大南川水库溃坝的数值模拟分析

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1、1．1研究的目的及意义第一章绪论弟一早珀下匕在世界各国中，土石坝的建设一直居于首位。据20世纪80年代的国际大坝回忆统计Il】，截止l986年底，全世界15m高度以上的大坝有36235座，其中土石坝29974座，占总数的82．7％，250m以上的土石坝5座，230m以上的土石坝9座。大坝承担着下游广大地区的防洪和兴利任务，对于地区国民经济发展具有不可替代的重要作用。随着区域经济的快速发展，人口财产的更加集中，大坝一旦失事或者破坏，大量水体突然下泄，产生的洪水会对下游地区人民的生命财产造成灾难性的破坏，干扰当地社会经济正常活动，并对下游生态和环境造成不良影响，因此大坝的安全问题也变的越

2、来越重要，对溃坝问题的研究也越来越得到深入，在溃坝机理方面的研究取得了不少成果，像冲刷与泥沙输运力学、洪水水文学、河道与洪泛区水流水力学、边坡不稳定地质力学和溃坝水力学等。鉴于原型观测受实际条件限制太多，获取原型观测资料有限，物理模型方面又受到试验条件的限制，目前溃坝问题的主要研究手段是数学模型，对溃坝数学模型的研究能进一步促进了解溃坝机理，溃坝洪水的破坏程度，有利于制定防洪决策，控制和减少灾害损失【扪。对于不同类型的大坝，起溃坝各有特点，其中混凝土坝和拱坝的破坏过程比较突然，对其模拟常按照最不利的瞬时溃坝考虑，模拟过程比较简单，而土石坝的溃坝过程是一个逐渐溃坝的过程，洪水下泄持续的

3、时间较长，对其进行研究有很大的现实意义。大南川河是湟水一级支流，位于青海省东部湟中县和西宁境内，源于湟中县南部拉鸡山的山口西北lkm处的高地，海拔399lm，河长49km，河宽30m，流域面积398km2。大南川水库位于湟中县鲁沙镇蚂蚁沟，是一座注入式水库，属均质土坝，坝顶高程2641．Om，坝项宽6m，坝长460m，最大坝高46．5m，坝基防渗采用板桩，水库库容O．132亿m3，放水洞布置在右岸，为圆型压力钢管，断面尺寸为1．2m，设有开井检修闸门和lOT工作闸阀，设计放水量为4m3／s，最大放水量为10．4m3／s，洞长258m。大南川水库对于青海省国民经济发展具有不可替代的重大

4、作用，由于距西宁市较近，．其大坝安全十分重要，大坝-二旦溃决，将带来不可估量的损失，对大南川水库溃坝进行分析计算，合理确定其溃坝洪水大小、影响范围、传播特征等风险因素是青海省水库管理部门与防洪部门制定防灾减灾措施的重要技术依据和重要基础。因此，模拟溃坝，预测其特性(如水位过程线)，为洪水演进，事故早期预警和人员疏散等提供重要信息，对防灾减灾和保护人民生命财产安全有十分重要的意义。本文主要针对大南川水库土石坝溃坝进行数值模拟研究。1．2国内外研究现状及趋势溃坝洪水的研究主要是从溃坝坝址的流量、水位过程线以及下游洪水演进时沿城各处的流量、水位和洪峰达到时间等入手，进而为洪水风险提供重要的

5、技术指导。国内外学者对溃坝洪水做了大量的研究，并取得了一定的进展。对溃坝洪水的研究可以从物理模型实验入手，也可以应用数学模型或者根据历来的溃坝资料获得一些经验结论，由于溃坝的实测资料比较少，故主要采用物理模型或者数学模型，近年来由于数学模型理论的不断提高和发展，以及其廉价和简单的操作等优点，逐步取代了物理模型实验成为溃坝水流运动规律研究的主要手段。本文就溃坝洪水数学模型的研究现状和趋势做以下介绍。1．2．1溃口模拟研究20世纪50年代人们开始对溃口流量过程进行研究，最初根据混凝土坝溃决的现象来模拟土石坝的溃决，这与实际情况有些不符，因为大多数土石坝的溃决过程不是瞬时溃决而是逐渐发展的

6、逐渐溃，它的溃坝洪水波的波峰没有瞬时溃坝陡，最大流量也没有瞬时溃坝大。对于混凝土坝，溃决模式为瞬时溃坝，它的数学和物理概念清晰，计算也简单，而土石坝溃决过程比较复杂，有很多不确定性。大多数的数值计算方法和以往由溃坝资料推求的经验公式都不能很好的运用到土石坝的溃决过程。土石坝的溃决过程是随溃口宽度和深度增加而逐渐溃决的过程，溃口流量是溃口形状的变化函数，而且是非线性的，不容易确定。目前国内外的研究工作主要围绕溃口的位置和形状、溃口的发展规律以及相应的数值模型的建立来展开。目前，对溃口流量过程的计算包括溃坝坝址最大流量的计算和坝址流量过程线的推求。它的发展过程也由开始的瞬间全溃、瞬间部分

7、溃到逐渐溃。计算方法也有开始的基于参数的计算方法到基于溃坝溃口的物理发展过程的计算方法13．·l。其中基于参数的方法主要是利用像溃决历时、溃口最终宽度等关键参数，通过简单的时间函数(如溃口形状的线性发展过程)计算溃口的流量过程；后来通过改进建立库容、坝高等参数与溃口形状发展速度、最大溃口流量之间的回归方程计算渍口流量过程【s1，这种方法虽然也比较简单，输入的数据少，使用方便，但是精度不够，结果也不太稳定。现在人们综合应用水力学和泥沙动力学原理计算溃口流量过