堰塞壩漫頂潰口流量變化過程的數(shù)值模擬論文
1研究背景
天然壩與一般人工壩的潰壩方式存在一定差別,首先在壩體形態(tài)上,堰塞壩堆積體往往呈不規(guī)則形狀,沿河流動(dòng)方向大多較人工壩更長(zhǎng);其次在壩體結(jié)構(gòu)上,由于堰塞壩為天然原因形成,沒有人工筑填過程,結(jié)構(gòu)松散,物質(zhì)組成不均勻性更強(qiáng),抗沖能力的不確定性也比人工壩更大。由于問題的復(fù)雜性,以往對(duì)堰塞壩潰壩問題的獨(dú)立研究成果較少,當(dāng)前的堰塞湖潰壩洪水計(jì)算中大多是借用人工壩的模擬技術(shù)。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過不同手段建立了數(shù)學(xué)模型來研究一般潰壩洪水問題,并取得了豐碩成果。美國(guó)的Fread早在20世紀(jì)70年代就開始了潰口形成過程的研究,在他的BREACH模型及后續(xù)擴(kuò)展的DMBRK模型和FLOODWAV模型中研究了由漫頂和管涌引起的潰壩。其壩體可以是均質(zhì),也可包含2種不同材料分別構(gòu)成心墻和外部區(qū)域,但該模型沒有考慮壩下游坡面的溯源沖刷問題,采用的沖刷公式仍是一般平衡輸沙能力公式,這與潰壩水流高強(qiáng)度侵蝕條件下的非平衡輸沙不符。隨后,Singh開發(fā)的BEED模型將潰口斷面假定為梯形,潰口沿河槽軸向劃分為兩段,第1段為壩頂?shù)乃綕⒖诙?第2段為壩下游坡面上潰口槽。水平潰口段假定為寬頂堰出流,水流對(duì)壩體的沖刷采用愛因斯坦-布朗公式計(jì)算。當(dāng)潰口處的沖刷發(fā)展到一定程度時(shí),潰口邊坡失穩(wěn),形成楔形滑體滑落,但該模型仍然沒有考慮高強(qiáng)度水流的侵蝕問題。最近,Mohamed等提出了另一種土石壩漫頂潰口模擬方法,但壩體沖刷模式仍僅限于均勻物質(zhì)的情況,且沖刷公式仍為一般平衡輸沙公式。Morris等在歐盟IMPACT項(xiàng)目中采用土力學(xué)邊坡滑塌力學(xué)平衡原理,提出了一種較為復(fù)雜的潰口擴(kuò)展模型,然而由于該問題的不確定性,人們?nèi)匀徊荒軌蚓_模擬潰壩洪水問題,能否反映潰口發(fā)展的真實(shí)過程仍未得到證實(shí)。本文利用水槽試驗(yàn)結(jié)果,將高強(qiáng)度水流非平衡沖刷公式引進(jìn)潰口擴(kuò)展模式,同時(shí)考慮后壩坡的溯源沖刷,將潰口的垂直下切、橫向擴(kuò)展、壩坡溯源沖刷3種過程結(jié)合起來建立數(shù)學(xué)模型,試圖更加全面地模擬堰塞壩潰口發(fā)展問題。
2數(shù)學(xué)模型
在堰塞壩漫頂潰壩中,漫過壩頂?shù)暮樗貕误w下游面形成沖蝕溝,這樣對(duì)壩及壩頂進(jìn)行侵蝕形成潰口,并向上游面發(fā)展,沖蝕和壩體垮塌作用使?jié)⒖诩皾⑶饾u加大�？梢�,堰塞壩漫頂潰決的流量過程取決于壩前水位過程、壩體的沖刷擴(kuò)展過程兩大因素,其動(dòng)態(tài)變化可由堰塞湖庫(kù)容動(dòng)態(tài)變化、潰口形態(tài)變化具體反映,數(shù)值模擬其動(dòng)態(tài)過程可由堰塞湖庫(kù)容的連續(xù)方程、潰口沖刷規(guī)律和潰口水流流動(dòng)規(guī)律來決定。
堰塞湖水量平衡方程:
dVdt=Qi-Qo(1)
式中:V為堰塞湖庫(kù)容;t為時(shí)間;Qi為入庫(kù)流量;Qo為通過潰口的出流量。
對(duì)于漫頂潰決潰口流動(dòng)問題,現(xiàn)有一些常用數(shù)學(xué)模型大部分仍然采用類似于寬頂堰基本方程計(jì)算潰口流量過程,如美國(guó)國(guó)家氣象局FLDWAV模型中采用梯形潰口假設(shè)并考慮行近流速和下游淹沒出流的影響,潰決流量計(jì)算公式以一般寬頂堰流量為基礎(chǔ):
Qo=cvksCd2g23bs(hi-hb)1.5+815z(hi-hb)2.5(2)
式中:Cv為行近流速改正系數(shù),Cv=1+0.023Q2iB2d(hi-hbm)2(hi-hb);ks為反映潰口下游淹沒情況的改正系數(shù),ks=1-27.8max[0,(R-0.67)]3;Cd為流量系數(shù),模型中取Cd=0.579;R為淹沒指標(biāo)參數(shù),R=hi+1-hbhi-hb;bs為瞬時(shí)潰口底寬;hi為壩上游水位;hb為潰口底部高程;z為梯形潰口的邊坡;Bd為壩址處河道峽谷寬度;hbm為潰口發(fā)展最終高程。
3模型參數(shù)敏感性分析
堰塞壩潰壩洪水?dāng)?shù)值模型計(jì)算總是存在不確定性,了解模型計(jì)算結(jié)果的可靠程度對(duì)實(shí)際決策非常重要。利用上述模型結(jié)合實(shí)例研究模型中幾個(gè)不確定性因子取不同數(shù)值時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。
(1)模型驗(yàn)證。針對(duì)某滑坡形成的堰塞湖潰壩問題,利用上述模型計(jì)算了潰口流量過程。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料,該堰塞壩體物質(zhì)50%粒徑約為0.3m,順河堆積體長(zhǎng)800m,頂部寬450m,河谷寬180m,河床高程約為640m,人工開挖渠底高程740m。另?yè)?jù)堰塞壩物質(zhì)分層情況,720m高程以下為弱風(fēng)化巖層,抗沖性較強(qiáng),計(jì)算中假定該高程以下不再發(fā)生沖刷,模型最低控制高程取為720m,上游入湖流量取為常數(shù)(Qi=60m3s),根據(jù)這些基本條件計(jì)算了堰塞湖潰壩洪水過程,與實(shí)際潰決后測(cè)得的潰口流量過程比較。需要特別說明的是,圖2中的計(jì)算流量過程為應(yīng)急處置方案分析中計(jì)算的一種方案,是在堰塞湖還沒有發(fā)生潰決的.情況下根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算得到的。從圖2可以看出,潰決前的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際潰決出現(xiàn)的流量十分接近。表明本文提出的數(shù)值模型基本能夠反映堰塞湖潰壩流量的發(fā)展變化規(guī)律。
(2)壩體物質(zhì)抗沖性對(duì)潰壩洪水的影響。其它參數(shù)不變,改變壩體物質(zhì)當(dāng)量粒徑D,計(jì)算得到的壩址潰壩洪水過程。由于計(jì)算模型中沒有考慮抗沖物質(zhì)的黏性特性,這里壩體物質(zhì)當(dāng)量粒徑D實(shí)際上反映了綜合抗沖特性。從圖3中可以看出,壩體物質(zhì)的抗沖性對(duì)潰壩洪水有顯著影響。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,①最大流量發(fā)生時(shí)間,顆粒物質(zhì)當(dāng)量粒徑增加,抗沖性增強(qiáng),則潰壩最大流量發(fā)生時(shí)間推后,當(dāng)壩體物質(zhì)抗沖當(dāng)量粒徑從0.1mm增加到70mm時(shí),潰壩最大流量發(fā)生時(shí)間相差達(dá)11h以上;②最大流量值隨壩體物質(zhì)抗沖性變化呈曲線變化,隨著壩體物質(zhì)當(dāng)量抗沖粒徑的變化,最大潰壩流量有一個(gè)對(duì)應(yīng)的當(dāng)量粒徑最小值D0,在當(dāng)量粒徑D>D0范圍內(nèi),D增加,潰壩最大流量隨之增加,在D<D0范圍內(nèi),D減小,潰壩最大流量也增加,這一現(xiàn)象不難從泥沙沖刷規(guī)律得到解釋。從前述模型計(jì)算方法可知,潰口最大流量決定于當(dāng)時(shí)的潰口尺寸和水位(水深)。在一定條件下,當(dāng)壩體物質(zhì)抗沖性增強(qiáng)時(shí),潰口水位上升起主導(dǎo)作用,由于泥沙啟動(dòng)臨界水深增大,出現(xiàn)最大潰壩流量時(shí)的水位較高,有效水深也較大,則產(chǎn)生的潰口最大流量越大。但是當(dāng)壩體物質(zhì)抗沖性較差時(shí),潰口沖刷起主導(dǎo)作用,雖然出現(xiàn)潰口最大流量時(shí)的水位并沒有增加,但由于沖刷較快,潰決從形成到達(dá)到最大流量的時(shí)間很短,抗沖性越差,則形成潰口的速度越快,相應(yīng)出現(xiàn)最大流量的時(shí)間也就越靠前,壩前消落水位越少,潰口最大,流量越大。< p>
4結(jié)語(yǔ)
堰塞壩的潰壩洪水計(jì)算包括了潰口流量變化過程和潰壩洪水演進(jìn)過程兩方面的問題。而潰壩流量過程與潰口發(fā)展模式直接相關(guān)。本文利用河流洪水沖刷試驗(yàn)結(jié)果,假定潰口發(fā)展是由水流直接沖刷和壩體邊坡等速擴(kuò)展聯(lián)合形成,根據(jù)土力學(xué)邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算基本原則,提出了一個(gè)堰塞壩逐漸潰發(fā)展模式。利用某堰塞壩的潰壩實(shí)測(cè)資料對(duì)建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證,驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果表明,模型計(jì)算的潰口流量過程和潰口發(fā)展時(shí)間過程與實(shí)際情況基本一致,表明該假定的潰壩發(fā)展模式基本符合堰塞壩漫頂潰壩的物理現(xiàn)象,能夠反映自然壩漫頂潰決的潰口發(fā)展過程。利用該數(shù)學(xué)模型對(duì)潰壩過程中的一些特征因子如潰壩殘留壩高、壩體物質(zhì)抗沖特性、堰塞湖形態(tài)等對(duì)潰壩流量過程的影響進(jìn)行敏感性計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果表明,壩體殘留壩高對(duì)潰口流量影響最為明顯,壩體物質(zhì)抗沖性主要影響潰口最大流量出現(xiàn)時(shí)間,間接影響潰口流量過程,堰塞湖庫(kù)容特性對(duì)潰壩流量的影響較為有限,其它有關(guān)問題還有待進(jìn)一步研究。
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