浅谈土石坝漫顶溃决模型

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1、浅谈土石坝漫顶溃决模型土石坝溃决往往造成破坏性的洪水，尤其是滑坡、泥石流、终碛堤，以及火山碎屑等地质过程堵塞河道形成的天然土石坝及其溃决过程，由于事先未有任何征兆和防护措施，其造成的危害往往更为巨大。为了能够准确的对坝体溃决所造成危害进行评估、制定合理的安全预警方案以及实施有效减灾工程措施，模拟坝体的溃决过程以及溃口的洪水过程显得十分重要。1溃口几何形态溃口的几何形状对溃口水力过程影响很大。溃口的形状通常概化为矩形、三角形或梯形，或将断面概化为抛物线形。根据对大量的人工土石坝溃决事件以及汶川地震灾区堰塞湖溃决的调查发现，溃决后的坝体溃口多呈梯形或两侧为均匀斜坡底部为抛物线的形态特征

2、。在本计算模型中，将溃口的几何形态概化为梯形，溃口形状由:溃口底宽b、溃口深度z和溃口边坡参数s3个参数确定。溃口通道坡度较小，在计算时可假定为水平，u和d分别为坝体迎水面和背水面边坡。2溃口堰流方程溃口假定为梯形，溃口流态可以认为是急变流，通过溃口或坝顶水流的水力特征用宽顶堰流描述。溃口出流过程是溃口几何形状和溃口水头的函数，可以用下式表示Qb=1.71b(H-Z)1.5+1.2s(H-Z)2.5(2)=1H2-Z23(H-Z)1-2.783(H2-ZH-Z-0.67)3H2-Z23{(H-Z)(3)式中H为堰塞湖水深，Z为溃口相对于坝顶的高程，s为溃口边坡，取决于坝体组成物质的

3、内摩擦角()，可取s=tan(45/2)，为淹没系数，H2为坝下游正常流深，可以近似用曼宁公式表示H2=(Qbnd1.49J0.5B0)(4)式中n2为曼宁糙率系数，J为坝体下游河道坡度，Qb为前一个时段溃口出流量。3库区水量平衡堰塞湖或水库库容可以用水位-库容关系表示W=aHn(5)式中W为库容，H为水深，n为库容指数。对于特定的坝体，其水位库容曲线可以由地形图绘制。上式适用于堰塞湖表面为水平时，一旦溃决开始，湖水就会向溃口集中并沿溃口下泄，这时由于库区水面坡度较小，仍可认为上式适用。这时堰塞湖水量平衡可以表示为dWdt=Qi-Qb-Qs-Qp(6)式中Qi为入库流量，Qb通过溃

4、口的流量，Qs为通过溢洪道的流量，Qp为管涌出流量。由于溃坝时间尺度较短，因为堰塞库区的蒸发作用可忽略不计;对于天然土石坝漫顶溃决，若无溢洪道且管涌量较小，可忽略通过溢洪道和管涌的流量。则通过式(5)和式(6)可得anHn-1dHdt=I-Q(7)式中I为入库总流量，Q为出库总流量。如果在坝体溃决的时间段内，入库流量可以认为是常数，则上式中只包含两个未知量，堰塞湖水面高程H和溃口的出流量Qb，通过水深和时间的对应关系，可以求解出库流量。4溃口泥沙输移当堰塞湖水位到达坝顶时，水流漫过坝顶从而对坝顶形成冲刷过程;被侵蚀的泥沙由