三峡大坝溃坝问题的研究.pdf

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1、三峡大坝溃坝问题的研究摘要三峡大坝是世界上最大的水利枢纽主体工程，具有巨大的防洪、发电、通航、供水等综合效益。若大坝损毁将会对下游地区造成灾难性的破坏。本文建立了一系列模型来研究三峡大坝完全损毁所造成的洪流对长江下游的影响。问题一中，建立了溃坝模型、一维洪流演进模型和回流模型这三个模型来预测大坝损毁后下游总水量的变化情况。首先，将溃坝洪流过程的研究分为溃口流量过程与溃坝洪水在下游的演进这两个部分。然后，建立溃坝模型来描述大坝缺口的动态变化过程，分析缺口水流量的变化情况，并求得不同缺口规模下洪流的最大流

2、量。再基于圣维南方程组推算建立一维洪流演进模型来描述洪流在下游的演进过程。特别地，本文考虑洪流向长江和各支流回流的情况，建立回流模型来计算主流和支流交汇出流量的变化情况，并通过求解回流的最大距离来估计波及面积。问题二中，因为武汉位于主流和支流的交汇点，因此建立了流量平衡模型来描绘交汇点河流水位的变化情况，并通过求解水位的最高点来估计洪水所淹没的范围。为了简化求解过程，设计了求解最高洪水位的迭代算法，得出黄鹤楼大概有一半的高度被洪水淹没，同时被淹没的还有沿岸许多城市。同时，分析出溃坝后，上海入海口径流量

3、增大，盐度减低，泥沙增多导致河床升高。另外，还分析了溃坝将产生的经济损失和生命损失。并通过模拟不同规格的缺口所产生的水流量对模型进行灵敏度分析，得到模型具有较好的稳定性。本文最大的亮点在于对于整个溃坝过程的分析全面，包括了对大坝缺口的变化、主流水流量的变化、主流和支流的交汇、主流和支流的回流、河流水位的变化、经济损失、生命损失等情况的分析。另外，在方法上，通过建立主流和支流的流体系统来求解总流量，并将圣维南方程和动量、能量守恒结合起来，设计求解最高洪水位的迭代算法，也是本文的创新之处。关键词：水流量、

4、洪流演进、回流方程、流量平衡一问题的提出1.1基本情况三峡工程是开发治理长江的关键性骨干工程，大坝坝址位于湖北省宜昌市三斗坪。三峡大坝是世界上最大的水利枢纽主体工程，具有巨大的防洪、发电、通航、供水等综合效益。建坝和筑堤是以控制调节洪水、供水、防洪等为目的，水库和堤防有一定的蓄容洪水能力。如果由于某种原因而造成大坝和堤防失事，大量水体突然释放而形成溃坝洪水，会对下游地区生命财产造成灾难性的破坏，影响当地的正常生活，造成区域性灾害，而且会对生态环境产生不良干扰。为此，需要研究三峡大坝因地震或战争完全损毁

5、所造成的洪水对长江下游的影响情况。1.2需解决的问题（1）大坝损毁后长江将会出现多大的洪流,洪水的波及面积有多大?（2）洪水会淹没武汉市黄鹤楼么?对上海市有没有影响?二问题的分析2.1对问题1的分析为估计大坝损毁后所产生的洪流的规模，需要对溃坝的水流过程进行研究。溃坝水流研究分为溃口流量过程与溃坝洪水在下游的演进研究两个部分。第一部分主要是研究大坝从产生缺口到完全损毁这个过程中，从缺口流出的总水流量的变化情况。由此可以预测出大坝损毁后下游总水量的变化情况，即估计会出现多大的洪流。第二部分主要是研究水流

6、在下游的流动情况，包括洪流的演进、回流、主流和支流的交汇等情况。由此可以预测出下游的主流和各支流的流速和水量的变化情况，即估计洪流的波及面积有多大。具体地，为了简化问题，本文将所有支流看作一个系统。2.2对问题2的分析为估计洪水对长江沿岸城市的影响，需要对溃坝后下游各河流水位升高的幅度进行研究。当三峡大坝损毁时，洪流沿长江演进，如下图所示：图1长江流域图--1如上图所示，该流域主要有三条河流：长江、沅江和汉水，其中沅江和汉水是支流。而当三峡大坝被摧毁时，有一部分洪水会回流到长江下游的一些支流。所以在考

7、虑洪流对武汉的影响时，本文必须考虑沅江和汉水的回流情况。第二问：就是将汉水单独考虑。沅江可以看成是剩余的集合图中沅江是在武汉的上游和长江汇合之后再流向武汉的，这种情况下问题比较复杂。为了简化问题，本文将武汉定为三江的交汇点，考虑三江交汇点的水位情况，即洪流对武汉的影响。另外，因为汉水和长江在武汉市交汇，所以单独分析汉水的情况，然后把沅江视为剩余的其它支流的整体。上海是位于长江的入海口，受洪流的直接影响要小于武汉，但可能会受到其它因素的间接影响。三模型的假设（1）假设地震过程中只有大坝被摧毁，其它地形或

8、地貌没有发生变化；（2）假设不发生余震；（3）假设洪水是一种理想的流体，既不会凝结，也不具有粘性；（4）假设大坝的缺口在一段时间内达到损毁的最大程度后，就基本保持不变；（5）假设在大坝缺口变化的过程中，缺口的高度和宽度都随时间线性变化；（6）假设大坝缺口的平面图形为规则几何图形，且缺口在变化过程中其形状类型不发生改变。四符号的说明W：大坝初始缺口的上底宽度；0W′：大坝初始缺口的下底宽度；0H：大坝初始缺口的高度；0Q：洪流的水流量；A：主流的截面面积；