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溃坝涌浪特性及对下游重力坝响应仿真研究

溃坝涌浪特性及对下游重力坝响应仿真研究

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作者：王文雄昆明理工大学

学位级别：硕士

堰塞坝是天然形成的特殊坝,由于土体材料比较松软,结构极其不稳定,堰塞坝非常容易溃坝,而堰塞坝一旦溃决,将会形成溃决洪水,不但会造成环境破坏,严重威胁到下游居民的生命财产安全,当堰塞坝形成的位置较靠近库区时,溃坝涌浪会对库区内... 详细信息

堰塞坝是天然形成的特殊坝,由于土体材料比较松软,结构极其不稳定,堰塞坝非常容易溃坝,而堰塞坝一旦溃决,将会形成溃决洪水,不但会造成环境破坏,严重威胁到下游居民的生命财产安全,当堰塞坝形成的位置较靠近库区时,溃坝涌浪会对库区内的水工建筑物带来冲击甚至破坏。因此,研究堰塞坝溃坝涌浪的产生和传播规律,以及重力坝的动力响应,对堰塞坝防灾减灾工作而言是有必要意义的。本文基于ANSYS WORKBENCH数值仿真平台,运用 WORKBENCH中的FLUENT模块、Transient模块和System coupling模块,本文研究的主要内容有以下几个方面:(1)基于Kocaman S的实验研究和结果,然后通过ANSYS软件中的WORKBENCH平台,建立了下游有结构物时的瞬间溃坝以及水流和结构物之间相互作用的数值模型,并把数值模拟的结果和实验结果进行对比分析,发现两者的吻合度较高,以此来证明WORKBENCH完成本文内容的可靠性。(2)通过WORKBENCH平台建立了三种堰塞坝溃坝量不同时的溃坝涌浪和重力坝相互作用的双向流固耦合模型,以此来模拟溃坝涌浪的产生和传播规律以及重力坝在溃坝涌浪作用下发生的位移和所受到的作用力,并把结果对比分析,其结果表明:即使溃坝量不同,溃坝涌浪的产生和传播规律大致相同,溃坝涌浪都是在很短时间内迅速生成然后被抬高,溃坝涌浪在传播过程中由于存在速度差,会有气体空腔的形成且岸坡两侧的溃坝涌浪传播速度大于溃坝涌浪中间位置处,重力坝左右坝肩处的水面壅高高于坝体中心处。由于在数值模拟过程中对重力坝两侧和底部施加了固定约束,所以坝体最大位移发生在了坝顶中心位置处,最大第一主应力发生在了坝踵中心处。当溃坝量越大时,溃坝涌浪形成的高度越大且所需时间越短,水面变化幅度越大,但是库区流速减小的越快,库区水面恢复平静越快:溃坝量越大,重力坝的位移变化和主应力变化越大。(3)由于不同库区,库区水位是不同的,为了分析库区水位不同是否会影响堰塞坝溃坝涌浪的特性,因此,通过WORKBENCH平台建立了两种不同库区水位高度时的溃坝涌浪和重力坝相互作用的双向流固耦合数值模型,来模拟堰塞坝溃坝涌浪的特性以及溃坝涌浪作用于重力坝时,重力坝发生的位移和受到的应力变化,并将两者结果进行对比分析,得出:当溃坝量相同时,即使库区水位高度不一样,溃坝涌浪的产生和传播规律都大致相同,坝前水面壅高变化的规律也相同,但是库区水位越低,溃坝首浪的浪高越高,重力坝前水面壅高越高且变幅越大,引起的重力坝的位移越大,重力坝受到的第一主应力越大,而压缩波对两种不同库区水位高度作用的时间大致相同。

关键词：堰塞坝溃坝溃坝涌浪水面壅高数值模拟

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不同库区断面形式下滑坡涌浪特性和堰塞坝溃坝涌浪与重力坝响应的对比研究

不同库区断面形式下滑坡涌浪特性和堰塞坝溃坝涌浪与重力坝响应的...

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作者：李梓萌昆明理工大学

学位级别：硕士

随着中国水利水电工程建设的快速发展,由滑坡引起的涌浪灾害在修建大坝之后所形成的库区中愈发频繁。我国很多水利工程都是修建于高山峡谷之中,在这样的地形地质条件下,许多水利工程库区内都曾发生过滑坡涌浪事件,而滑坡体体积过大或者... 详细信息

随着中国水利水电工程建设的快速发展,由滑坡引起的涌浪灾害在修建大坝之后所形成的库区中愈发频繁。我国很多水利工程都是修建于高山峡谷之中,在这样的地形地质条件下,许多水利工程库区内都曾发生过滑坡涌浪事件,而滑坡体体积过大或者发生连续滑坡时会产生滑坡堰塞坝,因此当滑坡事件发生在库区或者库区附近时,无论是滑坡涌浪还是滑坡堰塞坝溃坝时形成溃坝涌浪,都会对两岸以及下游的建筑物产生影响,当产生的涌浪较大时,甚至还会对建筑物产生破坏,造成更大的威胁。因此,研究发生在库区或者库区附近的滑坡事件对于实际工程具有重要的指导意义。本文首先依据S.Soares和C.Biscarini所进行的试验和研究,建立了下游有障碍物和水体的溃坝数值模拟模型,将数值模拟计算得出的结果与试验结果进行对比,发现和试验数据吻合度较好,验证了使用ANSYS WORKBENCH来完成本文内容的可行性。文中使用ANSYS WORKBENCH仿真平台,建立了梯形和V形两种不同断面形式的库区三维滑坡涌浪数值模型,在建立模型的时候保证两种库区中的水深、水面宽度、库区总长度、滑坡体体积大小和入水速度一致,对比研究了不同库区断面形式下,滑坡涌浪各项特征的差异性,研究结果表明:波面流速与涌浪高度有相关性,V形库区中产生滑坡涌浪时,对于对岸造成的影响和危害性要大于梯形库区,对上下游沿岸造成的影响和危害性小于梯形库区。涌浪在向对岸进行横向传播时,V形库区中涌浪所产生的首浪浪高以及涌浪在对岸的爬高均要大于梯形库区;涌浪在沿河道进行纵向传播时,V形库区中,涌浪在衰减幅度上大于梯形库区,在传播速度、传播距离、影响范围和所含能量等方面要均小于梯形库区。发生滑坡灾害时,一次性产生的滑坡体体积过大或者是滑坡体形成连续滑坡,会形成滑坡堰塞坝,尤其是在库区或者库区附近形成堰塞坝时,会对堰塞坝下游库区内的水工建筑物造成极大威胁。为此,利用ANSYS WORKBENCH,建立了梯形和V形两种不同库区断面形式下溃坝涌浪与重力坝相互作用的双向流固耦合三维数值模拟模型,模拟梯形和V型两种不同库区断面形式下溃坝涌浪的产生、传播过程等各特项征以及溃坝涌浪作用于坝体时,对坝体的位移、应力影响,并将两种结果进行对比分析。结果表明:溃坝涌浪在传播时,梯形库区中的首浪形态能保持较好的完整性,而V形库区中的首浪前后两部分水体会发生分离现象,V形库区中的水体变形程度大于梯形库区;V形库区与梯形库区首浪高度变化趋势一致,前中期V形库区中的高度要小于梯形库区,但在后期,V形库区中浪高要大;V形库区中的最大流速值要小于梯形库区,而且在流速的衰减方面V形库区中要比梯形库区中快;梯形库区中坝顶中心处的最大位移和坝踵位置的第一主应力无论是在压缩波还是溃坝涌浪的作用下,都要大于V形库区,压缩波对坝体的作用时间,在两种库区内大致相同;梯形库区中溃坝涌浪对坝体的作用时间要早于V形库区。

关键词：库区断面形式滑坡涌浪溃坝涌浪滑坡堰塞坝重力坝响应

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