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浅谈土石坝漫顶溃决模型论文

浅谈土石坝漫顶溃决模型论文土石坝溃决往往造成破坏性的洪水，尤其是滑坡、泥石流、终碛堤，以及火山碎屑等地质过程堵塞河道形成的天然土石坝及其溃决过程，由于事先未有任何征兆和防护措施，其造成的危害往往更为巨大。为了能够准确的对坝体溃决所造成危害进行评估、制定合理的安全预警方案以及实施有效减灾工程措施，模拟坝体的溃决过程以及溃口的洪水过程显得十分重要。1溃口几何形态溃口的几何形状对溃口水力过程影响很大。溃口的形状通常概化为矩形、三角形或梯形，或将断面概化为抛物线形。根据对大量的人工土石坝溃决事件以及汶川地震灾区堰塞湖溃决的调查发现，溃决后的坝体溃口多呈梯形或两侧为均匀斜坡底部为抛物线的形态特征。在本计算模型中，将溃口的几何形态概化为梯形，溃口形状由:溃口底宽b、溃口深度z和溃口边坡参数s3个参数确定。溃口通道坡度较小，在计算时可假定为水平，αu和αd分别为坝体迎水面和背水面边坡。2溃口堰流方程溃口假定为梯形，溃口流态可以认为是急变流，通过溃口或坝顶水流的水力特征用宽顶堰流描述。溃口出流过程是溃口几何形状和溃口水头的函数，可以用下式表示Qb=1.71bσ(H-Z)1.5+1.2sσ(H-Z)2.5(2)σ=1H2-Z≤23(H-Z)1-2.783(H2-ZH-Z-0.67)3H2-Z>23{(H-Z)(3)式中H为堰塞湖水深，Z为溃口相对于坝顶的高程，s为溃口边坡，取决于坝体组成物质的内摩擦角(β)，可取s=tan(45°+β/2)，σ为淹没系数，H2为坝下游正常流深，可以近似用曼宁公式表示H2=(Qb’nd1.49J0.5B0)(4)式中n2为曼宁糙率系数，J为坝体下游河道坡度，Qb’为前一个时段溃口出流量。3库区水量平衡堰塞湖或水库库容可以用水位-库容关系表示W=aHn(5)式中W为库容，H为水深，n为库容指数。对于特定的坝体，其水位库容曲线可以由地形图绘制。上式适用于堰塞湖表面为水平时，一旦溃决开始，湖水就会向溃口集中并沿溃口下泄，这时由于库区水面坡度较小，仍可认为上式适用。这时堰塞湖水量平衡可以表示为dWdt=Qi-Qb-Qs-Qp(6)式中Qi为入库流量，Qb通过溃口的流量，Qs为通过溢洪道的流量，Qp为管涌出流量。由于溃坝时间尺度较短，因为堰塞库区的蒸发作用可忽略不计;对于天然土石坝漫顶溃决，若无溢洪道且管涌量较小，可忽略通过溢洪道和管涌的流量。则通过式(5)和式(6)可得anHn-1dHdt=I-Q(7)式中I为入库总流量，Q为出库总流量。如果在坝体溃决的时间段内，入库流量可以认为是常数，则上式中只包含两个未知量，堰塞湖水面高程H和溃口的出流量Qb，通过水深和时间的对应关系，可以求解出库流量。4溃口泥沙输移当堰塞湖水位到达坝顶时，水流漫过坝顶从而对坝顶形成冲刷过程;被侵蚀的泥沙由水流带走，从而使溃口不断扩大。溃口的大小和溃口流量决定于溃口水流的冲刷能力，而水流的冲刷能力又与溃口大小和流量有关，二者是相互联系的。溃口泥沙侵蚀和输运能力的大小与溃口的形状、筑坝物质的性质、坝址下游的水位等水力因素有关。目前溃口泥沙的侵蚀和输运机理，特别是高速水流下的泥沙侵蚀和输运机理仍不清楚，许多模型使用泥沙输移方程表示溃口的泥沙输移和溃口下切拓宽过程，例如广泛应用的Meyer-Peter-Muller公式(如Breach模型)和Einstein-Brown推移质公式(如beed模型)。但是由于这些公式的基本假定为缓变流和水深远大于泥沙颗粒粒径的条件。而天然土石坝其组成物质小到粘粒，大至几十米的砾石，级配很宽，且溃口流态为急变流，因而这些公式是否适用于天然堰塞坝的溃决仍需继续研究。5计算方法及程序化模型可以用来模拟坝体溃口侵蚀过程，估计坝体溃决参数，包括溃口流量过程线，溃决持续时间以及溃口在溃决过程中和溃决结束后的几何形状。模型计算假定溃口形状为梯形，需要输入溃口边坡，坝体物质组成和几何特征，堰塞湖的水深-库容关系以及堰塞湖入流量等参数。计算过程中主要变量为每一时间段的堰塞湖水位H和溃口底部高程Z(或溃口深度z)。设计算时间步长为Δt，则式(7)可以写差分形式Hn(i+1)-Hn(i)Δt=1a[I-12(Qi+1+Qi)](20)6天然土石坝溃决实例分析天然堰塞坝的溃决过程鲜有较为详细的记录。汶川地震中形成的唐家山堰塞湖的安全泄流过程，为探讨模型模拟天然土石坝溃决过程的可行性，以及模型参数的选择等问题，提供了可靠的数据支持。6.1唐家山堰塞坝概况唐家山堰塞坝位于北川县城上游直线距离3.2km，苦竹坝水电站上游2km的通口河上，集水面积3550km2，坝址区通口河谷为不对称的V型谷，右岸较陡，坡度约为60°;左岸坡度较缓，坡度约为30°。岸坡为残坡积碎石土层，最大厚度15m。唐家山滑坡为顺层岩质滑坡，主要岩性