土石坝溃决模拟及水流计算研究进展

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1、万方数据第19卷第6期2008年11月水科学进展ADVANCESINWATERSCIENCEV01．19，No．6Nov．，2008土石坝溃决模拟及水流计算研究进展陈生水1，钟启明1，陶建基2(1．南京水利科学研究院，江苏南京210029；2．浙江省防汛抗旱指挥部，浙江杭州310009)摘要：对土石坝溃决模拟技术的最新研究成果进行了总结和评价，在此基础上对该研究领域今后的研究工作提出了若干建议，包括：应研究提出不同坝型溃决可能性分析评价方法；针对不同坝型开展溃坝离心模型试验，揭示在不同致灾因子作用下，土石坝溃决机理和溃口发展过程；开展土石坝初

2、始管涌形成以后发展过程的试验研究，揭示孔流转变为堰流的控制条件；针对溃坝水流的流线曲率较大、溃坝水流大多是非恒定超临界流以及筑坝材料粒径级配范围变化大等特点，开展大型溃坝水工水力学模型试验，揭示不同坝型的溃口流量过程、泥沙输移及下游河道洪水演进规律。关键词：土石坝；溃决机理；模拟技术；研究进展中图分类号：TVl39．2；TVl33．2；G353．1l文献标识码：A文章编号：1001．6791(2008)06-0903．08水库大坝在给人类带来巨大经济和社会效益的同时也存在着溃决的风险。本文对土石坝溃决模拟技术的最新研究成果进行总结和评价，并对

3、今后的研究工作提出若干建议。调查表明，混凝土坝溃决一般是瞬时溃决，而土石坝溃决多半是逐步发展的，而且不同的坝型溃决过程不尽相同。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[1t2

4、。SingIl等[3】对历史上52座失事的土石坝进行了统计分析，发现溃口顶宽和溃El底宽的比值B／b范围介于1．08～1．74之间，其均值为1．29，标准差为0．18；溃口顶宽和溃口深度的比值B／d范围介于0．84—10．93之间，均值为4．18，标准差为2．62；B／d与大坝高度HI)成反比。从33座大坝的失事时间记

5、录看，溃决时间在0．5—12h之间，大多数情况溃坝时间小于等于3h。他们认为，土石坝的最终溃口将是B／b一1．29，B／d一3，t锄8*l的梯形，并且溃坝时间小于1．5h。溃口的形成与发展、溃坝洪水过程线的预测与洪水的下游演进计算是溃坝模拟的关键，下面分别针对不同坝型的溃决方式对土石坝溃决模拟技术进行总结。1土石坝溃口模拟1．1均质坝溃口模型均质坝是溃坝研究中涉及最多的一种坝型。对于溃口的位置、形状与发展的模拟一般采用如下假定：①溃口出现在坝体中部；②溃口形状不变(如三角形、矩形、梯形或抛物线形)；③溃口发展过程中溃口断面被均匀冲蚀。1965

6、年，Crislofano【4J建立了第一个模拟土石坝的逐渐冲蚀溃决过程的数值模型。Cristofano在模型中对溃口的假定为：溃口宽度不变且溃口形状为梯形；冲槽的底部高程只算到基岩层；冲蚀只存在于溃口底部，不考虑收稿日期：2008．Ol一29基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2007CB"／14103)作者简介：陈生水(1962一)，男，江苏南京人，教授级高级工程师，博士，博导，主要从事土石坝工程的科学研究和技术咨询工作oE．mail：ssehen@nhri．cn万方数据904水科学进展第19卷边坡的冲蚀；边坡滑塌土体相对

7、于水挟带的泥沙量来说可以忽略；冲槽的底坡为常数并等于填土的内摩擦角。Harris与WagnerES]发展了Cri8tofano模型，不同的是他们假定溃口形状为抛物线形，且抛物线的顶宽为深度的3．75倍，边坡约为450，使用Schoklitsch输运方程，并认为溃决由漫顶引发后立即开始下面的进程，假设溃决的侵蚀向大坝底部发展。20世纪80年代，Lou和Nogueira[6,7】分别提出了一个漫顶引起土石坝逐渐溃决的数学模型。模型最为显著的特点是，对溃口形状不做假定，而是根据剪应力分析及冲蚀机理推导出溃口形状的解析解。Lou认为，漫顶引起的溃口在

8、空间和时间上将不断发展，直至达一个平衡断面。Nogueira认为，溃口冲槽横断面的形状由有效剪切应力确定，亦即，由每一点的总剪切应力与临界剪切应力之差确定。针对土石坝的漫顶破坏，Lou提出3种方法计算输沙量：①结合DuBoy推移质模型与Einstein悬移质模型推算总输沙量；②将泥沙输移函数表示为溃坝持续时间可冲蚀指数及流速的函数；③根据Cristofano模型计算冲蚀速率，将泥沙输移率代人泥沙连续方程直接计算大坝的冲蚀。1984年，美国国家气象局的F嗽d[8]成功开发了一个较为全面的溃坝模型DAMBRK模型。该模型的特点在于确定溃口形状时需

9、要的参数少，溃12I形状由图1所示的参数z确定，z的变化范围在0—2之间，通过这个参数可以区别溃El是矩形、三角形，还是梯形。最终的溃El尺寸由这个参数与最终溃口底