库区泥沙对溃坝洪水影响分析.pdf

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1、第42卷第17期人民长江Vo1．42，No．172011年9月YangtzeRiverSep．，2011文章编号：1001—4179(2011)17—0008—04库区泥沙对溃坝洪水影响分析郭维东，康国亮(沈阳农业大学水利学院，辽宁沈阳110866)摘要：针对淤积型水库渍坝洪水计算中是否考虑泥沙因素影响、产生怎样影响的问题，利用MIKE21中的水动力模块(HD)与输沙模块(ST)耦合，模拟淤积水库清水、浑水溃坝洪水演进过程，并通过溃坝峰顶流量值、溃坝最大水位值及溃坝洪水淹没历时的变化，分析泥沙因素对水库溃坝洪水影响。结果表明：库区泥沙可使下游各断面渍坝峰项流量值变小，淹没历

2、时变长；泥沙的中值粒径对峰顶流量、水位、淹没历时有影响。关键词：渍坝洪水演进；数值模拟；中值粒径；影响分析；库区泥沙中图法分类号：TVI4文献标志码：A目前常用的溃坝洪水计算主要有经验公式法和数gh2"I'SXTbx(+)+一+一⋯值模拟法¨“，这些算法主要考虑无沙清水状况下的2poOxPoP0P、OxOx溃坝洪水计算，未考虑泥沙因素对于溃坝洪水在下游()+(hTx)+huS(2)河道演进的影响。为了更精确计算溃坝洪水演进过ahv程，建立了许多水沙溃坝模型，同时进行溃坝洪水演进一——++——++蝮一：=问，uh一gh一一⋯h一atd。cd，’dpnd’计算与泥沙冲淤计算。白

3、玉川、许栋等建立了平面二gh2塑TsyTby1(+)+一维溃坝水流泥沙数值模型，计算了溃坝波遇障碍物-+一⋯2p0OyPoP0P0、OyOx后的水流反射、绕射及泥沙冲淤。林江、张小峰等建立一维溃坝水沙模型，考虑了泥沙因素对溃坝洪水传盖()+-。O，-(hr．)+hv,S(3播的影响，模拟了溃坝后的流量、水位等结果。林江、式中，t为时间；，Y，z为右手Cartesian坐标系；为水张绪进等在溃坝洪水数学模型基础上，加入了非恒定面相对于未扰动基面的高度，即水位；为静止水深；流输沙方程⋯，模拟了尾矿坝溃坝泥石流的演进。本u，t，为流速在，Y方向上的分量；p。为当地气压；P为文利用

4、MIKE21的水动力与泥沙输移模块建立二维溃水密度；-p。为参考水密度；f=2~sintp，为Coriolis参坝水沙模型，分析库区泥沙对于水库溃坝洪水演进的量(其中力为地球自转角速率，为地理纬度)和影响，考虑同一流量条件下不同中值粒径值对计算结fu为地球自转引起的加速度；g为重力加速度；s⋯果的影响。．s．s，s为辐射应力分量；，，，Ty,，，为水平黏滞应力；r矗，r¨r为水面与河床边界水流切应力1数学模型的控制方程在，Y方向上的分量；S为源汇项；M，为源汇项水流流速。1．1水动力模型控制方程1．2泥沙输移控制方程at+a+a：^Is(1)y、泥沙输移模型中采用了如下可同

5、时考虑悬沙和底沙的泥沙输运公式。一+十一-t‘-一=／-fJrt一口Lo．^，z—a—一一Ox一cgtOxOy口qT=qh+q(4)收稿日期：2011—04—08作者简介：郭维东，男，教授，博士生导师，主要从事水利水电科研和教学工作。E—mail：gwdly@126．corn第l7期郭维东，等：库区泥沙对溃坝洪水影响分析9式中，q为悬沙输运量；g为底沙输运量。q的计算方法如下：ieqc—a—t：=o)s—a—+十一[It，，——]f(53)Jzazaz。、q=I(，t)c(。，t)dz(6)2：5o式中，c为瞬时悬沙浓度；U为瞬时速度；d。，D分别为悬沙积分范围条件下的中值

6、粒径及瞬时水深。qb的计算方法采用EngelundandFredsoe的输沙公式：q=5p(~／一0．07√)√(s一1)gd(7)式中，P为一层内所有沙粒都启动的概率；为与底表图1溃坝后流场、水位面摩阻有关的无量纲剪切应力；为泥沙启动的临界覆盖率仅为20％～30％，流域多年平均径流量为2．61剪切应力；s为泥沙的相对密度；d为泥沙粒径。亿m，多年平均降雨量为419mm。水库所在河流泥Ⅳ，2沙含量较大，多年平均输沙量为1047万t，实测最大(8)含沙量为1300kg／m。启动概率定义为3．2计算方案{瞻0O0OO00000本次计算主要考虑两种对比方案，即不考虑上游加博H⋯加

7、够；宝罢jr]0(9)来沙及库区淤沙运动的清水模型与考虑上游来沙及库区淤沙运动的浑水模型。采用整体模型计算求解，即式中，为动摩阻参数。把库区、坝址、下游河道作为一个模型来研究。溃2模型验证坝形式为瞬时全溃。通过模拟校核洪水过程时水库清计算区域长200in，宽200m，平底。用该模型模水瞬时全溃溃坝计算和水沙瞬时全溃溃坝计算，分析拟矩形河道中大坝局部瞬间溃倒时下游的洪水演进过库区泥沙对于溃坝洪水传播的影响。并在浑水计算中程，溃口位置在坝的中间，长75In。并对模拟结果进考虑同一流量条件下不同中值粒径值对计算结果的影行