土石坝漫顶破坏溃口发展数值模型研究 Numerical model study on break development due to overtopping failure for earth-rock dam.pdfVIP

第4期 水 利 水 运 工 程 学 报 No．4 ANDENGINEERING Dec．2009 2009年12月HYDRO-SCIENCE 土石坝漫顶破坏溃口发展数值模型研究 陈生水1’2，钟启明1”，任强12 (1．南京水利科学研究院，江苏南京210029；2．水文水资源与水利工程国家重点实验室，江苏南京210029) 摘要：我国已溃决土石坝中由于漫顶破坏而造成的比例高达50％以上，因此，开展士石坝漫顶溃决机理和溃121 发展过程研究，正确预测溃口流量过程线及溃坝致灾后果很有必要．本文首先根据现场溃坝调查资料和大型溃 坝试验结果，研究分析了土石坝的溃决机理和溃决过程，在此基础七提出了一个描述土石坝漫顶破坏溃[1发展 过程的数值模型．该模型采用高速水流泥沙输移公式来计算溃坝水流对溃门纵横向的连续冲蚀；采用溃口边坡 稳定性分析来模拟边坡失稳坍塌所引起的问歇性横向扩展；通过楔块体力的平衡计算来模拟坝体突发性崩塌 所引起的溃口增大现象；通过下游坝体冲槽和坝顶溃口流量平衡来建立两者发展过程的相互影响．最后利用该 模型计算分析了板桥水库土石坝发生漫顶溃决的溃口发展过程及溃口流量过程线，模拟结果与实测资料基本 一致，从而证实了该模型的合理性． 关 键 词：土石坝；漫顶破坏；数值模型 中图分类号：TV641：TVl3文献标识码：A 水库大坝给人类带来巨大经济和社会效益的同时也存在着溃决的风险．无论何种致灾因子，大坝溃决的 最终表现形式均为漫顶或管涌．据统计，全世界由于漫顶导致土石坝溃决约占30％。“，我国则高达50％以 上∞J．各国学者对土石坝漫顶溃决机理进行了大量研究，提出了一系列数学模型一“…．对于溃口形态，现有 大多数模型假定：①溃El形状不变(矩形、梯形或抛物线形等)；②溃121发展过程中溃ISl断面被均匀冲刷．但 这与大坝实际溃决过程不尽相符‘5’…，因此，利用上述数值模型计算得出的溃口流量过程、下游洪水演进及 致灾后果的可靠性值得进一步研究．为此，有必要根据实际溃坝调查和室内、现场溃坝试验资料，对土石坝漫 顶溃决机理和溃口发展过程进行更为深入研究，并提出更能合理反映土石坝漫顶破坏溃El发展过程的数值 模型． 1 土石坝漫顶破坏机理和溃口发展过程分析 室内和现场溃坝试验结果”’7’吃’表明：土石坝漫顶破坏时，漫过坝顶的水流首先在坝体下游面形成冲沟， 并逐渐向上游发展，进而在坝体和坝顶形成初始溃口．随着漫坝水流流速的增大，坝体的冲蚀加剧，溃口不断 加深加宽，同时溃口两侧土体发生间歇性失稳坍塌(见图1)．因此，可认为土石坝漫顶破坏溃ISl发展过程主 要由“水流冲蚀引起的连续纵向下切和横向冲蚀”及“溃El边坡失稳坍塌引起的间歇横向扩展”组成．现场溃 坝试验结果表明，漫坝水流在坝顶形成的溃口与下游坝坡形成的冲槽断面特征存在明显差别(见图2)，而国 内外现有的土石坝漫顶破坏溃口发展数值模型均假定两者断面特性相同．实际上，土石坝漫顶破坏时，坝顶 收稿日期：2009一07一Ol 。? 究院基金项目(Y309003) 作者简介：陈生水(1962一)，男，江苏高淳人，教授级高级工程师，博士，主要从事土石坝工程科学研究和技术咨询工作． E．mail：ssehen@nhri．cn 万方数据 水 利 水 运 工 程 学 报 2009年12月 溃口的发展过程与下游坝坡冲槽的发展过程密切相关． 因此，根据室内和现场溃坝试验的结果分析，要建立一个合理的土石坝漫顶破坏溃口发展数值模型必须 较好地解决以下几个问题：①选择合适的泥沙输移公式，以合理模拟坝体溃口的冲蚀速率；②正确描述溃坝 水流冲蚀过程中溃口边坡的间歇性失稳和坍塌所引起的横向扩展；③合理考虑下游坝坡冲槽的发展对坝顶 溃口的发展过程的影响．下面将基于对土石坝漫顶溃决机理的分析及上述思想，提出一个描述土石坝漫顶破 坏溃口发展数值模型． —·考≥譬c—7男弋℃—·乃尹譬r——-zRc一