混凝土坝瞬溃对水库水力学影响

混凝土坝瞬溃对水库水力学影响

[摘要]随着我国水利事业的发展,目前已经建成许多水利工程,对于混凝土坝溃决问题一直是比较关注的,混凝土坝瞬溃对上下游的自然环境、人民的生命财产都将造成严重的损失,因此对混凝土坝瞬溃的研究至关重要。通过Flow-3d建立混凝土坝的溃决模型,计算混凝土坝瞬溃时上下游水位波动、溃口流量变化等水力学特性,以期为类似溃坝发生提供有效合理的建议和理论基础。

[关键词]混凝土坝;瞬溃;水位波动;流量;水力学特性

1概述

随着国家科学技术的发展,我国在水利工程领域的发展也是飞速进行,大批水利工程的修建改善了河道的水利通航、水力发电、生态环境改善。但随着大坝修建的年限增长,大坝老化及受到自然灾害的冲击都有可能发生溃决。目前,研究溃坝主要有物理模型试验和数值模拟计算,对比物理模型试验,数值模拟相对可重复性强、节约成本、反演程度高[1]。目前,溃坝洪水计算模型是水力学分析溃坝发生的重要工具,一直备受国内外学者的广泛关注和引用,许多学者对这一问题进行了大量的研究[2-3]。如唐友一通过分析研究得出溃坝溃口瞬时的最大流量、流量过程线的简化计算方法,适用于河道型水库、湖泊水库的溃坝计算。谢任之[4]通过公式推导给出瞬时全溃、局部溃、逐渐溃的溃坝坝址峰值流量计算“统一公式”,并给出相应的流量参数表。王立辉讨论了梯级水库同时溃和相继溃、底坡等因素对溃坝波在河道传播的影响程度。因此在前人研究的基础上,本文主要通过Flow-3d建立数学模型研究混凝土坝瞬溃的上下游水位、流量变化,以期得到较为可靠的水力学参数,并为混凝土坝瞬溃提供重要的参考基础。

2试验设计

2.1数学模型建立

通过CAD建立混凝土坝的几何模型,通过Flow-3d进行模型的验证。根据图1所示,分别设置上游、溃口、下游3处水位波动模拟点,坝高50m,假定溃口尺寸30×50m,溃口位于坝体中心溃决条件为坝前水位50m漫顶溃决,下游水位10m。

2.2模型验证

2.2.1溃决方式

通过建立的数学模型以漫顶溃坝进行模型的验证,即上游水位H=50m,下游水位H=10m,预设溃口整体坝高50cm,假定溃口尺寸30×50m。

2.2.2溃口流速验证

由图3可知,溃口流速的实验值与模拟值在验证的20s时间内吻合度很高,两者差异小,最大误差为1.2%。数学模型建立的准确可靠,可以作为本文研究的理论基础。

3混凝土坝瞬溃的数值模拟

3.1上下游水位

数值模拟混凝土坝瞬溃时,上游监测点在溃口1m处,下游监测点在溃口3m处,根据数值模拟结果绘出上下游水位波动图,见图4-图5。由图4和图5可知,在混凝土坝瞬溃的5s之内上游水位在0.5s左右时开始下降,在0.5~2s水位下降缓慢,在第2s骤然下降较快;下游水位在0.4s时开始上骤然上升,在1.5s左右上升到最高点H=30m,在2.5s之后缓慢波动水位稳定在H=15m。

3.2溃口流量

根据数值模拟值可知,混凝土坝在瞬溃时流量是逐渐降低,在10s内流量降低的缓慢,10~80s下降较快,可见混凝土坝在瞬溃时候最佳的封堵时间为瞬溃的1min之后,在此之前流量及流速较大,封堵难度大且危险。

4结论

1)通过Flow-3d建立混凝土坝的瞬溃模型,根据验证结果可知计算快捷方便、准确可靠,可以计算类似的水力学发生过程,为试验提供相验证的数据。2)计算混凝土坝瞬溃时上下游水位波动、溃口流量变化等水力学特性,可见在混凝土坝瞬溃时溃口的流速及流量较大,变化较快。因此,对于混凝土坝在瞬溃时应注重溃口上下游附近的流量、流速及水位的变化情况,采取相应的封堵和救援措施。

[参考文献]

[1]李云,李君.溃坝模型试验研究综述[J].科学进展,2009,20(2):10-12.

[2]史宏达,刘臻.溃坝水流数值模拟研究进展[J].水科学进展,2006,17(1):129-135.

[3]魏文礼,沈永明,孙广才.二维溃坝洪水波演进的数值模拟[J].水利学报,2003(9):43-47.

[4]谢任之.溃坝水力学[M].济南:山东科学技术出版社,1993.

作者:张晓刚 单位:大石桥市水利事务中心