长距离溃堰洪水演进二维数值模拟
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溃坝及洪水演进数值模拟研究
Ｋｅ ｒ ｓ ｄ ｍ－ ｒａ ｙｗｏ ｄ ： ａ ｂ ｅ ｋ；ｆｏ ｄ ｆｏ ；ｄｇｔ ｌｓｍｕ ａｉｎ；ｆｎｔ ｏｕ ｔ ｏ ；ＧＩ ｌｏ ｌｗ ｉｉ ｉ ｌｔｏ ａ ｉｉｅｖ ｌ ｍｅｍｅ ｈ ｄ Ｓ
０ 引 言
计 算提供 基本 资料 ； 水 演进 模 拟 是指 模 拟洪 水 冲 洪
出大坝 后在下 游 区域 的 流动 过程 ， 目的是 获得 洪 水 淹没 区域 及各处 的流 量 、 水位 、 流速 、 前 和洪 峰 到 波
达时 间等 。
我 国已修建水 库大坝 ８ ５ 万座 ， １ ５ ．余 自 ９ ４年有 溃坝 统 计 资 料 以来 ， 国各 类 水库 大 坝 失 事 ３４ ７ 我 ８
高 达 ￥１ ０ ０ 。 因此研 究溃 坝洪水 演进 具 有重 大 ０ ×１
国外溃坝 洪水计 算 主要 有 Ｂ Ｅ 模 型 ， 国 国 ＥＤ 美
家气 象局 的 Ｄ ＡＭＢ ＲＫ模 型 、 ＲＥ Ｈ 模 型 、 Ｌ Ｂ ＡＣ Ｆ Ｄ—
ＷＡＶ模 型 ， 麦水 科 学 研 究 所 的 ＭＩ 丹 ＫＥ１ 模 型 以 １
溃 坝 及 洪水 演 进数 值 模 拟研 究
塔 娜 ， 志 军 王
（． 鸟 市安 迪 水 利 水 电勘 测 设 计 有 限 公 司 ， 江 义乌 １义 浙 ３ ２ ０ ；２河 海 大 学 ７Ｎ ｚ ２００ ． ｋ ｋ￣ ＿ 学 院 ， 京 程 南 ２０９） １０ ８
摘
要： 溃坝洪水计算包括溃坝模拟及洪水演进模拟两部分 。为避免复杂公式推导及求解 ， 对溃坝模拟 ， 采用简 化模 型， 二维洪 对
Ａｂ ｔａ ｔ Ｃａｃ ｌｔ ｎ ｏ ａ ｂ ｅ ｋ ｆｏ ｄ ｉｃｕ ｅ ａ ｂ ｅ ｋ ｓｍｕ ａｉｎ ａ ｄ ｆ ｏ ｌｗ ｉ ｕａｉｎ ｎｏ ｄ ｒ ｓｒ ｃ ： ｌｕａ ｉ ｆｄ ｍ－ ｒ ａ ｌｏ ｎ ｌｄ ｓｄ ｍ－ ｒ ａ ｉ ｌｔ ｎ ｌ ｄ ｆｏ ｓｍ ｌｔ ．Ｉ ｒ ｅ ｏ ｏ ｏ ｏ
溃坝洪水演进数值模拟研究
ｒｃａ ｇ ｌｒｏ ｅ ｈ ｎ ｅ ；ａ ｄ ｔ ｅｎ ｍ ｅ ｉａ ｅ ｕ ｔ ｒ ｏ ａ ｅ ｔ ｈ ｈ ｏ ｅｉａ ｅ ｕ ｔ．Ａｎ ｔｉ ａ— ｅ ｔｎ ｕａ ｐ ｎ ｃ ａ ｎ ｌ ｎ ｈ ｕ ｒｃ ｌ ｓ ｌ ａｅｃ ｍｐ ｒ ｄｗｉｈｔ ｅｔ ｅ ｒｔｃ ｌ ｓ ｌｓ ｒ ｓ ｒ ｄｉ ｓ ｌ Ｓ ｓ ｄ ｔ ｒｄ ｃ Ｄ ｌｏ ｖ ｓｄ ｅ ｔ ａ ｔａ ｎ ｔｎ ａ ｅ ｕ ａ ｂ ｅ ｋ ｉ ｅ ｔｎ ｕ ａ ｐ ｎ ｃ ａ ｎ ｌ Ｏ ｕ ｅ ｏ ｐ ｅ ｉｔ２ ｆｏ ｄ ｗａ ｅ ｕ ｏ ｐ ｒｉｌｉｓａ ｔ ｎ ｏ ｓｄ ｍ－ ｒ ａ ｎ ａ ｒｃａ ｇ ｌｒ ｏ ｅ ｈ ｎ ｅ，
溃 坝洪 水 演 进 数值 模 拟研 究
魏 严 戎 贵 文 文 礼 ， 建 军 ，
（． 安 理 ２ 大学 水 利 水 电 学 院 ， 安 １０ ８ ２ 西 安 普 迈 项 目管理 有 限公 司 ， 安 ７０ ６ ） １西 １ ２ 西 ７０４ ； ． 西 １０ ８
摘
要 ：的隐 式 数 值 格 式求 解 控 制 水 流 运 动 的二 维 浅水 方 程 ， 立 了模 拟 大 坝 瞬 间 全 溃 采 ｃ ｏｍａｋ预 建
关键词 ： 溃坝洪水 波； 数值模拟 ； 隐式格式
中 图分 类 号 ： Ｖ１２ ４ Ｔ ２ ． 文献 标 识 码 ： Ａ
Ｎｕ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉｎ ｏ Ｄ ｍ— ｒ ａ ｏ ｄ Ｗ ａ ｅ ｍ ｒｃ ｌＳ ｍ ｌ ｔｏ ｆ２ Ｄａ ｂ ｅ ｋ Ｆｌ ｏ ｙｓ
Ｒ Ｇ Ｇｕ－ ｅ Ⅵ，ＩＷｅ － Ｙ Ｎ Ｊａ － ｎ ＯＮ ｉ ｎ ， Ｅ ｎｌ ， Ａ ｉ ｊ ｗ ｉ ｎ ｕ
Ｍ ａ ａ ｅ ｎ ． ｄ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｃ０ Ｌｔ ．，Ｘｉ ａ ０ ６ Ｃｈ ｎ ） ’ ｎ ７１ ０ ８， ｉ ａ
[数值,流量,过程]简谈堰塞坝漫顶溃口流量变化过程的数值模拟
![[数值,流量,过程]简谈堰塞坝漫顶溃口流量变化过程的数值模拟](https://img.taocdn.com/s1/m/d93f045771fe910ef02df828.png)
简谈堰塞坝漫顶溃口流量变化过程的数值模拟1研究背景天然坝与一般人工坝的溃坝方式存在一定差别,首先在坝体形态上,堰塞坝堆积体往往呈不规则形状,沿河流动方向大多较人工坝更长;其次在坝体结构上,由于堰塞坝为天然原因形成,没有人工筑填过程,结构松散,物质组成不均匀性更强,抗冲能力的不确定性也比人工坝更大。
由于问题的复杂性,以往对堰塞坝溃坝问题的独立研究成果较少,当前的堰塞湖溃坝洪水计算中大多是借用人工坝的模拟技术。
国内外学者通过不同手段建立了数学模型来研究一般溃坝洪水问题,并取得了丰硕成果。
美国的Fread早在20世纪70年代就开始了溃口形成过程的研究,在他的BREACH模型及后续扩展的DMBRK模型和FLOODWAV模型中研究了由漫顶和管涌引起的溃坝。
其坝体可以是均质,也可包含2种不同材料分别构成心墙和外部区域,但该模型没有考虑坝下游坡面的溯源冲刷问题,采用的冲刷公式仍是一般平衡输沙能力公式,这与溃坝水流高强度侵蚀条件下的非平衡输沙不符。
随后,Singh开发的BEED模型将溃口断面假定为梯形,溃口沿河槽轴向划分为两段,第1段为坝顶的水平溃口段,第2段为坝下游坡面上溃口槽。
水平溃口段假定为宽顶堰出流,水流对坝体的冲刷采用爱因斯坦-布朗公式计算。
当溃口处的冲刷发展到一定程度时,溃口边坡失稳,形成楔形滑体滑落,但该模型仍然没有考虑高强度水流的侵蚀问题。
最近,Mohamed等提出了另一种土石坝漫顶溃口模拟方法,但坝体冲刷模式仍仅限于均匀物质的情况,且冲刷公式仍为一般平衡输沙公式。
Morris等在欧盟IMPACT项目中采用土力学边坡滑塌力学平衡原理,提出了一种较为复杂的溃口扩展模型,然而由于该问题的不确定性,人们仍然不能够精确模拟溃坝洪水问题,能否反映溃口发展的真实过程仍未得到证实。
本文利用水槽试验结果,将高强度水流非平衡冲刷公式引进溃口扩展模式,同时考虑后坝坡的溯源冲刷,将溃口的垂直下切、横向扩展、坝坡溯源冲刷3种过程结合起来建立数学模型,试图更加全面地模拟堰塞坝溃口发展问题。
二维溃坝洪水波的演进绕流和反射的数值模拟
(3)
f*m(x,y,t;i,j,n)=(fm)ni,j+(fmx)ni,j(x-xi)+(fmy)ni,j(y-yi)+(fmt)ni,j(t-tn)
(4)
g*m(x,y,t;i,j,n)=(gm)ni,j+(gmx)ni,j(x-xi)+(gmy)ni,j(y-yi)+(gmt)ni,j(t-tn)
2 算例
由于二维溃坝洪水演进缺乏实测的资料和数据，本文应用CE/SE法对一维的溃坝洪水波的演进进行了 模拟，并与理论解进行了比较，考虑瞬间全溃问题：等宽矩形断面河道上有一底坡为S0=0，摩阻为Sf=0的 低坝，坝址位于1000m处，溃决前上下游均为静水，水深分别为H0=10m和H1=0.1m，取计算域长2000m。从图 4可以看出用本方法得到溃坝洪水波的水跃间断分辨率高，得到的波高和速度与理论解符合的好，没有产 生数值振荡和非物理扭曲。然后考虑瞬间部分溃坝问题；在长200m，宽200m的河道上有一底坡为S0x=0.03， S0y=0.02，曼宁粗糙度n=0.02的低坝，坝址位于x方向100m处，坝宽为10m，溃决前上下游均为静水，水深 分别为H０=10m和H1=5m。计算网格点数为41×41，网格尺寸为5m×5m，计算结果如图4所示。图3所示为下游 加了多个障碍物，计算结果如图5所示。固体边界条件取无粘反射条件，从模拟结果可以看出：坝体瞬时 溃决后，形成了正、负水波。正波向下游传播，负波向上游传播，而且受负波影响水域的水深下降。溃口 下游两边的水深小于中部的水深。水流向两边扩散，并形成回流。模拟结果表明，物理量的分布符合物理 规律。
H*m(x,y,t;i,j,n)=[u*m(x,y,t;i,j,n),f*m(x,y,t;i,j,n),g*m(x,y,t;i,j,n)]
二维洪水演进数值模拟
二维洪水演进数值模拟王志力;耿艳芬;金生【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2007(024)004【摘要】利用非结构化的有限体积方法,建立了二维浅水方程高精度、高分辨率模型.以Roe类型的近似Riemann解计算界面通量,通过MUSCL和两步TVD Runge-Kutta法获得了空间和时间都具有二级精度的TVD格式.采用特征分解的方法处理底坡源项和采用半隐式方法处理摩擦源项均能保证了格式的稳定性与和谐性.通过水滴算例对模型进行验证,并应用此模型对98年胖头泡分滞洪区分洪过程进行模拟,获得滞洪区不同时段的淹没范围和淹没水深,为防洪救灾提供了依据.【总页数】6页(P533-538)【作者】王志力;耿艳芬;金生【作者单位】南京水利科学研究院,水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京,210024;大连理工大学,土木水利学院,海岸和近海工程国家重点实验室,大连,116024;东南大学,交通学院,南京,210096;大连理工大学,土木水利学院,海岸和近海工程国家重点实验室,大连,116024;大连理工大学,土木水利学院,海岸和近海工程国家重点实验室,大连,116024【正文语种】中文【中图分类】TV122【相关文献】1.基于二维水动力学模型的洪水演进数值模拟 [J], 刘海娇;苑希民;杨敏;李其梁2.溃口近区二维数值模拟与溃坝洪水演进耦合 [J], 杨志;冯民权3.基于一二维耦合水动力模型的横阳支江洪水演进数值模拟 [J], 陈智洋;厉海斌;李玲4.二维数值模拟在复杂天然河道洪水演进中的应用 [J], 白寅虎; 王莉娜5.基于二维浅水方程的城市地面洪水演进数值模拟研究 [J], 冀永鹏;张洪兴;王运涛;李晋;张明亮因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
溃堤洪水的二维水动力模型及其应用
溃堤洪水的二维水动力模型及其应用苑希民;田福昌;冯国娜;王丽娜【摘要】In order to reduce the significant loss of life and property caused by levee-breach flood and to improve the non-projec-tive measures in flood control and disaster prevention, a two-dimensional hydrodynamic model was developed to simulate levee-breachfloodaccurately.Dykebroadeningwastakenintoaccount,localmodelgri dswererefined,andthemodelwasoptimizedu-singthehotstart,drywaterdepth,andwetwaterdepththeory.Inthispaper,themo delwasappliedtosimulatethelevee-breach flood routing in the southern irrigated area of Inner Mongolia section of the YellowRiver. T he actual dike burst data in Kuisu reachoftheYellowRiverwereusedtoverifythemodel.Theresultsshowedthatthe flowfieldissmoothandwel-distributed, which indicated that the research results are reasonable and reliable. The model was also applied to simulate the working condi-tions that two dike burst occurred at Shagedu engineering and Kuisu reach respectively. Flood risk maps were plotted,which can provide important technical support for the flood control risk management and decision in the area.%为了减少堤防溃决造成重大的生命财产损失，加强防洪减灾非工程措施建设，建立了溃堤洪水的二维水动力模型，对溃堤洪水的精细化仿真模拟。
溃坝洪水的二维算子分裂--特征线模拟
溃坝洪水的二维算子分裂--特征线模拟
溃坝洪水的二维算子分裂--特征线模拟
根据特征线法的基本原理,推导了一维浅水运动的特征线方程和相容性方程,构造了用于溃坝计算的显格式,模拟了一维矩形断面低坝全溃的洪水波演进过程,并基于算子分裂建立了相应的二维问题特征线数值格式,对瞬间部分溃坝时二维洪水波的演进过程进行了数值模拟.得到的数值模拟结果表明,这种方法精度高,有较强的溃坝涌波捕捉能力,展示了溃坝波的运动特性,为溃坝引起的灾害预测和分析及防灾减灾等工程问题提供一种有效的数值模拟方法.
作者：韦春霞张永祥陈景秋作者单位：重庆大学,工程力学系,西南环境和灾害防治重点实验室,重庆,400044 刊名：重庆大学学报(自然科学版) ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)：2003 26(9) 分类号：O352 关键词：溃坝算子分裂特征线涌波捕捉。
溃坝洪水演进的格子Boltzmann模型
溃坝洪水演进的格子Boltzmann模型摘要：采用基于分子动力学理论的格子boltzmann(lb)方法求解二维浅水方程。
建立了计算二维明渠非恒定流的数学模型。
应用该模型对大坝瞬间全溃或局部溃倒进行了数值模拟，并与理论解进行了比较。
结果说明该模型对模拟溃坝洪水波是有效的。
关键词：格子boltzmann方法二维浅水方程溃坝模拟中图分类号：tv122+.4 文献标识码：a 文章编号：0 引言拦河筑坝可以兴利除害。
同时，大坝溃决也会造成严重的后果。
长期以来,溃坝洪水研究始终是一项重要课题。
随着计算机技术和数值分析方法的发展，数值模拟已经成为研究的主要方法和途径。
二维溃坝波的传播通常由浅水方程来描述。
由于二维浅水方程的一般形式比较复杂，本文中使用无摩擦、无粘性、河底无倾斜的理想情况下的二维浅水方程作为求解模型。
lb方法是近几十年发展起来的一种新的数值计算方法。
它具有算法简单，边界条件易处理，适合并行计算等优点。
本文应用该方法建立了求解二维浅水方程的数学模型，并对计算结果进行了动态演示。
1lb建模1.1 控制方程在水静力学假设条件下,二维浅水波方程可以通过对纳维-斯托克方程沿水深方向进行积分得到。
二维浅水波方程可表示为如下张量形式[1]：式中:和满足爱因斯坦求和约定；表示笛卡尔坐标；表示水深；表示时间；表示方向的垂线平均速度；表示河床高程；表示水流密度；表示水的运动粘度；表示河床的切应力在方向上分量；重力加速度；忽略河床坡率源项和摩阻力源项的理想情况下的二维浅水方程可以表示为：本文将针对上述模型进行建模求解。
1.2 lb方程lb方法基于分子动力学理论，它利用在离散的时空网格上演化的lb方程来模拟宏观流动现象。
带有bgk碰撞项的lattice boltzmann 方程如下[2]：式中为粒子分布函数；为局部平衡态分布函数；为弛豫时间，反映了体系趋于平衡态的快慢。
1.3 chapman-enskog展开和多尺度方程作如下形式的chapman-enskog展开：式中表示。
应用二维数值方法模拟蓄滞洪区洪水运动
［5 － 6］
。
h － 4 / 3 ，S fy = n2 v 槡 u2 + v2 h － 4 / 3 为 x、 y 方向的摩阻项， n 为 Manning 糙率系数； g 为重力加速度值。 数值离散： 对式（ 1 ） 进行非结构离散， 将变量存 在单元中心离散后得 ΔU = － Δt Δt （ F* Sd V j ·n j ） l j + A∑ AV j =1
2 约 2 116 km 。3. 2超临界流倾斜水跃算例 当急流通过一段断面逐渐变窄的明渠时 ， 从斜
堤反射回来的水波叠加在一起会使得斜堤附近的水 位陡然 升 高 ， 存 在 着 一 明 显 的 间 断 。 如 图 3 所 示 ， 在该算例中 ， 模 型 的 计 算 区 域 为 一 长 40 m 的 平 底 矩形河道 ， 上游入口处宽 30 m ， 在距入口 10 m 处 的右侧边岸以 β = 8. 95 ° 向内收缩 ， 当水流流到河道 缩窄处形成一个角度为 θ 的水跃。入口处给定一个急 流边界，u = 8. 57 m / s，v = 0 m / s， 初始水深为 1 m， Fr = 2. 74 ，在出口处给定一个自由出流边界， 计算时 不考虑河道的摩擦阻力。在本算例中共采用 4 736 个 四边形非结构网格覆盖整个计算区域 。 采用一阶精度和二阶精度模型的计算结果分别 如图 4 和图 5 所示 。 两种结果中 ， 水跃的边缘线与 x 轴的夹角 θ 均近似为 30° ， 一阶精度数值解在水跃 平稳区的平均水深为 1. 498 m ， 二阶精度数值解的 相应水深则为 1. 499 m ， 这些数据与 Alcrudo 等推导 得出的 解 析 解 （ θ = 30 ° ， 平 均 水 深 1. 5 m ） 非 常 接 近
2 u 2 + v2 × 向的底坡项，其中 Z b 为底高程； S fx = n u 槡
。
h － 4 / 3 ，S fy = n2 v 槡 u2 + v2 h － 4 / 3 为 x、 y 方向的摩阻项， n 为 Manning 糙率系数； g 为重力加速度值。 数值离散： 对式（ 1 ） 进行非结构离散， 将变量存 在单元中心离散后得 ΔU = － Δt Δt （ F* Sd V j ·n j ） l j + A∑ AV j =1
2 约 2 116 km 。3. 2超临界流倾斜水跃算例 当急流通过一段断面逐渐变窄的明渠时 ， 从斜
堤反射回来的水波叠加在一起会使得斜堤附近的水 位陡然 升 高 ， 存 在 着 一 明 显 的 间 断 。 如 图 3 所 示 ， 在该算例中 ， 模 型 的 计 算 区 域 为 一 长 40 m 的 平 底 矩形河道 ， 上游入口处宽 30 m ， 在距入口 10 m 处 的右侧边岸以 β = 8. 95 ° 向内收缩 ， 当水流流到河道 缩窄处形成一个角度为 θ 的水跃。入口处给定一个急 流边界，u = 8. 57 m / s，v = 0 m / s， 初始水深为 1 m， Fr = 2. 74 ，在出口处给定一个自由出流边界， 计算时 不考虑河道的摩擦阻力。在本算例中共采用 4 736 个 四边形非结构网格覆盖整个计算区域 。 采用一阶精度和二阶精度模型的计算结果分别 如图 4 和图 5 所示 。 两种结果中 ， 水跃的边缘线与 x 轴的夹角 θ 均近似为 30° ， 一阶精度数值解在水跃 平稳区的平均水深为 1. 498 m ， 二阶精度数值解的 相应水深则为 1. 499 m ， 这些数据与 Alcrudo 等推导 得出的 解 析 解 （ θ = 30 ° ， 平 均 水 深 1. 5 m ） 非 常 接 近
2 u 2 + v2 × 向的底坡项，其中 Z b 为底高程； S fx = n u 槡
溃坝的二维和三维数值模拟分析
溃坝的二维和三维数值模拟分析
方卓然;孙亮;王圣浩;杨泽旺;李纪森
【期刊名称】《工程与建设》
【年(卷),期】2024(38)2
【摘要】为了分析溃坝水流在演进过程中的水位变化和建筑物所受到的冲击荷载,基于开源计算流体力学工具箱OpenFOAM建立了二维和三维溃坝的数值模型,并使用流体体积法追踪水和空气的自由界面。
二维分析中考虑了下游只有水、下游同时有水和建筑物两种工况下的水位变化过程。
三维分析中考虑了下游无水、下游无水但有建筑物时两种工况下的水位变化过程和建筑物上的冲击压力变化过程。
通过将数值结果与模型试验数据进行对比,验证了二维和三维数值结果的准确性。
进一步分析了三维溃坝过程中多个建筑物所受到的冲击荷载,为洪水中建筑物的安全评估提供一定的依据。
【总页数】6页(P351-355)
【作者】方卓然;孙亮;王圣浩;杨泽旺;李纪森
【作者单位】武汉理工大学船海与能源动力工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TV122.4
【相关文献】
1.尾矿坝溃坝泥沙运动特性及三维数值模拟研究
2.基于FLUENT三维数值模拟的溃坝洪水流动特性分析
3.尾矿库漫顶溃坝机理与溃坝过程数值模拟
4.基于GDEM-
PDyna的尾矿库溃坝三维数值模拟分析研究5.基于VOF模型的某尾矿库溃坝三维数值模拟研究
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(长江 水利 委员 会 长江科学院 ,湖北 武汉 430010)
摘要 : 建立了用于模拟溃堰洪水演进的平面二维水流数学模型 。采用非规则四边形网格划分计算区域 ,用有限 体积法求解水深积分方程 ,显式 MacCo rmack 预测 — 校正格式 步进 计算 ,采用基于界面属性与单元 属性的动边 界技术处理干湿变动网格 。 模拟了唐家山 堰塞 坝溃 堰过程及溃堰洪水在 长约 70 km 河道中的 演进过程 ,给出 了各溃堰方案下溃口及沿程测站 的水 位流 量过程 ,以及沿程最大洪峰流量 ,模拟结果充分反映了河道平面形态 变化 、 漫滩及槽蓄对洪水演进的影响 ,为堰 塞坝 溃坝 预案的制定提供了科学依据 。 关 键 词 : 溃堰 ; 洪水演进 ; 数值模拟 ; 唐家山堰 塞坝 中图分类号 : P315. 9 文 献标识码 : A
4 有关认识
(1 ) 在逐渐溃决模式情况下 ,起溃水位 、 溃口形状 和溃决时
(3) 下游河道为干河床或较小基流对溃坝 洪水峰值流 量有
间是溃口峰值 流量的主 要影响因素 ,起溃 水位越高 、 溃口 越大 、 溃决时间越短 ,溃口峰值流量越大 。在拟定计算条件 时 ,既要考 虑不利 工况 ,也要考虑有利工况 ,以对溃坝风险进行全面而合理 的评估 。 (2) 通过开挖泄流 渠等措 施可有 效降 低起 溃水位 、 可 泄水 量、 坝址洪峰流量 , 从而有效减轻溃坝洪水对下游的威胁 。
( 编辑 :常汉生)
3 结论
采用平面二维数学模型 进行溃 泄洪水演 进计算 ,方程 空间 数值离散采用控制体积 法 ,时 间离散采 用显式 预测 — 校正 格式 离散 ; 非规则四边形网 格离散 计算区域 。模型充 分考虑 了河道 平面形 态变化对洪水演进的影响 ;考虑了漫滩及槽蓄 的影 响 ; 提 供了坝下局部流速分布 , 为堰塞坝 溃坝预 案的制 定提供 了科学 依据 。主要结论职下 :
ϖ
1 数学模型
1. 1 控制方程
连续方程 :
ϖ 5h + � ( u h) = 0 5t ϖ
5q| 5n
ϖ
上游进口
= 0
(4)
式中 n 为边界的外法线单位矢量 。
ϖ
(1 )
(2) 下游出流边界 。给定 q 和 z 的法 向梯 度 ,即 : z|
下游出口
= zd
(5)
动量方程 : ϖ 5u ϖ + u 5t
计算河段长度 69. 9 km ( 长度 沿河 道深泓 线计 算) ,其 中堰 塞坝以上 4 . 0 km ,堰 塞坝以下 65. 9 km ,计算河段至涪江桥以下 3. 4 km 。网格数量 1 534 × 36 。图 1 为北川河段计算网格 。
图4 溃口高程 695 . 0 m 方案小河口段 5. 9 h 流场
-
1. 2 数值求解方法
采用控制体积法 对平 面 二维数 学 模型控 制 方程 作空 间离 散 ,采用显式预测 — 校正格式进行时间离散 ; 非规则四边形网格 离散计 算区域 。模型充分考虑了河道平面形态变化以及漫滩和 槽蓄对洪水演进的影响 。 有限体积法的优点是在任何一个控制体内进而在整个计算 域内 ,所有的物理量均满足积分守恒的性质 。 在计算 过程 中 ,可 以克服 非线性的干扰 ,即 使在流场 梯度变 化很大 的区域 和采用 十分稀疏的网格时也能得到合理的解 。
(1 ) 溃口形 成时 间 越短 , 溃 坝 洪峰 流量 越 大 , 峰现 时 间越
(4) 在计算范围内 上游来流 对溃 坝洪水 影响 不大 ,相 对而 言 ,上游来洪越大 则溃 坝发 生时 间越 早 , 溃坝 流量 相应 有所 增 加。
(5) 计算表明 ,泄流渠过流后 ,冲刷通常首 先发生在坝 体的
ϖ
A i 表示该控制体的具有网格面外法线 方向的网格 线长度矢量 ; c 表示该控制体处的微波速 , c = gh 。
库容水 位关系插值计算 ,每个计算时步 ,用上一时步的库容减去 溃口下 泄水量 ,加上入库洪水水量 ,按新的库容插值得到上游水 位 z u , 同时令流速梯度为 0 ,即 :
z | 上游进口 = z u (3 )
冲刷发展过程影响非常明显 。当坝体抗冲性能较好时 (溃 坝) 冲 刷速度将相对 较慢 , 相应洪水 也将较小 ; 反之 ,坝体抗 冲性能较 差时 (溃坝) 冲刷速度将相对较快 ,相应洪水也将较大 。
低 ,溃坝洪峰流量将大大减小 , 峰现 时间也将有所推后 。
(8) 对大多数人工土 石坝和 堰塞 湖天然 坝来 说 , 溃坝 过程 (溃口发展过程) 在坝顶漫溢后 较小 水头下就开始发生 。随着溃
图 2～4 描述了溃堰洪峰到达后水位从起涨到回落的过程 ; 从图 7 可以看出 ,北川河段 、 小河口河段 及石 马山等槽蓄现象较 为明显的河段削峰作 用明显 , 洪峰经 过这些 河段时 流量有 明显 的跌落 ,各方案下涪江桥断面流量峰值均大于 13 000 m 3 / s 。
1. 6 计算范围与网格划分
口逐渐扩大 ,流量也不断增大 , 溃口 发展将逐渐加速 。
参考文献 :
[1 ] 长江水利委员会长江勘测规划设计研究院 , 中国水电顾问 集团成
都勘测设计研究院. 唐家山堰塞湖应急处 置技术评估报 告. 武汉 : 长江水利委员会长江科学院 ,2008. [2 ] Zhu Y o nghui. Breach growt h in clay - di kes. Delft , t he Net her2
下标 i 表示局部坐标 i 或 j 的方向 ,标识控制体的 i, j 方向各两 个网格面 。 时间步长 △ t = min ( △ti ) , △ t 受最小 △ ti 控制 。
1. 5 动边界处理
在溃堰洪水的演 进过程中 ,水位 与流量 的剧烈 变化引 起网
式中 z u 为入流断面水位 。 收稿日期 :2 00 8 - 0 9 - 0 1
图 5 溃口高程 695. 0 m 方案各站流量过程
和 663. 0 m ( 2 h 溃 ) ; 溃 堰开 始 时 , 坝下 — 涪江 桥段 为 干河 床 。 溃口高程 695. 0 m 方案下 , 小河口段 1. 6 、 2. 2 、 5 . 9 h 流场见图 2 ～4 , 沿程各测 站流量过程 见图 5 , 沿程各测站 水位过程见 图 6 ; 各溃口方案沿程洪峰流量见图 7 。
图1 北川河段计算网格
1. 7 溃口过程
溃口形状在给定的溃决时间内按溃口最终形状线性扩大 。
2 计算结果与分析
本文具体介绍了 3 个方案 的模拟 计算 , 上游来 流洪水 频率
5 % , 3 个方案均考虑预挖槽底 高程 740. 0 m ; 库水 位达到 752. 0 m 起溃 ,溃口底部高程分别为 720. 0 ( 1 h 溃) 、 695. 0 m (2 h 溃 )
图6 泄流渠内平均水深模型计算值与实测值对比 (3 ) 在采取泄流渠措施后 ,溃坝发生时间有 所推后 , 但溃坝
Spearman and Gail ani ( Eds ) , Sedi ment and Ecohyd raulics : IN2 TERCO H2005 , El sevi er , Amst erdam , t he Net herlands , 2008 : 125～136. [4 ] 长江水利委员会长江科学院. 唐家山堰塞湖 溃坝洪水计算 及湖水
(1 ) 溃堰开始 0. 5 ～1. 5 h ,堰下游面坡脚处 流速较高 ,超过 30 m/ s ,应 注意坡脚处 的防护 ,避免泄 洪过程中 ,水流 冲刷坝脚
第 39 卷 第 22 期 2 0 0 8 年1 1 月 文章编号 :1001 - 4179(2008) 22 - 0069 - 02
人 民 长 江 Yangtze River
Nov. ,
Vol . 39 ,No . 22 2008
长距离溃堰洪水演进二维数值模拟
姜 治 兵 金 峰
洪峰流量变化不大 。不同泄 流渠方 案对比 计算表 明 ,方 案的选 取对坝下游影 响差别不 大 ,相 对而言 , 当泄流渠 底高程较 低时 , 溃坝洪峰流量相对略有减小 ,峰现时间有所 推后 。
下泄复演验证报告. 武汉 : 长江水利委员会长江科学院 ,2008 . ( 编辑 :常汉生)
( 上接第 68 页)
ϖ ϖ 1 τ = 。 ρ g h zb
式中 n 为边界的外法线单位矢量 。
1. 4 时间步长
为节省计算 时 间 , 减少 计算 量 ,往 往 希望 时间 步 长 △t 较 大 ,然而由于受到稳定性条件的限制 , △t 太大 将导致计算 的不 稳定 ,因此 △t 的选 取必须 满足稳 定性 条件 。通 过对 数值 方法 进行 CFL 稳定性分析 ,要使计算稳定时间步长 必须满足的 条件 为:
收稿日期 : 国家重点基础研究发展计划 (97 3 计划) 资助项目 ( 20 07 CB 71 41 06)
作者简介 : 姜治兵 ,男 ,长江水利委员会长江科学 院水 力学 研究所 ,工程师 , 博士 。
70
人 民 长 江
2008 年
格的干 湿变化 ,此次计算中 采用基 于网格 界面属 性与单 元属性 的干湿 变动边界处理模式 ,其物理意义明确 ,综合了基于网格界 面属性动边界处理模式与基 本单元 属性处理 模式的 优点 , 能保 证模拟计算满足控制方程连续性及在计算区域整体的守恒性 。
△ti ≤
ϖ ϖ
cu ( △ V)
ϖ
(7)
| qi | + c | Ai |
式中 qi = ( u) ( A) ; △t i 表示某一控制体处的 △t ; cu 表示 C FL
-
1. 3 边界条件
(1 ) 上游边界 。上 游边界 条件为 水位 边界 条件 , 水位 按照
数 ,在 0 和 1 之间 ,一般取 0. 6 左右 ; △ V 表示该控制体的面积 ;
摘要 : 建立了用于模拟溃堰洪水演进的平面二维水流数学模型 。采用非规则四边形网格划分计算区域 ,用有限 体积法求解水深积分方程 ,显式 MacCo rmack 预测 — 校正格式 步进 计算 ,采用基于界面属性与单元 属性的动边 界技术处理干湿变动网格 。 模拟了唐家山 堰塞 坝溃 堰过程及溃堰洪水在 长约 70 km 河道中的 演进过程 ,给出 了各溃堰方案下溃口及沿程测站 的水 位流 量过程 ,以及沿程最大洪峰流量 ,模拟结果充分反映了河道平面形态 变化 、 漫滩及槽蓄对洪水演进的影响 ,为堰 塞坝 溃坝 预案的制定提供了科学依据 。 关 键 词 : 溃堰 ; 洪水演进 ; 数值模拟 ; 唐家山堰 塞坝 中图分类号 : P315. 9 文 献标识码 : A
4 有关认识
(1 ) 在逐渐溃决模式情况下 ,起溃水位 、 溃口形状 和溃决时
(3) 下游河道为干河床或较小基流对溃坝 洪水峰值流 量有
间是溃口峰值 流量的主 要影响因素 ,起溃 水位越高 、 溃口 越大 、 溃决时间越短 ,溃口峰值流量越大 。在拟定计算条件 时 ,既要考 虑不利 工况 ,也要考虑有利工况 ,以对溃坝风险进行全面而合理 的评估 。 (2) 通过开挖泄流 渠等措 施可有 效降 低起 溃水位 、 可 泄水 量、 坝址洪峰流量 , 从而有效减轻溃坝洪水对下游的威胁 。
( 编辑 :常汉生)
3 结论
采用平面二维数学模型 进行溃 泄洪水演 进计算 ,方程 空间 数值离散采用控制体积 法 ,时 间离散采 用显式 预测 — 校正 格式 离散 ; 非规则四边形网 格离散 计算区域 。模型充 分考虑 了河道 平面形 态变化对洪水演进的影响 ;考虑了漫滩及槽蓄 的影 响 ; 提 供了坝下局部流速分布 , 为堰塞坝 溃坝预 案的制 定提供 了科学 依据 。主要结论职下 :
ϖ
1 数学模型
1. 1 控制方程
连续方程 :
ϖ 5h + � ( u h) = 0 5t ϖ
5q| 5n
ϖ
上游进口
= 0
(4)
式中 n 为边界的外法线单位矢量 。
ϖ
(1 )
(2) 下游出流边界 。给定 q 和 z 的法 向梯 度 ,即 : z|
下游出口
= zd
(5)
动量方程 : ϖ 5u ϖ + u 5t
计算河段长度 69. 9 km ( 长度 沿河 道深泓 线计 算) ,其 中堰 塞坝以上 4 . 0 km ,堰 塞坝以下 65. 9 km ,计算河段至涪江桥以下 3. 4 km 。网格数量 1 534 × 36 。图 1 为北川河段计算网格 。
图4 溃口高程 695 . 0 m 方案小河口段 5. 9 h 流场
-
1. 2 数值求解方法
采用控制体积法 对平 面 二维数 学 模型控 制 方程 作空 间离 散 ,采用显式预测 — 校正格式进行时间离散 ; 非规则四边形网格 离散计 算区域 。模型充分考虑了河道平面形态变化以及漫滩和 槽蓄对洪水演进的影响 。 有限体积法的优点是在任何一个控制体内进而在整个计算 域内 ,所有的物理量均满足积分守恒的性质 。 在计算 过程 中 ,可 以克服 非线性的干扰 ,即 使在流场 梯度变 化很大 的区域 和采用 十分稀疏的网格时也能得到合理的解 。
(1 ) 溃口形 成时 间 越短 , 溃 坝 洪峰 流量 越 大 , 峰现 时 间越
(4) 在计算范围内 上游来流 对溃 坝洪水 影响 不大 ,相 对而 言 ,上游来洪越大 则溃 坝发 生时 间越 早 , 溃坝 流量 相应 有所 增 加。
(5) 计算表明 ,泄流渠过流后 ,冲刷通常首 先发生在坝 体的
ϖ
A i 表示该控制体的具有网格面外法线 方向的网格 线长度矢量 ; c 表示该控制体处的微波速 , c = gh 。
库容水 位关系插值计算 ,每个计算时步 ,用上一时步的库容减去 溃口下 泄水量 ,加上入库洪水水量 ,按新的库容插值得到上游水 位 z u , 同时令流速梯度为 0 ,即 :
z | 上游进口 = z u (3 )
冲刷发展过程影响非常明显 。当坝体抗冲性能较好时 (溃 坝) 冲 刷速度将相对 较慢 , 相应洪水 也将较小 ; 反之 ,坝体抗 冲性能较 差时 (溃坝) 冲刷速度将相对较快 ,相应洪水也将较大 。
低 ,溃坝洪峰流量将大大减小 , 峰现 时间也将有所推后 。
(8) 对大多数人工土 石坝和 堰塞 湖天然 坝来 说 , 溃坝 过程 (溃口发展过程) 在坝顶漫溢后 较小 水头下就开始发生 。随着溃
图 2～4 描述了溃堰洪峰到达后水位从起涨到回落的过程 ; 从图 7 可以看出 ,北川河段 、 小河口河段 及石 马山等槽蓄现象较 为明显的河段削峰作 用明显 , 洪峰经 过这些 河段时 流量有 明显 的跌落 ,各方案下涪江桥断面流量峰值均大于 13 000 m 3 / s 。
1. 6 计算范围与网格划分
口逐渐扩大 ,流量也不断增大 , 溃口 发展将逐渐加速 。
参考文献 :
[1 ] 长江水利委员会长江勘测规划设计研究院 , 中国水电顾问 集团成
都勘测设计研究院. 唐家山堰塞湖应急处 置技术评估报 告. 武汉 : 长江水利委员会长江科学院 ,2008. [2 ] Zhu Y o nghui. Breach growt h in clay - di kes. Delft , t he Net her2
下标 i 表示局部坐标 i 或 j 的方向 ,标识控制体的 i, j 方向各两 个网格面 。 时间步长 △ t = min ( △ti ) , △ t 受最小 △ ti 控制 。
1. 5 动边界处理
在溃堰洪水的演 进过程中 ,水位 与流量 的剧烈 变化引 起网
式中 z u 为入流断面水位 。 收稿日期 :2 00 8 - 0 9 - 0 1
图 5 溃口高程 695. 0 m 方案各站流量过程
和 663. 0 m ( 2 h 溃 ) ; 溃 堰开 始 时 , 坝下 — 涪江 桥段 为 干河 床 。 溃口高程 695. 0 m 方案下 , 小河口段 1. 6 、 2. 2 、 5 . 9 h 流场见图 2 ～4 , 沿程各测 站流量过程 见图 5 , 沿程各测站 水位过程见 图 6 ; 各溃口方案沿程洪峰流量见图 7 。
图1 北川河段计算网格
1. 7 溃口过程
溃口形状在给定的溃决时间内按溃口最终形状线性扩大 。
2 计算结果与分析
本文具体介绍了 3 个方案 的模拟 计算 , 上游来 流洪水 频率
5 % , 3 个方案均考虑预挖槽底 高程 740. 0 m ; 库水 位达到 752. 0 m 起溃 ,溃口底部高程分别为 720. 0 ( 1 h 溃) 、 695. 0 m (2 h 溃 )
图6 泄流渠内平均水深模型计算值与实测值对比 (3 ) 在采取泄流渠措施后 ,溃坝发生时间有 所推后 , 但溃坝
Spearman and Gail ani ( Eds ) , Sedi ment and Ecohyd raulics : IN2 TERCO H2005 , El sevi er , Amst erdam , t he Net herlands , 2008 : 125～136. [4 ] 长江水利委员会长江科学院. 唐家山堰塞湖 溃坝洪水计算 及湖水
(1 ) 溃堰开始 0. 5 ～1. 5 h ,堰下游面坡脚处 流速较高 ,超过 30 m/ s ,应 注意坡脚处 的防护 ,避免泄 洪过程中 ,水流 冲刷坝脚
第 39 卷 第 22 期 2 0 0 8 年1 1 月 文章编号 :1001 - 4179(2008) 22 - 0069 - 02
人 民 长 江 Yangtze River
Nov. ,
Vol . 39 ,No . 22 2008
长距离溃堰洪水演进二维数值模拟
姜 治 兵 金 峰
洪峰流量变化不大 。不同泄 流渠方 案对比 计算表 明 ,方 案的选 取对坝下游影 响差别不 大 ,相 对而言 , 当泄流渠 底高程较 低时 , 溃坝洪峰流量相对略有减小 ,峰现时间有所 推后 。
下泄复演验证报告. 武汉 : 长江水利委员会长江科学院 ,2008 . ( 编辑 :常汉生)
( 上接第 68 页)
ϖ ϖ 1 τ = 。 ρ g h zb
式中 n 为边界的外法线单位矢量 。
1. 4 时间步长
为节省计算 时 间 , 减少 计算 量 ,往 往 希望 时间 步 长 △t 较 大 ,然而由于受到稳定性条件的限制 , △t 太大 将导致计算 的不 稳定 ,因此 △t 的选 取必须 满足稳 定性 条件 。通 过对 数值 方法 进行 CFL 稳定性分析 ,要使计算稳定时间步长 必须满足的 条件 为:
收稿日期 : 国家重点基础研究发展计划 (97 3 计划) 资助项目 ( 20 07 CB 71 41 06)
作者简介 : 姜治兵 ,男 ,长江水利委员会长江科学 院水 力学 研究所 ,工程师 , 博士 。
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人 民 长 江
2008 年
格的干 湿变化 ,此次计算中 采用基 于网格 界面属 性与单 元属性 的干湿 变动边界处理模式 ,其物理意义明确 ,综合了基于网格界 面属性动边界处理模式与基 本单元 属性处理 模式的 优点 , 能保 证模拟计算满足控制方程连续性及在计算区域整体的守恒性 。
△ti ≤
ϖ ϖ
cu ( △ V)
ϖ
(7)
| qi | + c | Ai |
式中 qi = ( u) ( A) ; △t i 表示某一控制体处的 △t ; cu 表示 C FL
-
1. 3 边界条件
(1 ) 上游边界 。上 游边界 条件为 水位 边界 条件 , 水位 按照
数 ,在 0 和 1 之间 ,一般取 0. 6 左右 ; △ V 表示该控制体的面积 ;