长江科学院院报

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2023 , Vol. 40 >Issue 5: 1 - 8

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220979

专家特约稿

堤坝漫溃机理、模型及溃决洪水模拟技术与应用

  • 朱勇辉 , 1, 2 ,
  • 周建银 2, 3
展开
  • 1.长江科学院 科技交流与国际合作处,武汉 430010
  • 2.长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室,武汉 430010
  • 3.长江科学院 河流研究所,武汉 430010

朱勇辉(1975-),男,湖南道县人,正高级工程师,博士,主要从事江湖演变与治理、防洪减灾等方面的研究。E-mail:

Copy editor: 罗玉兰

收稿日期: 2022-08-11

  修回日期: 2023-01-27

  网络出版日期: 2023-05-22

基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFE0117500)

国家重点研发计划项目(2019YFC1510704)

国家自然科学基金项目(51009012)

收起

Embankment Breach Due to Overflowing: Mechanism, Models, Flood Simulation Technologies, and Their Applications

  • ZHU Yong-hui , 1, 2 ,
  • ZHOU Jian-yin 2, 3
Expand
  • 1. International Cooperation Department, Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China
  • 2. Key Laboratory of Ministry of Water Resources on River & Lake Regulation and Flood Control in Middle andLower Reaches of Yangtze River, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
  • 3. River Research Department, Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China

Received date: 2022-08-11

  Revised date: 2023-01-27

  Online published: 2023-05-22

Fold

摘要

为提升堤坝溃决险情处置和溃决灾害防御能力,多年来长江科学院河流研究所采用物理模型试验、水槽试验、理论分析、数值模拟等方法研究了堤坝漫溢溃决的机理、模型与模拟技术。其主要成果包括:揭示了堤坝漫溢溃决机理,解析了“溯源陡坎冲刷”在堤坝溃决过程中的作用,提出了溯源陡坎冲刷模式和堤坝漫溢溃决模式;基于物理机制,研发了溯源陡坎冲刷二维数学模型和堤坝漫溢溃决数学模型;发展了适应溃坝水流急变特征的一、二、三维溃坝洪水运动模拟技术及地形处理方法,并初步探索了溃坝水流的三维流场与动压特性;总结评述了相关领域的研究进展。研究成果成功应用于唐家山、白格等历次堰塞湖溃决险情的应急处置和决策制定,并为今后堤坝(含堰塞坝)溃决险情的科学应对提供了技术参考和经验借鉴。

关键词： 堤坝; 堰塞湖; 溃决机理; 洪水演进; 应急处置

本文引用格式

朱勇辉 , 周建银 . 堤坝漫溃机理、模型及溃决洪水模拟技术与应用[J]. 长江科学院院报, 2023 , 40(5) : 1 -8 . DOI: 10.11988/ckyyb.20220979

Abstract

Over the years, researchers in the River Research Department of the Changjiang River Scientific Research Institute has conducted extensive studies on the mechanism, models, and simulation technologies of embankment breaches due to overflowing. These efforts were aimed at enhancing the ability to respond to embankment breach emergencies and to defend associated disasters. Through the use of physical model tests, flume tests, theoretical analysis, numerical simulation, and other methods, the department has made significant contributions to the field. Specifically, we have uncovered the mechanism of embankment breaches due to overflowing, analyzed the role of “headcut erosion” in the breaching process, and introduced patterns of headcut erosion and phases of embankment breaching due to overflowing. Additionally, we have developed a two-dimensional mathematical model of headcut erosion and a mathematical model of embankment breaching based on the physical mechanism. Furthermore, we have created one-, two-, and three-dimensional flood simulation technologies that are adapted to the characteristics of dam-breaking flow, along with a terrain processing method, and have preliminarily explored the three-dimensional flow field and hydrodynamic pressure characteristics of dam-breaking flow. Last, we made a review on the research progress in related fields and the achievements published in scientific journals. The accomplishments of the department have already proven to be highly effective in emergency response and decision-making, specifically during the Tangjiashan and Baige barrier lake breach emergencies. These achievements provide technical reference and experience for addressing embankment breach (including barrier lake burst) dangers in the future.

Key words： embankment; barrier lake; embankment breaching mechanism; flood evolution; emergency response

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

1 研究背景

堤坝是堤和坝的总称,也泛指防水拦水的建筑物和构筑物。既包括人工修建的堤、坝,也包括自然形成的堰塞坝(体)。堤坝上下游一般具有较大的水头差,而堤坝溃决又往往十分突然,因此,堤坝溃决容易导致严重的洪水灾害。自然形成的堰塞坝坝体,其渗流和力学稳定条件差,相比人工堤坝,更容易发生垮塌或冲决破坏。21世纪以来,中国西部多次发生大型堰塞湖险情,如2008年唐家山堰塞湖、2018年金沙江白格堰塞湖等。
堤坝溃决过程复杂,其水土作用机理与常规河流动力过程迥异。20世纪中叶以来,许多学者对堤坝溃决过程的物理机制[1⇓⇓⇓-5]、统计特征[6⇓-8]、模拟技术[9⇓⇓⇓-13]等进行了研究和总结[14⇓-16]。已有研究表明,堤坝溃决过程与水流、坝体形状和材料等因素有关,且溃决特征值与孕灾参数值之间的统计相关关系存在较大的不确定性;堤坝溃决过程通常可依据其特点划分为3~5个阶段。
21世纪以来,长江科学院河流研究所在堤坝溃决过程与机理研究、溃决过程模拟、溃决洪水预测及其演进模拟、相关研究进展的总结与梳理等方面也取得了大量成果[17⇓⇓⇓-21],并成功应用于唐家山[22⇓-24]、墨脱、红石岩、白格[25-26]、加拉等历次高危堰塞坝的险情应急处置,为抢险方案和应急预案的制定提供了科学依据和技术支撑。梳理总结相关成果,可为未来类似险情的应对提供参考经验和技术基础,有助于明确未来研究方向。

2 堤坝漫顶溃决机理与模型

堤坝的漫顶溃决过程通常分为瞬间溃(突然溃)和逐渐溃。一般而言,土石类堤坝(包括大多数堰塞坝)的漫顶溃决属于逐渐溃。

2.1 堤坝漫顶溃决过程与机理

堤坝漫顶溃决的发生、发展和溃决程度等受到多种因素(如溃坝原因、坝体尺寸和材料、库容及下游水位等)的影响,非常复杂。朱勇辉等[27⇓-29]设计了系列堤坝漫顶溃决和溯源陡坎冲刷(headcut erosion)水槽试验(图1),系统观测了不同土体材料、坝基条件、下游水位条件下溃口形态发展变化、溃决发生和发展过程、溯源“陡坎”的形成与发展、上游库水位降落过程以及溃决洪水过程等,分析了不同因素对堤坝溃决过程和溯源“陡坎”冲刷过程的影响,初步揭示了堤坝漫顶溃决机理和溯源陡坎冲刷机理。
图1 溯源陡坎冲刷试验

Fig.1 Physical model test of headcut erosion

基于堤坝溃决过程的各类试验和原型案例观察与机理分析,朱勇辉等[22]提出将均质堤坝漫顶溃决过程划分为4个阶段,其中溃决起始过程从水流漫过堤(坝)顶处的初始溃口开始。
第1 阶段:水流漫过堤(坝)顶和堤(坝)体下游坡并引起沿程冲刷,导致口门处堤(坝)顶高程降低,堤(坝)体下游坡不断冲刷后退,且由于坡脚冲刷速度大于坡顶,堤(坝)体下游坡将不断变陡直至某一特征坡度(形成溯源“陡坎”)。
第2 阶段:口门处的堤(坝)体由于水流剪切冲刷、射流冲击破坏及堤(坝)体下游坡的坍塌失稳等(即溯源陡坎冲刷)而不断削弱,堤(坝)顶高程继续降低,堤(坝)体下游坡也继续后退直至堤(坝)顶上游边缘。
第3 阶段:冲刷破坏方式与前一阶段类似,但由于口门处堤(坝)体断面已相对单薄,本阶段冲刷速度将急剧加快,在一定条件下堤(坝)体甚至可能会被突然冲溃从而被溃口完全贯穿,相应溃决流量将急剧增大。
第4 阶段:溃决水流沿口门底部及两侧边坡产生冲刷,边坡间歇性发生失稳坍塌,口门的发展以横向扩宽为主。整个溃决过程将在湖库泄空或湖库水位低于口门底坎或堤内外水位基本持平时停止。
堰塞坝与人工堤坝相比,主要区别在于堰塞体组成物级配更宽,更不均匀,且相对较为松散,顺河向坝体厚度通常更大。堰塞坝与人工堤坝在某种程度上具有相近的溃决过程和溃决水力学特征,但因顺河向坝体厚度更大,堰塞坝溃决过程中的溯源陡坎冲刷特征更为突出。同时在某些情况下,堰塞坝的溃决还会表现出其自身的特殊性,例如当堰塞体中含有较大块石甚至巨石时,巨石的稳定性会对溃决过程有较大影响,表现为冲刷过程中巨石周围抗冲能力差的土体或中小石块被快速冲蚀,巨石失稳,冲刷快速溯源,陡坎上移(例如2008年唐家山堰塞湖的溃决过程就表现出了该特征)。

2.2 堤坝溃决模式与数学模型

在机理揭示的基础上,Zhu[27]研究提出了“陡坎顶部水流侵蚀(剪切冲刷)+顶部边缘水流冲蚀+陡坎坡面水流侵蚀及土体液化+下游基础冲蚀+陡坎底部淘刷+陡坎坡体坍塌”的溯源陡坎冲刷模式以及“溃决开始-陡坎形成-溯源陡坎冲刷-坝体贯穿-口门继续展宽”的堤坝溃决模式,并研发了基于物理机制的“湖(库)水量平衡-溃决水流变化-堤(坝)溃决演化-溃口发展”多过程耦合的堤坝溃决数学模型(BRESZHU模型)。模型主要依据上游来流、湖(库)特性及堤(坝)体特性等,模拟水位的变化、堤(坝)体溃决过程、溃口口门发展及溃决洪水流量过程等[22,27]。并进一步提出和完善了溯源陡坎冲刷二维数学模型[27,30]并将其嵌入堤坝溃决数学模型。由于模型中计算公式较多,在此不一一列举,具体内容可参考相关文献[27,31]。
溯源陡坎冲刷二维数学模型和堤坝溃决数学模型建立后,均采用试验数据对模型进行了率定与验证,结果表明,模型计算的“陡坎”冲刷后退距离、口门处堤(坝)高度、溃决流量等结果与试验测量结果之间均符合较好(图2—图4)。
图2 试验组次Tm1的“陡坎”壁面冲刷后退距离与时间的关系 [30]

Fig.2 Model calculation and experimental observation of the ‘headcut’ slope receding process for test Tm1[30]

图3 模型计算与试验观测的口门处堤(坝)高度与时间的关系[27]

Fig.3 Model calculation and experimental observation of the embankment height at the breach[27]

图4 溃坝流量模型计算结果与试验结果比较[27]

Fig.4 Comparison of embankment failure flood process between model calculation and experimental measurement[27]

3 堤坝溃决洪水数值模拟

堤坝溃决洪水与一般河道洪水相比,瞬时含沙量更大、涨落过程更短,是一个水-沙-河床紧密耦合、动力过程强烈且复杂、物理量迅急变化的过程,其洪水传播有其特殊的规律。因此,堤坝溃决洪水演进的模拟在数据获取与处理、模拟方法等方面均有更高的要求,特别是在坝址附近。
由于溃坝水流运动和河床演变的模拟难度和计算量都很大,因此,目前溃坝洪水主要模拟水流运动。根据水流运动的维度,模型可以分为一维、二维、三维。其中,二维可分为平面和立面二维。根据方程离散方法,可分为有限差分法、有限体积法、有限元法、光滑粒子法等。根据数值计算方法,可以分为显式/隐式、迎风/中心/TVD(Total Variation Diminishing,总变差减少)等。不同类型的模型有不同的特点。比如,有限差分方法离散方程简单、求解速度快,但如不修正,则守恒性无法保证,且无法适应间断、干湿等流动;有限元法物理意义不明确、精度虽高但局部不守恒且难以适应间断;而有限体积法原理清晰、守恒性好、可适应间断,因此成为目前水动力模型的主流方法。

3.1 一维溃坝洪水演进模拟

采用一维水动力模型模拟堤坝溃决洪水演进,具有速度快、资料要求少的优点,因而在历次堰塞湖险情应急处置中,多采用一维模型对洪水演进进行模拟。在2008年唐家山堰塞湖应急处置中,张细兵等[23]采用MIKE 11的基于6点隐式差分格式的一维非恒定流模型建立了唐家山堰塞湖溃决洪水演进数学模型。实测资料的验证结果表明,计算与实测的水位、流量过程符合较好(图5)。
图5 唐家山堰塞湖北川站流量过程[23]

Fig.5 Replaying the flood process at Beichuan station during Tangjiashan barrier lake breach[23]

堤坝溃决洪水演进过程可能存在干湿急剧变化、缓急流态转换。为准确模拟各种溃决洪水流态变化,数值模拟必须遵循守恒律,以捕捉间断。王敏等[25]以守恒变量A、Q为基本变量,求解守恒型圣维南方程组,研发了基于有限体积法的一维溃坝洪水模型(DBFM),并以之为基础,同时采用MIKE11模型,对坝下洪水演进进行了对比模拟(图6),结果表明:与实测数据相比,两个模型模拟结果在洪水传播时间和洪峰衰减上表现出一定的差异,模拟结果与河道基流、动量方程惯性、河道糙率、河道地形等因素有关,其中地形的影响相对较大。结合洪水自上而下的传播特征,经对比论证,可采用滚动预报方法提高洪水预报精度。
图6 2018年“11·3”金沙江白格堰塞湖溃决洪水模拟中考虑河道基流的巴塘站流量过程[25]

Fig.6 Simulated and measured flood processes at Batang station in consideration of river base flow during the simulation of the “11·3” Baige Barrier Lake burst in Jinsha River [25]

我国堰塞湖险情常发生于西部高山峡谷区,河道地形数据匮乏,因而,基于卫星数据的数字高程模型(DEM)提取的河道地形成为洪水模拟的基础。然而,DEM地形存在两个问题:一是由于精度不高导致提取的河道地形呈阶梯状;二是缺少水下地形。为此,周建银等 [32]发明了一种河道断面地形重构方法,该方法对水上地形进行平滑,对水下地形进行重构,从而整体重塑断面地形。

3.2 多维溃坝洪水模拟

研究表明,在堤坝溃决洪水演进一段时间后,水体压强的垂向分布基本符合静压假定[33⇓⇓-36],即浅水模型是适用的,但在堤坝溃决后的短时间内水面弯曲度很高的条件下,动水压强的作用是不可忽视的[37]。考虑动水压强,将极大地增加数学模型构建的复杂度和计算量。
Zhu和 Hu [38]采用模式分裂方法耦合平面二维浅水模型与垂向非静压模型,建立了立面二维非静压溃坝水流模型。该模型先采用平面二维浅水模型计算出溃坝水流的自由水面,而后利用内嵌的非静压立面二维模块求解出流速和压强的垂向分布。在平底薄壁瞬时溃坝以及下游有障碍物的情况下,该模型均成功模拟了过坝水流的流速和动压的垂向分布。
为进一步探索堤坝溃决水流的三维特性,胡德超[39]采用模式分裂方法,在平面二维浅水模型中耦合三维非静压水动力模型,建立了溃坝水流三维数学模型。模型通过平面二维浅水模型为三维模型提供水面,三维模型最终求解出三维的流速、压强分布,成功模拟了理想条件下局部溃坝、圆柱形瞬时溃坝等条件下的溃坝水流,发现溃坝水流的压力、流速分布对边界条件的反映敏感,在不平整边界环境下易产生流线弯曲,形成具有局部特征的动水压力、流速分布。在水流模型基础上,进一步建立了泥沙输运底层流模型,对溃坝过程中的水-沙-床相互作用进行了探究,模拟揭示了动床溃坝条件下纵剖面内的动水压力分布规律、床面纵向沙波的形成机理。

4 堰塞湖险情应急处置应用实例

21世纪以来,我国多次发生大型堰塞湖险情。长江科学院河流研究所将上述研究成果先后应用于2008年唐家山、2009年雅鲁藏布江墨脱、2014年牛栏江红石岩、2018年金沙江白格和雅鲁藏布江加拉等堰塞湖险情应急处置,为抢险方案和应急预案的制定提供了科学依据和技术支持。本文仅以2008年唐家山堰塞湖和2018年白格堰塞湖为例简要介绍。

4.1 2008年唐家山堰塞湖

4.1.1 堰塞湖概况

堰塞体位于北川县城上游4 km左右的通口河上,下距苦竹坝约1 km,集水面积3 550 km2,堰塞湖最大可蓄水量约3.16亿m3。
险情发生后,长江科学院河流研究所采用前述的BRESZHU溃坝模型和MIKE 11水动力模型联合建模计算。针对堰塞湖上游可能出现的不同频率洪水、坝体不同溃决方案及现场不断更新的资料等,在短时间内滚动计算了60余种工况下堰塞湖的调洪、溃坝及洪水传播过程,取得了包括湖水位变化、坝体溃决过程、溃决洪水流量过程、洪水演进过程、洪峰传播时间等预测成果,被长江防汛抗旱总指挥部(简称“长江防总”)采纳[24]。以下仅简要介绍部分预测和复演结果。

4.1.2 在险情应急处置溃坝洪水分析中的应用

唐家山堰塞坝的坝顶沟槽底部最高点高程约为752 m,险情应急处置拟在坝顶开挖泄流渠(设计底高程742 m,实际开挖至740 m),预判随着水位逐步上升发生漫溢后,水流将缓慢冲蚀泄流渠底部及两侧坝体材料;进而随着口门的冲刷扩展,溃决流量不断增大,溃口发展也逐渐加速。选定不同起溃水位进行计算对比分析(表1)。在险情应急处置过程中由于缺乏堰塞体物质组成及相应材料参数资料,先假定742 m起溃水位、溃决历时分别为1、2、3 h,分别反推上述3种工况下坝体抗冲系数,然后将该抗冲系数直接应用于其它起溃水位工况模拟。模拟中口门的发展演变取决于水流与坝体材料的相互作用,由模型计算自行决定。
表1 不同起溃水位溃坝洪水计算方案

Table 1 Calculation scheme of dam-breaking flood at different initial water levels

序号 方案编号 溃口最
终高
程/m		 泄流渠
底高
程/m		 起溃
水位/
m		 上游洪
水频率/
%		 溃决
历时/
h
1 740-742.0-20y-1 720 740 742.0 5 1
2 740-740.2-20y-1 720 740 740.2 5 计算决定
3 740-752.0-20y-1 720 740 752.0 5 计算决定
4 740-742.0-20y-2 720 740 742.0 5 2
5 740-740.2-20y-2 720 740 740.2 5 计算决定
6 740-742.0-20y-3 720 740 742.0 5 3
7 740-740.2-20y-3 720 740 740.2 5 计算决定
图7及表2为其中部分计算成果[22,24],由图7和表2可见,在相同的坝顶(渠底)高程条件下,起溃水位降低后溃决洪峰流量显著减小;溃决历时越短,溃决洪峰流量越大,相应的峰现时间也越早。
图7 起溃水位分别为740.2、742.0、752.0 m时坝址处溃决洪水过程[24]

Fig.7 Breach flood process at dam site when the initial water levels are 740.2 m,742.0 m and 752.0 m respectively[24]

表2 不同溃决历时坝下游不同位置洪峰流量成果

Table 2 Flood peak flow at different stationsdownstream of the barrier lake

断面位置 距坝
址距
离/km		 740-742.0-20y-2方案 740-742.0-20y-3方案
流量/
(m3·s-1)		 出现
时间		 流量/
(m3·s-1)		 出现
时间
坝址 0 11 600 1 h 49 min 10 000 1 h 55 min
北川 4.64 11 500 2 h 9 900 2 h 5 min
通口电站 24.40 11 300 2 h 30 min 9 800 2 h 51 min
将军石水文站 36.10 11 100 2 h 55 min 9 700 3 h 22 min
永兴场 40.30 11 000 3 h 11 min 9 600 3 h 41 min
青莲场附近 46.51 10 300 3 h 51 min 9 400 4 h 27 min
通口河河口 50.20 10 000 4 h 14 min 300 4 h 50 min
涪江桥 68.88 8 200 6 h 5 min 7 900 6 h 42 min

4.1.3 在堰塞坝溃决及坝下游洪水演进复演中的应用

2008年6月11日险情排除之后,立即对溃决过程中泄流渠断面发展、坝址处洪水过程及坝下游洪水演进等进行了复演。由于缺乏坝体详细物质组成及相应物理力学参数资料,而坝前水位过程和下泄流量过程观测数据相对较为齐全,因此在复演中首先用坝前水位过程资料反推堰塞体材料参数,然后将该参数直接应用于泄流渠断面冲刷发展过程及坝体溃决流量过程等的模拟。计算中泄流渠断面的冲刷发展取决于溃决水流与坝体材料的相互作用,泄流渠断面(溃决口门)的最终开口宽度及最终渠底高程完全由模型计算自行决定。
坝前水位过程和溃决流量过程计算值与实测值对比(图8[22])为例,计算值与实测值较为吻合,特别是溃决洪峰流量和峰现时间等。
图8 坝前水位过程和溃决流量过程计算值与实测值对比[22]

Fig.8 Calculated and measured water levels in front of the dam and dam-breaking discharge processes [22]

溃决过程中泄流渠断面冲刷发展过程实测资料较少。而根据事后观测,堰塞坝过流后形成的新河道总体呈上宽下窄的“倒梯形”断面,其中开口宽145~235 m,底宽80~100 m。模型计算得到的新河道开口宽166.8 m,底宽100.1 m,均与观测资料符合。
图9[23]给出堰塞湖下游通口站计算与实测流量过程对比情况(北川站见前文图5)。从对比情况看,洪峰到达时间及峰值流量误差较小,计算与实测流量过程符合较好。
图9 堰塞湖下游通口站计算与实测流量过程对比[23]

Fig.9 Calculated and measured dam-breaking flood processes at Tongkou station downstream of the barrier lake[23]

4.2 2018年金沙江“11·3”白格堰塞湖

4.2.1 堰塞湖概况

2018年10月10日和11月3日,金沙江同一位置两次因右岸山体滑坡堵江形成堰塞湖。 其中“11·3”堰塞湖如不采取人工措施干预,预计蓄水量将达7.7亿m3。11月11日午时,人工泄流槽开挖形成。11月12日4时,水流开始进入泄流槽。13日13时45分,堰塞湖水位达到最高值2 956.40 m,相应湖容5.78亿m3。13日18时,溃决洪水达到峰值流量31 000 m3/s。11月15日,堰塞湖险情基本解除。
险情发生后,长江科学院河流研究所采用前述的BRESZHU溃坝模型模拟溃坝过程,采用MIKE 11和DBFM模型分别进行洪水演进计算。短时间内共完成80余个不同工况的计算分析,预测成果被长江防总采纳,有力支撑了抢险方案的制定和处置决策[25-26,40]。此处仅以“11·3”白格堰塞湖部分预报分析及溃决后的复演为例作简单介绍。

4.2.2 在险情应急处置溃坝洪水分析中的应用

根据长江防总专题会商会讨论结果,考虑坝顶高程2 958 m(对应6亿m3湖容),溃决时间分别为3 h和6 h,溃口模式分别为1/2溃、1/3溃的计算工况。溃口流量过程预测结果如图10所示。由图10可见,4种计算工况下溃口洪峰流量范围为19 176~40 067 m3/s,溃口洪峰流量与溃决程度正相关,与溃决历时负相关。
图10 坝顶高程2 958 m溃决方案下泄流量过程

Fig.10 Dam breaking discharge process when dam crest elevation is set 2 958 m

总体而言,在堰塞湖险情应急处置期间开展的溃坝洪水计算,受时间及资料所限,首先要求快速简单,然后根据不断积累和更新的资料,循序渐进,滚动计算,涵盖并逐渐逼近最终的溃坝过程和溃决洪水,从而为险情应急处置提供决策依据和支撑。

4.2.3 在溃决流量过程及坝下游洪水演进复演中的应用

堰塞湖溃决过程中,水文部门对坝前水位过程进行了观测,获取了宝贵的堰塞湖溃决过程水位变化原型观测资料。在前期险情应急处置过程中,溃口发展过程是人为假定的,在复演中可利用堰塞湖溃决过程水位变化观测资料去修正模型溃口发展过程,使堰塞湖水位变化的计算结果尽可能逼近实测过程,从而得出尽可能贴近实际情况的湖水下泄洪水过程(即溃决洪水过程),计算结果如图11所示。由图11可见,计算值与实测值符合较好[26]。
图11 金沙江“11·3”白格堰塞湖溃决洪水过程复演

Fig.11 Replay of flood process of “11·3” Baige barrier lake breach in Jinsha River

根据溃口实测(由水位反推)和复演的溃决流量过程分别计算了溃决洪水在坝下游沿程各站洪峰流量过程(图12)和部分站点的洪水演进过程(图13)。由此可见,两种条件下的计算值均与实测洪峰流量接近,计算得到的各站洪水过程形态与实测过程也基本一致,但误差会随着沿程距离增大。
图12 金沙江“11·3”白格堰塞湖溃决洪水沿程各站洪峰流量

Fig.12 Flood peak flow at each station downstream of the “11·3” Baige barrier lake breach in Jinsha River

图13 金沙江“11·3”白格堰塞湖溃决洪水沿程各站洪水过程

Fig.13 Flood process at stations downstream of the “11·3” Baige barrier lake breach in Jinsha River

5 结论

为提高堤坝溃决洪水灾害的应对能力,近年来,长江科学院河流研究所围绕堤坝溃决机理、模式与溃决洪水模拟技术等方面开展了大量研究,取得的成果包括:
(1)初步揭示了堤坝溃决机理和溯源陡坎冲刷机理,提出将均质堤坝漫顶溃决过程划分为4个阶段:水流沿坝顶和下游坡沿程冲刷,下游坡不断冲刷后退、变陡形成“陡坎”;坝体受溯源陡坎冲刷等作用不断削弱,下游坡冲刷后退至坝顶上游边缘;坝体继续被冲刷直至溃口贯穿;口门继续冲刷发展,以横向扩宽为主。
(2)研发了基于物理机制的“湖(库)水量平衡-溃决水流变化-堤(坝)溃决演化-溃口发展”多过程耦合的堤坝溃决数学模型,进一步提出和完善了溯源陡坎冲刷二维数学模型,上述模型经率定与验证后结果良好。
(3)利用MIKE11构建了一维溃坝洪水演进模型,研发了基于有限体积的一维溃决洪水演进模型,并提出了针对山区河道DEM地形缺少水下数据的地形重构技术。
(4)采用模式分裂方法,将平面二维浅水模型分别耦合垂向二维非静压水流模型与三维非静压水流模型,模拟发现溃坝水流的动水压力、流速分布对边界条件的反映敏感,探索了动床溃坝条件下纵剖面内的动水压力分布规律、床面纵向沙波的形成机理。
在2008年唐家山、2018年金沙江白格等近十余年来历次高危堰塞湖险情应急处置中,长江科学院河流研究所充分利用上述研究成果,开展了堰塞坝溃决过程、溃决洪水及其在下游演进的预测和复演计算,直接支撑了抢险方案的制定和处置决策,也为今后类似险情的处理提供了技术参考和经验借鉴。

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