土石坝漫顶溃决过程研究综述

土石坝漫顶溃决过程研究综述

1溃决的发生机制中国每年的洪水灾害造成了巨大的生命和财产损失，尤其是由土石坝坍塌等因素造成的。近十几年来,国内外学者从数值模拟、模型试验和风险分析等多方面对不同条件下的土石坝漫顶溃决过程、机理、峰值流量和淹没范围等进行了大量的研究。以上研究都是针对土石坝已产生溃口并最终导致坝体溃决破坏的情况。而FREAD等人认为,土石坝漫顶溃决过程可分为溃口初始形成和溃口快速发展。溃口初始形成开始于水位第一次流过坝顶,结束于溃坝溯源冲蚀发展到上游坝顶。溃口初始形成阶段,真正的溃坝尚未发生,漫顶水流比较小,土石坝背坡面往往首先形成冲坑,随着水流的发展,冲坑扩大直到产生溃口。因此如果能提前预测土石坝漫顶溃决最易冲蚀区域而及时对该区域进行防护,将对漫顶抢护具有重要意义。一般来说,通过坡面下泄的水流,其坝面流速随着下泄流程的增加而加大。因此往往认为坝趾处是土石坝初始溃口最易发生区域。但是张建云等人和Powledge等人认为土石坝溃决未必首先发生于坝脚,而是因漫顶水流在下游坝坡上的流速、坝体坡度和填充材料不同而不同,在一定的条件下,它也可能发生于坝体的中上部。本文采用数值模拟技术对坡面水流的漫顶过程的水力特性进行研究,期望从该角度来预测土石坝漫顶溃决最易冲蚀区域,为土石坝防洪抢护提供理论基础。2数值模型2.1uf065模型对于不可压缩紊流流动,数值模拟采用立面二维紊流数学模型,控制方程包括时均的连续性方程和动量方程、标准k-uf065紊流模型的紊动能方程(k方程)和紊动能耗散率方程(uf065方程)。在笛卡尔直角坐标系下各方程的表达式为:连续性方程动量方程k方程uf065方程其中:Ui为i方向的速度时均分量;xj为坐标轴方向;t为时间;p为压力;uf072为水的密度;uf075为水的运动粘性系数;uiuj为雷诺应力。在标准k-uf065紊流模型中,kG是由于平均速度梯度引起的紊动能k产生项,bG是由于浮力引起的紊动能k产生项,1Cuf065、C2uf065为经验常数,uf064k和uf064uf065分别是紊动能k和耗散率uf065对应的普朗特数。根据有关学者的实验验证,建议模型常数1Cuf065、C2uf065、Cuf06d、uf064k和uf064uf065的取值分别为:2.2压力速度耦合利用有限体积法离散非恒定流连续性方程和雷诺时均方程,将压力P、紊动能uf06b和紊动能耗散率uf065布置于控制体中心,速度矢量布置于控制体表面,采用幂函数形式离散格式,并采用标准k-uf065紊流模型封闭紊流时均N-S方程组。对于瞬态问题,PISO算法有明显的优势,因此压力速度耦合求解采用PISO算法。近壁面流动采用标准的壁面函数法,并利用流体体积函数法(VOF)实现自由液面追踪。2.3模型建立及边界条件采用briaud等人算例进行验证,计算域如图1所示,其中:区域长为165m,高为11m;坝体的上下游坡度均为1:5;坝高为5m,坝顶宽为4m;计算域出口到坝趾的距离为7m。整个计算域采用二维非结构化网格剖分。由于坝面附近存在较大的流速及流速梯度变化,为了在这些地方提供更好的预测精度,因此首先在壁面建立了边界层网格。对于相同的物理空间,在满足同样流场计算条件的情况下,采用三角形划分网格数量比四边形的数量大很多,因此坝面附近区域采用结构化四边形网格剖分,其余区域采用不同尺寸的三角形非结构网格剖分。坝趾附近区域网格剖分情况见图2。整个模型的网格数为119502,计算节点数为77159。边界条件如图1所标注,其中:指定入口为速度入口边界类型,流速为3m/s;与空气接触边界采用压力入口边界类型;下游出口为压力出口类型;出口和入口平面上的紊动动能k和紊动耗散率uf065均按经验公式计算。2.4坝面水流参数取值存在误差图3为坡面漫顶0.8s、1.6s和3.19s情况下,模型计算与文献计算的水面线发展示意图。通过比较可以看到二者之间存在一定的差异,产生部分差异的原因主要有以下几点:(1)坝面水流紊动强烈,计算数据波动较大;(2)两者采用不同的计算模型,其本身存在误差;(3)紊流参数设定主要依据经验公式,因此参数取值可能存在误差。尽管存在以上差异,但计算模拟出来的水面线发展吻合较好,因此该数值模型已经具备了可靠的计算精度。3土石坝表面质量特性由于土石坝的一般坡度在1:2～1:3之间,本文以坡度为1:2的土石坝漫顶过程为例,对其水流特性进行精细化模拟,以期获得土石坝漫顶过程中的流速和切应力等分布和变化规律。3.1采用船沉淀池水流和深度3.1.1土石坝飘顶过程流速场分析图4和图5分别是土石坝漫顶过程示意图及流速分布等值线图。从图中可以看出,坡面上水流在重力作用下,其流速随下泄流程的增加迅速增大,在坝趾附近流速达到最大值,而沿坝面水的水深由于流速的增大而变浅,并在土石坝坝趾处水深处于极小值。图6为土石坝漫顶过程中坝肩处(流速监测点位于体型转折点处)及水舌附近(流速监测点随水舌运动)的最大流速变化过程,其中横坐标表示漫顶时间,纵坐标表示流速大小。由图可知,土石坝漫顶过程坝肩处流速逐渐减小,直至稳定。水舌处流速变化大体可分为三段:在坝顶段逐渐增大;水舌流过转折点后,流速出现跌落;因受重力影响,沿坡面流速又逐渐的增大,并在坝趾附近达到最大值,而在坝趾下游又略微减小。3.1.2“临界流”计算漫顶水深是影响坝体溃决过程的重要参数之一,了解漫顶水深在坝顶上的分布规律对于正确估算坝顶流量非常重要。依据上述数值模拟结果(图4～5)可以发现,漫顶水流在坝顶上的水面曲线非常有规律,上坝肩水深基本为下坝肩水深的2倍,下坝肩流速也应近似为上坝肩流速的2倍。数值模拟中发现的这一规律也可用水力学法近似得出。土石坝漫顶溢流过程属于缓流到急流转变,而下游坝肩处流动属于临界流,根据临界水深定义,可知临界水深hk应满足方程其中:Ak为临界流处过水断面,Ak=hkBk;kB为过水断面宽度;uf061为不均匀系数,近似取1;Q为过坝流量。对于土石坝,由于坝顶宽度通常在3m以上,因此溃坝研究中,漫顶水流流量计算通常采用宽顶堰处理:其中:H为坝前漫顶水深,b坝前过水断面宽度,m为流量系数。设土石坝漫顶过程中过坝流量不变,过水断面宽度不变,即b(28)Bk,则将流量计算公式代入方程(5)可得若将m近似取0.33,则下游坝肩漫顶水深约为上游坝肩漫顶水深的0.60。本文工况下的数值模拟结果为:形成稳定漫流后,下游坝肩水深是上游坝肩水深的0.56,与理论计算结果误差很小。该结论也从另一个侧面验证了本文数值模型的合理性。依据坝顶上漫顶水深这一分布规律,可以方便地推算出坝顶水流流速分布和水深分布。3.2流速对坝身切应力的影响土石坝壁面切应力是坝体产生冲坑及侵蚀破坏的直接因素,因此研究土石坝漫顶过程中水流切应力变化过程尤为重要。图7为土石坝漫顶过程水流切应力变化过程,其中纵坐标表示壁面切应力大小,横坐标表示坝面位置,对应时间段的水面线如图4。由图7可知,土石坝漫顶过程中切应力的非恒定特性显著。在t(28)0.5s时刻,漫顶水舌尚未到达下游坡面,坝顶的切应力分布沿程增大;在t(28)1s时刻,水舌已经流过坝顶处于下游坝面,在坝顶与下游坝坡交界处,由于结构的突变使得该处流线极度弯曲,流速梯度迅速增大,在该处切应力存在一个极大值。在水舌落点附近由于水汽掺混现象明显及水舌在落点处的反弹跳跃作用导致坝面切应力分布较为混乱,局部存在负压,水舌区域切应力分布总体特征为切应力脉动剧烈,脉动幅度沿程增大,水舌头部切应力达最大值(水舌附近流态见图8);在t=1.5～2.8s时间段,坝肩切应力极值保持恒定,水舌头部逐渐下移,且随着水舌头部流速的增大,水舌头部切应力脉动范围增大,波幅也逐渐增大。空间上,切应力分布大体可分为三个特征区域:坝肩转折点处、水舌头部区域(有一定的长度)及坝肩与水舌头部形成的中间区域。坝肩处由于主流对坝体的直接顶冲作用,该处切应力产生一极大值。坝趾处主流直接顶冲坝址,由于坝趾体型的突变,坝趾主流在体型转折点处发生向上的垂向调整,因此在坝趾处出现了以切应力极小值。坝肩与水舌头部之间的中间区域应力分布较为稳定,该区域内切应力沿程增大。在坝面水流形成稳定漫流后,下游坝面切应力总体为沿程增大。由图7可见,土石坝漫顶过程下游坝肩及水舌附近切应力较大,因此本文重点分析下游坝肩(切应力监测点位于体型转折点处)和水舌附近(切应力监测点随水舌运动)最大切应力的随时间变化(见图9)。由图可知,当水舌到达坝肩后,在坝肩处产生极大值,然后随着水流下泄,坝肩处切应力逐渐减少。当水舌越过坝肩一段区域后,坝肩处切应力值处于较为稳定状态。水舌沿土石坝坡面下泄过程中,水舌附近切应力逐渐增大,当水舌越过坝趾后,其附近最大切应力又逐渐减少。由二者的值大小可以看出整个漫顶过程中坝肩处的切应力值均大于水舌附近,只是当水舌到达坝趾附近时,水舌附近切应力才大于坝肩处剪应力,因此理论上坝肩及坝趾处均是易侵蚀部位。由图6可见,整个漫顶过程水舌附近流速基本都大于坝肩处流速,但图9显示,土石坝漫顶过程坝肩处切应力基本都大于水舌附近切应力,这与一般理解相背。一般认为,水流切应力与流速的平方成正比。这里可借用均匀流中水流切应力计算表达式加以解释。水流切应力与流速之间的关系为式中:f为无量纲比例系数,uf072为液体密度,v为平均流速。这个表达式已得到实验证实。由切应力表达式可见,水流切应力与水流流速的平方及f成正比。尽管土石坝漫顶过程水舌附近最大流速明显大于坝肩附近流速,但是由于在坝肩处存在转折点,水流流经坝肩处阻力系数明显大于流经坡面阻力系数。因此坝肩处切应力大于坝面水流切应力主要是由于体型突变导致阻力系数增大所致。由不同漫顶阶段的切应力分布可知:(1)下游坝坡切应力总体沿程逐渐增大;(2)初始漫顶阶段水舌头部水流极不稳定,切应力脉动剧烈,在水舌头部影响的水域范围内,切应力沿程最大;(3)在漫顶过程的各个阶段,坝肩处为整个坝坡切应力最大值所在位置;(4)坝趾处存在一低切应力值(见图7(f))。依据上述规律可以推断,张建云等人和Powledge等人认为土石坝溃决未必首先发生于坝脚是完全有可能的,特别是对于坝体材料抗冲蚀能力弱的坝体,水流漫顶后坝肩与坝体中部的水流切应力值有可能会超过坝体材料的起动切应力,从而首先在坝体中上部出现冲坑。这一规律还可用于理解土石坝的台阶式冲蚀发展过程。从图7可见,沿整个坝坡,切应力分布为两头大中间小,即坝肩与坝趾位置容易首先出现冲坑,而冲坑的出现将在冲坑内产生应力集中,进一步加剧冲坑的发展,而多处出现冲坑就容易形成台阶式冲蚀形态。4土石坝飘顶干扰条件分析本文采用标准k-uf065紊流模型和VOF方法追踪自由液面,对土石坝漫顶水流水力特性进行了数值模拟,给出了漫顶水流在坝顶的分布规律,获得了漫顶条件下水流切应力在坝坡上的分布规律及非恒定演变过程。研究发现不同漫顶阶段的切应力分布有以下规律:(1)下游坝坡切应力总体沿程逐渐增大;(2)初始漫顶阶段水舌头部水流极不稳定,切应力脉动剧烈,水舌头部影响水域范围内,切应力沿程增大;(3)在漫顶过程的各个阶段,坝肩处为整个坝坡切应力最大值所在位置;(4)坝趾处存在一低切应力值。该规律的发现可以用于解释土石坝主要溃决特征:漫顶条件下最先发生冲蚀的部位可能在坝坡中上部,漫顶冲蚀以台阶式