溃口扩展的主导因素。

“网河”非稳定流模型在洪泛区洪流演进中的应用

将宽阔的溃口洪水行进范围概化成由河道水塘和联系河道组成的网河系统，用一维非恒定流方程组来描述主要的水流运动状态。通过简化和变换，改写成统一的四点线性隐式有限差的方程组形式，再用双消除法求解，全部计算在微机上实现，参数用实测资料率定。成果具有较好的精度，在一定程度上反映出横水流方向的水位流量变化，为防洪水利计算开辟一条新的途径。

粘性土坝漫顶溃坝数值模型研究

基于粘性土坝漫顶溃坝试验的研究结果,对BREACH和BEED溃坝数值模型进行了分析,并在此基础上加以改进,建立了粘性土坝漫顶溃坝数值模型,为建立溃坝灾害预警体制提供依据。

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。

珊溪水库溃坝洪水预测分析

采用漫顶溃坝计算模型分析了珊溪水库在设计洪水、500 a一遇洪水、1000 a一遇洪水三种工况下突发溃坝洪水事件的过程,由水库调洪演算、溃口冲刷计算、溃口扩展计算耦合获得了各工况下的洪量大小及洪峰时间,通过水量平衡关系验证了该模型在珊溪水库混凝土面板堆石坝溃决计算中的合理性程度。计算结果可为编制珊溪水库防洪预案及面板堆石坝水库溃坝洪水计算提供参考。

漫顶溃坝尾砂流演进模拟及避险转移方案分析

为分析尾矿库漫顶溃坝尾砂流对下游人民生命财产的影响,基于RNG k-ε湍流模型和泥沙冲刷模型构建了尾矿库漫顶溃坝水动力学数值模型,并通过室内水槽溃坝试验验证了该模型的有效性。同时以江西省永平铜矿燕仓尾矿库5号副坝为例,模拟了漫顶溃坝引起的下泄尾砂流演进过程,并从流速、泥沙淤积厚度、淹没深度、淹没范围等方面分析了下泄尾砂流对下游居民、村庄、公路和农田等可能造成的影响。在此基础上,制定了下游受灾居民的疏散、撤离和避险转移方案。结果表明:下游新岩前村基本没有受到溃坝尾砂流影响,而塘棣源村受到了溃坝尾砂流冲击或淤埋等严重影响。研究成果可为类似工程规模的尾矿库应急抢险、灾害风险防治和避险转移方案制定提供理论参考。

洪水漫顶工况下不同坡比的尾矿库溃坝试验研究

尾矿库溃坝过程影响因素较多,其中坝坡比很大程度上影响着溃坝的发展。为此,建立尾矿库溃坝试验模型,研究洪水漫顶工况下不同坝坡的溃坝过程。为提高数据收集精度,使用三维激光扫描仪对整个溃坝过程进行扫描监测。结果表明:不同坡比的溃坝试验过程均以小股水流侵蚀开始,其后有冲沟、陡坎出现,中间伴随着坝体的局部坍塌,最后溃坝趋于稳定。坝坡越陡,冲沟和陡坎出现的时间越早,陡坎移动的速率越快,坝体在水流和自重作用下发生坍塌的次数和频率越高,溃坝历时越短;不同坡比的坝顶溃口宽度均经历了前期逐渐增加、中期迅速展宽、后期缓慢发展并趋于稳定的3个阶段;坝坡较陡的坝体中期持续时间相对较短,坝顶溃口展宽速度较大,溃坝发展的速度较快。

一种模拟黏土心墙坝漫顶溃决的水沙耦合数学模型

为了减轻黏土心墙坝漫顶溃决的损失,需要对黏土心墙坝的漫顶溃口发展过程进行深入研究。基于黏土心墙坝漫顶溃决机理,建立了黏土心墙坝漫顶溃决水沙耦合数学模型。模型采用的水动力学模型为固液两相湍流方程,考虑了床面变形对于水流运动的影响;使用PLIC-VOF法(分段线性界面重构-流体体积法)使其精确重构自由表面;固壁边界运用基于离散力的浸入边界法,使其更加准确地模拟含有刚体的流体运动;心墙的滑移破坏则通过剪切力进行判断。模型能够在一定程度上反映水流结构、坝面变形和心墙滑移三者之间的关系,经室内水槽试验检验,计算的溃口流量过程与实测值也较为吻合,能够为研究黏土心墙坝漫顶溃口发展过程提供一种可选工具。

基于BREACH模型的某水库土坝溃坝分析研究

雨洪频发易使土坝溃决,可能带来严重失事后果,因此有必要开展坝溃及其影响分析。基于BREACH模型,对某水库土坝进行溃坝分析研究。结果表明,在管涌溃坝模式下,随着洪水量级的增大,最大溃决流量、最终溃口宽度和累计下泄流量增大;在相同洪水量级条件下,漫顶溃坝的最大溃决流量和最终溃口平均宽度均较大,相对危险性更大;在给定方案中,地震突发情况相对于其他方案较为安全。最后,累计下泄流量与初始库容及入库洪量之和相等,验证了模型计算的合理性。

基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟

针对三维溃坝洪水数值模拟缺乏涉及城市复杂下垫面地形建模的水库溃坝洪水演进的研究现状,本文首先提出了基于TIN与NURBS曲面重构的精细地形建模方法,同时结合等效糙率法以区分不同的下垫面条件对洪水的水流运动产生的阻力影响,从而为溃坝洪水演进三维数值模拟提供精细的下垫面信息;其次,采用耦合VOF法的修正RNG k-ε湍流模型模拟了溃坝洪水的演进过程,并通过模型验证分析了该模型的准确性;最后,以某城市地区水库溃坝为例,分析了下游复杂区域洪水演进过程、流速、水深等水情信息。结果表明:本文提出的地形建模方法具有较小的数据储存量且保持较高的地形精度;同时基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟既准确地模拟了洪水演进过程,且充分地反映了溃坝水流的复杂流态及细节。

一种模拟面板砂砾石坝漫顶溃决的动床耦合分析模型

在分析面板砂砾石坝漫顶溃决特点的基础上,建立了一种模拟面板砂砾石坝漫顶溃决过程的动床耦合分析模型。该模型采用了固液两相湍流数学模型,通过流体体积法(VOF)进行自由表面的追踪,可准确模拟水流运动。其中的泥沙启动模块考虑了漩涡水流的剪应力、底沙表面的法向向量以及泥沙水下休止角等因素的影响。求解方面采用了较为成熟的结构网格和控制体积法。水槽试验和数学模型计算验证表明,该模型能够细致、准确地模拟面板砂砾石坝溃决的整个过程,清晰刻画陡坎式漩涡水流向内淘刷的侵蚀方式,还能合理地反映面板、水流与床面变形三者之间相互作用的复杂关系,可为进一步深入研究面板砂砾石坝溃坝机理提供有利工具。