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梯级土石坝连溃洪水计算模型及小岗剑堰塞湖反演分析

陈淑婧  
【摘要】:水库大坝是调控水资源时空分布、优化水资源配置、防洪减灾等最重要的工程措施。近年来,梯级开发模式已逐渐成为河流流域工程建设的主导方式,更加充分、合理的利用了我国丰富的水资源,满足了日益发展的生产生活需要。但是我们必须深刻的认识事情的两面性,梯级水库大坝带来巨大利益的同时,其更高的溃决风险及溃决洪水可能造成的损失也是不可估量的。溃坝洪水问题同时涉及水力学、土力学、泥沙动力学和边坡稳定性分析等多个学科,溃决水流具有强非线性、非恒定性等特性。自上个世纪以来,各国学者已经对溃坝洪水问题开展了大量的研究,然而目前对于梯级土石坝溃坝的研究还比较少,尚未系统展开。因此,在单一土石坝溃决研究的基础上,深入研究梯级土石坝和堰塞体的溃决过程,建立能合理预测其溃决洪水和致灾后果的方法,为梯级土石坝的设计计算和安全防控提供技术支持,对提高堰塞体溃坝的应急管理水平,避免溃决洪水灾害具有重大意义。本文的主要研究内容和成果如下:(1)收集了已经发生的一般土石坝、淤地坝和堰塞坝的梯级连溃案例,分析了梯级土石坝在流域内的溃决特征;结合大圆筒冲刷试验,得到了不同坝体材料的抗冲刷性能,为梯级溃坝洪水计算提供了基础参数。(2)单一土石坝溃决分析是梯级土石坝溃决计算的基础。详细分析介绍了DB-IWHR溃坝洪水模型的计算原理和方法,包括总体水量平衡计算、基于双曲线模型的坝体材料冲刷计算和溃口边坡的圆弧形不稳定分析计算,在此基础上进一步提出了考虑了上游极端洪水、坝体纵向发展以及坝基侵蚀对溃决洪水的影响。(3)收集板桥溃坝的基础资料,成功反演了其溃决过程,对计算模型中所使用的水动力学参数进行特性分析,得到对计算结果敏感性影响最大的参数为双曲线冲刷模型系数b与跌落系数m;结合Monte Carlo统计试验法,采用优化的GF偏差抽样,考虑参数b和m的可能合理取值区间,提出了一种溃决洪水的不确定性分析方法。(4)详细介绍了溃决洪水演进模型DBFL-IWHR的计算原理和方法,并采用唐家山堰塞湖溃决洪水数据验证了模型的准确性和稳定性。在DB-IWHR模型和DBFL-IWHR模型基础上,结合洪水调洪计算方法,建立了梯级土石坝连续溃决计算模型DBC-IWHR模型,可用于河道内梯级土石坝的溃决洪水计算和风险分析。(5)全面搜集介绍了汶川地震中形成的小岗剑上-小岗剑下-一把刀梯级堰塞湖的基本情况,包括堰塞体的结构特征、地质构造特征、水文资料、应急除险方案及爆破泄流过程等,根据国内外风险分析方法确定了梯级堰塞湖的风险等级,通过多次实地考察和现场取样获得了小岗剑梯级堰塞湖的溃决流量过程线,利用三维激光扫描技术获取小岗剑上和一把刀堰塞体溃决后的地形资料。此案例是国内外第一个具有详细数据资料的梯级堰塞湖溃决实例。(6)使用本文建立的梯级连续溃决计算模型对小岗剑梯级的溃决过程进行反演计算,并在此基础上进一步分析了梯级连溃洪水的叠加效应,爆破形成泄流槽的泄流效果和叠加洪水重现期时的计算结果,计算结果可以为紧急情况下应急管理的梯级联合调度方案提供依据,同时论证了该模型在梯级土石坝风险分析和设计计算方面的可行性。


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