breach模型在土石坝中应用研究

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1、BREACH模型在土石坝中应用研究摘要：土石坝的安全与否在我国各个地方都起到了举足轻重的作用，为当地的经济发展提供了基础性的保障，本文通过BREACH模型对典型水库进行土石坝溃败分析,以获取可能溃败的时间和瞬间流量之间的关系，对于预防水库的安全起到一直的积极作用，能有效的降低水库常年运行的风险。关键词：BREACH模型；溃败流量；风险中图分类号：TV文献标识码：A一、溃口侵蚀模型概述BREACH模型［1］是一个基于数学机理的预测溃口特征(尺寸、形成时间)和溃决土坝引起的泄流水位过程线的数学模型，是当前世界上应用较为广泛的

2、土坝溃决模型，BREACH模型的建立综合应用了大量具有保存数据的水库入流量、溢洪道泄流量和沿着侵蚀形成的溃口沟渠泄流量，由弗雷德(Fread)在1984年开发研制，1988年进行了修改，该模型原理上是基于水力学、泥沙运输、土力学、大坝的几何属性和材料属性及水库属性。BREACH模型逐步分析有7个主要部分的连续点：溃口形成的机理方式；溃口宽度模拟类型；水库水位的变化；水库泥沙输移状况；溃口泄槽水力学演变；突然坍塌引起溃口的扩大情形以及计算溃口流量的大小。该模型是一种具有显著材料属性的一个外部区域(摩擦角，粘结强度，平均粒径

3、尺寸和单位重度)和一个内部核心区域组成。二、模型假设及参数非常运行时的洪水漫顶、管涌、质量原因、管理不当等为我国水库溃决的主因。下列简述常见的两种由BREACH模型模拟的方程式：漫顶溃坝模式漫顶导致溃坝的水流侵蚀，初始时如果没有草被覆盖层存在，那么假设沿着坡面存在一道小的矩形形状的溪流，采用宽顶堰流量公式计算［2］：(1)如果大坝下游坡面有一层草被覆盖层存在，那么沿着被草覆盖的下游坡面的漫顶水流速度在每个时间步长处用曼尼公式加以计算，公式计算如下：；(2)；(3)2、管涌溃坝模式管涌一般在渗流作用下发生于较为疏松的无黏性

4、土中,从很小的圆形过水管路逐步发展而起,其溃口计算式如下⑵:或（5）（6）式中：Reynolds数；达西摩擦因子［3］o水流一般从孔口控制慢慢转变成堰控制，当水流管道顶部高程（Hpu）向上垂直发生侵蚀时，需满足以下不等式关系：（7）若发生漫顶情况，初始溃口形状假设为矩形，水流冲刷的泥沙输运公式采用Smart（1984）［4］所修正过的式子运算,即在每一个计算时间（小时或秒）步长上，通过初步分析大坝上游面的水压力来进行判断崩塌发生是否。溃口宽度计算式如下：（8）分析部分的土体两边边坡角幅度的稳定性［5］也同样决定着溃口宽度

5、。当崩塌发生在溃口处的切割深（）转变到临界深（）时，可表示为一个由凝聚力（）、单位重度（）及内摩擦角（）等属性的组成的一维函数式：（9）式中相关参数参考所引用的文献［6］。BREACH模型输入参数包括：几何相关尺寸、大坝宽高值、库水位变化值、材料内外属性值、面积与库容值、水位面积值、泄量关系值、大坝各断面的宽度与高度等。三、工程实例3.1工程概况江西省玉山县七一水库属于鄱阳湖水系信江支流，距县城16.0km。坝址以上控流面积约为324.0km2,水库总库容22862万m3。常年灌溉面积10.51万亩，电站装机容量9250

6、kw,是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电等综合效益的大(2)型水库。七一水库的正常蓄水位为160.40m；设计洪水位为161.61m(P=0.1%)；校核洪水位为163.02m(P=0.05%)。枢纽工程主要建筑物包括：主坝、副坝、溢洪道、灌溉发电引水隧洞及电站等。3.2模型参数选择根据《除险加固工程初设报告》及《水库安鉴报告》，对比历史资料分析，坝基砂卵砾石层颗粒组成极不均匀，级配不良，初步判断其渗流破坏形式为管涌破坏。本论文分析七一水库在校核洪水位及设计洪水位情况下主坝可能发生的管涌溃坝。BREACH模型主要参数选择见

7、表1及表2。表1大坝主要参数表名称数值名称数值名称数值坝顶高程(m)167.40摩擦角(度)23.3下游面坡度1:2.75最大坝高(m)53.10坝体材料粒径(mm)0.27坝底高程（m）118.40坝顶长(m)420.0坝体材料凝聚力(kPa)8.0溢洪道顶部高程(m)154.90上游面坡度1:3.26干流平均坡降7.33%0材料湿密度(g/cm3)2.04表2水位〜库容〜泄量关系表水位(m)库容(104m3)泄流量(m3/s)水位(m)库容(104m3)泄流量(m3/s)水位(m)库容(104m3)泄流量(m3/s)

8、160.40201001538162.00217302256163.10228852801160.60203001623162.10218352304163.30230952904160.80205001709162.20219402352163.40232002956161.00207001797162.60223