堰塞壩漫頂潰口流量變化過程的數值模擬論文
1研究背景
天然壩與一般人工壩的潰壩方式存在一定差別,首先在壩體形態上,堰塞壩堆積體往往呈不規則形狀,沿河流動方向大多較人工壩更長;其次在壩體結構上,由于堰塞壩為天然原因形成,沒有人工筑填過程,結構松散,物質組成不均勻性更強,抗沖能力的不確定性也比人工壩更大。由于問題的復雜性,以往對堰塞壩潰壩問題的獨立研究成果較少,當前的堰塞湖潰壩洪水計算中大多是借用人工壩的模擬技術。
國內外學者通過不同手段建立了數學模型來研究一般潰壩洪水問題,并取得了豐碩成果。美國的Fread早在20世紀70年代就開始了潰口形成過程的研究,在他的BREACH模型及后續擴展的DMBRK模型和FLOODWAV模型中研究了由漫頂和管涌引起的潰壩。其壩體可以是均質,也可包含2種不同材料分別構成心墻和外部區域,但該模型沒有考慮壩下游坡面的溯源沖刷問題,采用的沖刷公式仍是一般平衡輸沙能力公式,這與潰壩水流高強度侵蝕條件下的非平衡輸沙不符。隨后,Singh開發的BEED模型將潰口斷面假定為梯形,潰口沿河槽軸向劃分為兩段,第1段為壩頂的水平潰口段,第2段為壩下游坡面上潰口槽。水平潰口段假定為寬頂堰出流,水流對壩體的沖刷采用愛因斯坦-布朗公式計算。當潰口處的沖刷發展到一定程度時,潰口邊坡失穩,形成楔形滑體滑落,但該模型仍然沒有考慮高強度水流的侵蝕問題。最近,Mohamed等提出了另一種土石壩漫頂潰口模擬方法,但壩體沖刷模式仍僅限于均勻物質的情況,且沖刷公式仍為一般平衡輸沙公式。Morris等在歐盟IMPACT項目中采用土力學邊坡滑塌力學平衡原理,提出了一種較為復雜的潰口擴展模型,然而由于該問題的不確定性,人們仍然不能夠精確模擬潰壩洪水問題,能否反映潰口發展的真實過程仍未得到證實。本文利用水槽試驗結果,將高強度水流非平衡沖刷公式引進潰口擴展模式,同時考慮后壩坡的溯源沖刷,將潰口的垂直下切、橫向擴展、壩坡溯源沖刷3種過程結合起來建立數學模型,試圖更加全面地模擬堰塞壩潰口發展問題。
2數學模型
在堰塞壩漫頂潰壩中,漫過壩頂的洪水沿壩體下游面形成沖蝕溝,這樣對壩及壩頂進行侵蝕形成潰口,并向上游面發展,沖蝕和壩體垮塌作用使潰口及潰渠逐漸加大。可見,堰塞壩漫頂潰決的流量過程取決于壩前水位過程、壩體的沖刷擴展過程兩大因素,其動態變化可由堰塞湖庫容動態變化、潰口形態變化具體反映,數值模擬其動態過程可由堰塞湖庫容的連續方程、潰口沖刷規律和潰口水流流動規律來決定。
堰塞湖水量平衡方程:
dVdt=Qi-Qo(1)
式中:V為堰塞湖庫容;t為時間;Qi為入庫流量;Qo為通過潰口的出流量。
對于漫頂潰決潰口流動問題,現有一些常用數學模型大部分仍然采用類似于寬頂堰基本方程計算潰口流量過程,如美國國家氣象局FLDWAV模型中采用梯形潰口假設并考慮行近流速和下游淹沒出流的影響,潰決流量計算公式以一般寬頂堰流量為基礎:
Qo=cvksCd2g23bs(hi-hb)1.5+815z(hi-hb)2.5(2)
式中:Cv為行近流速改正系數,Cv=1+0.023Q2iB2d(hi-hbm)2(hi-hb);ks為反映潰口下游淹沒情況的改正系數,ks=1-27.8max[0,(R-0.67)]3;Cd為流量系數,模型中取Cd=0.579;R為淹沒指標參數,R=hi+1-hbhi-hb;bs為瞬時潰口底寬;hi為壩上游水位;hb為潰口底部高程;z為梯形潰口的邊坡;Bd為壩址處河道峽谷寬度;hbm為潰口發展最終高程。
3模型參數敏感性分析
堰塞壩潰壩洪水數值模型計算總是存在不確定性,了解模型計算結果的可靠程度對實際決策非常重要。利用上述模型結合實例研究模型中幾個不確定性因子取不同數值時對計算結果的影響。
(1)模型驗證。針對某滑坡形成的堰塞湖潰壩問題,利用上述模型計算了潰口流量過程。根據現場資料,該堰塞壩體物質50%粒徑約為0.3m,順河堆積體長800m,頂部寬450m,河谷寬180m,河床高程約為640m,人工開挖渠底高程740m。另據堰塞壩物質分層情況,720m高程以下為弱風化巖層,抗沖性較強,計算中假定該高程以下不再發生沖刷,模型最低控制高程取為720m,上游入湖流量取為常數(Qi=60m3s),根據這些基本條件計算了堰塞湖潰壩洪水過程,與實際潰決后測得的潰口流量過程比較。需要特別說明的是,圖2中的計算流量過程為應急處置方案分析中計算的一種方案,是在堰塞湖還沒有發生潰決的.情況下根據上述參數計算得到的。從圖2可以看出,潰決前的預測結果與實際潰決出現的流量十分接近。表明本文提出的數值模型基本能夠反映堰塞湖潰壩流量的發展變化規律。
(2)壩體物質抗沖性對潰壩洪水的影響。其它參數不變,改變壩體物質當量粒徑D,計算得到的壩址潰壩洪水過程。由于計算模型中沒有考慮抗沖物質的黏性特性,這里壩體物質當量粒徑D實際上反映了綜合抗沖特性。從圖3中可以看出,壩體物質的抗沖性對潰壩洪水有顯著影響。主要體現在兩個方面,①最大流量發生時間,顆粒物質當量粒徑增加,抗沖性增強,則潰壩最大流量發生時間推后,當壩體物質抗沖當量粒徑從0.1mm增加到70mm時,潰壩最大流量發生時間相差達11h以上;②最大流量值隨壩體物質抗沖性變化呈曲線變化,隨著壩體物質當量抗沖粒徑的變化,最大潰壩流量有一個對應的當量粒徑最小值D0,在當量粒徑D>D0范圍內,D增加,潰壩最大流量隨之增加,在D<D0范圍內,D減小,潰壩最大流量也增加,這一現象不難從泥沙沖刷規律得到解釋。從前述模型計算方法可知,潰口最大流量決定于當時的潰口尺寸和水位(水深)。在一定條件下,當壩體物質抗沖性增強時,潰口水位上升起主導作用,由于泥沙啟動臨界水深增大,出現最大潰壩流量時的水位較高,有效水深也較大,則產生的潰口最大流量越大。但是當壩體物質抗沖性較差時,潰口沖刷起主導作用,雖然出現潰口最大流量時的水位并沒有增加,但由于沖刷較快,潰決從形成到達到最大流量的時間很短,抗沖性越差,則形成潰口的速度越快,相應出現最大流量的時間也就越靠前,壩前消落水位越少,潰口最大,流量越大。< p>
4結語
堰塞壩的潰壩洪水計算包括了潰口流量變化過程和潰壩洪水演進過程兩方面的問題。而潰壩流量過程與潰口發展模式直接相關。本文利用河流洪水沖刷試驗結果,假定潰口發展是由水流直接沖刷和壩體邊坡等速擴展聯合形成,根據土力學邊坡穩定性分析計算基本原則,提出了一個堰塞壩逐漸潰發展模式。利用某堰塞壩的潰壩實測資料對建立的模型進行了驗證,驗證計算結果表明,模型計算的潰口流量過程和潰口發展時間過程與實際情況基本一致,表明該假定的潰壩發展模式基本符合堰塞壩漫頂潰壩的物理現象,能夠反映自然壩漫頂潰決的潰口發展過程。利用該數學模型對潰壩過程中的一些特征因子如潰壩殘留壩高、壩體物質抗沖特性、堰塞湖形態等對潰壩流量過程的影響進行敏感性計算分析,計算結果表明,壩體殘留壩高對潰口流量影響最為明顯,壩體物質抗沖性主要影響潰口最大流量出現時間,間接影響潰口流量過程,堰塞湖庫容特性對潰壩流量的影響較為有限,其它有關問題還有待進一步研究。
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