堰塞坝漫顶溃决机理的数值模拟研究——以白格堰塞坝为例
作者单位：四川大学
学位级别：硕士
导师姓名：张新华
授予年度：2021年
学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程]
摘 要：近年来,随着全球气候变化与人类活动影响,极端天气现象与自然灾害事件频发。其中,由地震、暴雨等诱发的山体滑坡、崩塌或泥石流堵塞河道而形成的堰塞坝(湖)时有发生。与人工修筑大坝相比,堰塞坝因天然形成未经碾压,坝体材料结构松散、稳定性差,且没有溢洪道等泄洪措施,往往会在短时期内发生溃决。而堰塞坝一旦溃决,洪水会对沿岸的工矿企业、城镇、农田、道路、建筑物等造成严重的破坏和人员财产损失。因此,快速准确地预测堰塞坝溃决洪水过程对堰塞湖应急抢险十分重要。目前,国内外学者针对溃坝洪水模型的研究已经取得了大量研究成果,但模型中关于溃口溃决机理的研究还不够成熟,特别是对于溃口横向展宽与纵向溯源侵蚀的机理还有待完善。因此有必要开展堰塞坝漫顶溃决机理及其出流过程研究。为了快速准确的预测堰塞坝漫顶溃决过程,针对当前常用溃坝模型在横向展宽、纵向侵蚀与溃口最终底高程赋值中存在的问题,本文对堰塞坝溃决机理进行了重点研究。首先,根据泥沙颗粒在斜坡上的起动与侵蚀规律,提出了滑坡堰塞坝在漫顶溃决过程中的溃口横向展宽公式。其次,基于蒋先刚的试验研究提出了一种溯源侵蚀模式,并通过对溃坝试验数据的量化和分析,给出了该溯源侵蚀模式的计算方法。再其次,基于本文构建的堰塞坝数据库资料以及坝体侵蚀度的分类方法,提出了堰塞坝不同侵蚀度情况下的溃口最终底高程经验公式。最后,构建了一套可描述堰塞坝溃口发展及溃口出流过程的漫顶溃坝数值模型,该模型包括水动力、泥沙冲刷、溃口演化、溯源侵蚀以及溃口边坡稳定性五个模块,并以“11.03金沙江白格堰塞坝为典型案例验证了该模型。通过对“11.03金沙江白格堰塞坝溃决过程的模拟,并将模拟结果与实测资料和其它模型的模拟结果进行对比分析,获得的主要研究成果有:1.通过资料搜集,构建了包含全球46个国家1230个堰塞坝溃决信息的大型数据库。在此基础上,对堰塞坝的地区分布、形态特征、诱发因素、地质成因、溃决机理、寿命特征等进行了统计和关联性分析。此外,基于该数据库资料,提出了堰塞坝不同侵蚀度情况下的溃口最终底高程的经验公式。2.为了解决IWHR-DB溃坝模型在溃坝计算中存在的溃口流量、水位曲线后半段误差偏大的问题,对该模型进行了适当改进。以“11.03白格堰塞坝为例,对模型改进前后的结果进行了对比分析,结果表明改进后的双曲线、指数模型模拟的溃决过程精度有所改善。3.本文基于斜坡泥沙起动侵蚀机理推导获得的溃口横向展宽计算公式和基于蒋先刚的溃坝试验研究提出的溯源侵蚀模式及其计算方法,通过对“11.03白格堰塞坝的溢流溃坝过程模拟,结果表明本文提出的溃口展宽公式比传统的二倍假定公式能够更好地反映溃口发展过程;与不考虑溯源侵蚀的模拟模型相比,考虑溯源侵蚀能够更好地模拟堰塞坝溃决的全过程。4.本文构建的堰塞坝漫顶溃坝数值模型对“11.03白格堰塞坝的模拟结果表明:模拟的洪峰流量、峰现时间、洪水总量与实测值对比,误差分别为1.69%、11.86%、7.59%,满足水文情报预报的精度要求,验证了本文溃坝数值模型的准确性。通过与DAMBRK模型、水科院模型、南科院模型等其它溃坝模型的计算结果进行对比分析,结果表明本模型模拟的溃决流量过程与实测值吻合最佳。5.因堰塞坝溃决模拟首先需要对形态进行概化,为了防洪抢险也需要开挖泄流槽,为此,本研究对其进行了敏感性分析。敏感性分析结果表明:堰塞坝下游坡角度对溃口流量的预测影响较大;开挖泄流槽是降低堰塞湖溃决风险的有效措施,泄流槽开挖深度越大越能起到削减洪峰的作用。
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