土石壩漫頂潰決過程研究綜述

土石壩漫頂潰決過程研究綜述

1潰決的發(fā)生機制中國每年的洪水災(zāi)害造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失，尤其是由土石壩坍塌等因素造成的。近十幾年來,國內(nèi)外學(xué)者從數(shù)值模擬、模型試驗和風(fēng)險分析等多方面對不同條件下的土石壩漫頂潰決過程、機理、峰值流量和淹沒范圍等進行了大量的研究。以上研究都是針對土石壩已產(chǎn)生潰口并最終導(dǎo)致壩體潰決破壞的情況。而FREAD等人認為,土石壩漫頂潰決過程可分為潰口初始形成和潰口快速發(fā)展。潰口初始形成開始于水位第一次流過壩頂,結(jié)束于潰壩溯源沖蝕發(fā)展到上游壩頂。潰口初始形成階段,真正的潰壩尚未發(fā)生,漫頂水流比較小,土石壩背坡面往往首先形成沖坑,隨著水流的發(fā)展,沖坑擴大直到產(chǎn)生潰口。因此如果能提前預(yù)測土石壩漫頂潰決最易沖蝕區(qū)域而及時對該區(qū)域進行防護,將對漫頂搶護具有重要意義。一般來說,通過坡面下泄的水流,其壩面流速隨著下泄流程的增加而加大。因此往往認為壩趾處是土石壩初始潰口最易發(fā)生區(qū)域。但是張建云等人和Powledge等人認為土石壩潰決未必首先發(fā)生于壩腳,而是因漫頂水流在下游壩坡上的流速、壩體坡度和填充材料不同而不同,在一定的條件下,它也可能發(fā)生于壩體的中上部。本文采用數(shù)值模擬技術(shù)對坡面水流的漫頂過程的水力特性進行研究,期望從該角度來預(yù)測土石壩漫頂潰決最易沖蝕區(qū)域,為土石壩防洪搶護提供理論基礎(chǔ)。2數(shù)值模型2.1uf065模型對于不可壓縮紊流流動,數(shù)值模擬采用立面二維紊流數(shù)學(xué)模型,控制方程包括時均的連續(xù)性方程和動量方程、標準k-uf065紊流模型的紊動能方程(k方程)和紊動能耗散率方程(uf065方程)。在笛卡爾直角坐標系下各方程的表達式為:連續(xù)性方程動量方程k方程uf065方程其中:Ui為i方向的速度時均分量;xj為坐標軸方向;t為時間;p為壓力;uf072為水的密度;uf075為水的運動粘性系數(shù);uiuj為雷諾應(yīng)力。在標準k-uf065紊流模型中,kG是由于平均速度梯度引起的紊動能k產(chǎn)生項,bG是由于浮力引起的紊動能k產(chǎn)生項,1Cuf065、C2uf065為經(jīng)驗常數(shù),uf064k和uf064uf065分別是紊動能k和耗散率uf065對應(yīng)的普朗特數(shù)。根據(jù)有關(guān)學(xué)者的實驗驗證,建議模型常數(shù)1Cuf065、C2uf065、Cuf06d、uf064k和uf064uf065的取值分別為:2.2壓力速度耦合利用有限體積法離散非恒定流連續(xù)性方程和雷諾時均方程,將壓力P、紊動能uf06b和紊動能耗散率uf065布置于控制體中心,速度矢量布置于控制體表面,采用冪函數(shù)形式離散格式,并采用標準k-uf065紊流模型封閉紊流時均N-S方程組。對于瞬態(tài)問題,PISO算法有明顯的優(yōu)勢,因此壓力速度耦合求解采用PISO算法。近壁面流動采用標準的壁面函數(shù)法,并利用流體體積函數(shù)法(VOF)實現(xiàn)自由液面追蹤。2.3模型建立及邊界條件采用briaud等人算例進行驗證,計算域如圖1所示,其中:區(qū)域長為165m,高為11m;壩體的上下游坡度均為1:5;壩高為5m,壩頂寬為4m;計算域出口到壩趾的距離為7m。整個計算域采用二維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分。由于壩面附近存在較大的流速及流速梯度變化,為了在這些地方提供更好的預(yù)測精度,因此首先在壁面建立了邊界層網(wǎng)格。對于相同的物理空間,在滿足同樣流場計算條件的情況下,采用三角形劃分網(wǎng)格數(shù)量比四邊形的數(shù)量大很多,因此壩面附近區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格剖分,其余區(qū)域采用不同尺寸的三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分。壩趾附近區(qū)域網(wǎng)格剖分情況見圖2。整個模型的網(wǎng)格數(shù)為119502,計算節(jié)點數(shù)為77159。邊界條件如圖1所標注,其中:指定入口為速度入口邊界類型,流速為3m/s;與空氣接觸邊界采用壓力入口邊界類型;下游出口為壓力出口類型;出口和入口平面上的紊動動能k和紊動耗散率uf065均按經(jīng)驗公式計算。2.4壩面水流參數(shù)取值存在誤差圖3為坡面漫頂0.8s、1.6s和3.19s情況下,模型計算與文獻計算的水面線發(fā)展示意圖。通過比較可以看到二者之間存在一定的差異,產(chǎn)生部分差異的原因主要有以下幾點:(1)壩面水流紊動強烈,計算數(shù)據(jù)波動較大;(2)兩者采用不同的計算模型,其本身存在誤差;(3)紊流參數(shù)設(shè)定主要依據(jù)經(jīng)驗公式,因此參數(shù)取值可能存在誤差。盡管存在以上差異,但計算模擬出來的水面線發(fā)展吻合較好,因此該數(shù)值模型已經(jīng)具備了可靠的計算精度。3土石壩表面質(zhì)量特性由于土石壩的一般坡度在1:2～1:3之間,本文以坡度為1:2的土石壩漫頂過程為例,對其水流特性進行精細化模擬,以期獲得土石壩漫頂過程中的流速和切應(yīng)力等分布和變化規(guī)律。3.1采用船沉淀池水流和深度3.1.1土石壩飄頂過程流速場分析圖4和圖5分別是土石壩漫頂過程示意圖及流速分布等值線圖。從圖中可以看出,坡面上水流在重力作用下,其流速隨下泄流程的增加迅速增大,在壩趾附近流速達到最大值,而沿壩面水的水深由于流速的增大而變淺,并在土石壩壩趾處水深處于極小值。圖6為土石壩漫頂過程中壩肩處(流速監(jiān)測點位于體型轉(zhuǎn)折點處)及水舌附近(流速監(jiān)測點隨水舌運動)的最大流速變化過程,其中橫坐標表示漫頂時間,縱坐標表示流速大小。由圖可知,土石壩漫頂過程壩肩處流速逐漸減小,直至穩(wěn)定。水舌處流速變化大體可分為三段:在壩頂段逐漸增大;水舌流過轉(zhuǎn)折點后,流速出現(xiàn)跌落;因受重力影響,沿坡面流速又逐漸的增大,并在壩趾附近達到最大值,而在壩趾下游又略微減小。3.1.2“臨界流”計算漫頂水深是影響壩體潰決過程的重要參數(shù)之一,了解漫頂水深在壩頂上的分布規(guī)律對于正確估算壩頂流量非常重要。依據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果(圖4～5)可以發(fā)現(xiàn),漫頂水流在壩頂上的水面曲線非常有規(guī)律,上壩肩水深基本為下壩肩水深的2倍,下壩肩流速也應(yīng)近似為上壩肩流速的2倍。數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)的這一規(guī)律也可用水力學(xué)法近似得出。土石壩漫頂溢流過程屬于緩流到急流轉(zhuǎn)變,而下游壩肩處流動屬于臨界流,根據(jù)臨界水深定義,可知臨界水深hk應(yīng)滿足方程其中:Ak為臨界流處過水斷面,Ak=hkBk;kB為過水斷面寬度;uf061為不均勻系數(shù),近似取1;Q為過壩流量。對于土石壩,由于壩頂寬度通常在3m以上,因此潰壩研究中,漫頂水流流量計算通常采用寬頂堰處理:其中:H為壩前漫頂水深,b壩前過水斷面寬度,m為流量系數(shù)。設(shè)土石壩漫頂過程中過壩流量不變,過水斷面寬度不變,即b(28)Bk,則將流量計算公式代入方程(5)可得若將m近似取0.33,則下游壩肩漫頂水深約為上游壩肩漫頂水深的0.60。本文工況下的數(shù)值模擬結(jié)果為:形成穩(wěn)定漫流后,下游壩肩水深是上游壩肩水深的0.56,與理論計算結(jié)果誤差很小。該結(jié)論也從另一個側(cè)面驗證了本文數(shù)值模型的合理性。依據(jù)壩頂上漫頂水深這一分布規(guī)律,可以方便地推算出壩頂水流流速分布和水深分布。3.2流速對壩身切應(yīng)力的影響土石壩壁面切應(yīng)力是壩體產(chǎn)生沖坑及侵蝕破壞的直接因素,因此研究土石壩漫頂過程中水流切應(yīng)力變化過程尤為重要。圖7為土石壩漫頂過程水流切應(yīng)力變化過程,其中縱坐標表示壁面切應(yīng)力大小,橫坐標表示壩面位置,對應(yīng)時間段的水面線如圖4。由圖7可知,土石壩漫頂過程中切應(yīng)力的非恒定特性顯著。在t(28)0.5s時刻,漫頂水舌尚未到達下游坡面,壩頂?shù)那袘?yīng)力分布沿程增大;在t(28)1s時刻,水舌已經(jīng)流過壩頂處于下游壩面,在壩頂與下游壩坡交界處,由于結(jié)構(gòu)的突變使得該處流線極度彎曲,流速梯度迅速增大,在該處切應(yīng)力存在一個極大值。在水舌落點附近由于水汽摻混現(xiàn)象明顯及水舌在落點處的反彈跳躍作用導(dǎo)致壩面切應(yīng)力分布較為混亂,局部存在負壓,水舌區(qū)域切應(yīng)力分布總體特征為切應(yīng)力脈動劇烈,脈動幅度沿程增大,水舌頭部切應(yīng)力達最大值(水舌附近流態(tài)見圖8);在t=1.5～2.8s時間段,壩肩切應(yīng)力極值保持恒定,水舌頭部逐漸下移,且隨著水舌頭部流速的增大,水舌頭部切應(yīng)力脈動范圍增大,波幅也逐漸增大?？臻g上,切應(yīng)力分布大體可分為三個特征區(qū)域:壩肩轉(zhuǎn)折點處、水舌頭部區(qū)域(有一定的長度)及壩肩與水舌頭部形成的中間區(qū)域。壩肩處由于主流對壩體的直接頂沖作用,該處切應(yīng)力產(chǎn)生一極大值。壩趾處主流直接頂沖壩址,由于壩趾體型的突變,壩趾主流在體型轉(zhuǎn)折點處發(fā)生向上的垂向調(diào)整,因此在壩趾處出現(xiàn)了以切應(yīng)力極小值。壩肩與水舌頭部之間的中間區(qū)域應(yīng)力分布較為穩(wěn)定,該區(qū)域內(nèi)切應(yīng)力沿程增大。在壩面水流形成穩(wěn)定漫流后,下游壩面切應(yīng)力總體為沿程增大。由圖7可見,土石壩漫頂過程下游壩肩及水舌附近切應(yīng)力較大,因此本文重點分析下游壩肩(切應(yīng)力監(jiān)測點位于體型轉(zhuǎn)折點處)和水舌附近(切應(yīng)力監(jiān)測點隨水舌運動)最大切應(yīng)力的隨時間變化(見圖9)。由圖可知,當水舌到達壩肩后,在壩肩處產(chǎn)生極大值,然后隨著水流下泄,壩肩處切應(yīng)力逐漸減少。當水舌越過壩肩一段區(qū)域后,壩肩處切應(yīng)力值處于較為穩(wěn)定狀態(tài)。水舌沿土石壩坡面下泄過程中,水舌附近切應(yīng)力逐漸增大,當水舌越過壩趾后,其附近最大切應(yīng)力又逐漸減少。由二者的值大小可以看出整個漫頂過程中壩肩處的切應(yīng)力值均大于水舌附近,只是當水舌到達壩趾附近時,水舌附近切應(yīng)力才大于壩肩處剪應(yīng)力,因此理論上壩肩及壩趾處均是易侵蝕部位。由圖6可見,整個漫頂過程水舌附近流速基本都大于壩肩處流速,但圖9顯示,土石壩漫頂過程壩肩處切應(yīng)力基本都大于水舌附近切應(yīng)力,這與一般理解相背。一般認為,水流切應(yīng)力與流速的平方成正比。這里可借用均勻流中水流切應(yīng)力計算表達式加以解釋。水流切應(yīng)力與流速之間的關(guān)系為式中:f為無量綱比例系數(shù),uf072為液體密度,v為平均流速。這個表達式已得到實驗證實。由切應(yīng)力表達式可見,水流切應(yīng)力與水流流速的平方及f成正比。盡管土石壩漫頂過程水舌附近最大流速明顯大于壩肩附近流速,但是由于在壩肩處存在轉(zhuǎn)折點,水流流經(jīng)壩肩處阻力系數(shù)明顯大于流經(jīng)坡面阻力系數(shù)。因此壩肩處切應(yīng)力大于壩面水流切應(yīng)力主要是由于體型突變導(dǎo)致阻力系數(shù)增大所致。由不同漫頂階段的切應(yīng)力分布可知:(1)下游壩坡切應(yīng)力總體沿程逐漸增大;(2)初始漫頂階段水舌頭部水流極不穩(wěn)定,切應(yīng)力脈動劇烈,在水舌頭部影響的水域范圍內(nèi),切應(yīng)力沿程最大;(3)在漫頂過程的各個階段,壩肩處為整個壩坡切應(yīng)力最大值所在位置;(4)壩趾處存在一低切應(yīng)力值(見圖7(f))。依據(jù)上述規(guī)律可以推斷,張建云等人和Powledge等人認為土石壩潰決未必首先發(fā)生于壩腳是完全有可能的,特別是對于壩體材料抗沖蝕能力弱的壩體,水流漫頂后壩肩與壩體中部的水流切應(yīng)力值有可能會超過壩體材料的起動切應(yīng)力,從而首先在壩體中上部出現(xiàn)沖坑。這一規(guī)律還可用于理解土石壩的臺階式?jīng)_蝕發(fā)展過程。從圖7可見,沿整個壩坡,切應(yīng)力分布為兩頭大中間小,即壩肩與壩趾位置容易首先出現(xiàn)沖坑,而沖坑的出現(xiàn)將在沖坑內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中,進一步加劇沖坑的發(fā)展,而多處出現(xiàn)沖坑就容易形成臺階式?jīng)_蝕形態(tài)。4土石壩飄頂干擾條件分析本文采用標準k-uf065紊流模型和VOF方法追蹤自由液面,對土石壩漫頂水流水力特性進行了數(shù)值模擬,給出了漫頂水流在壩頂?shù)姆植家?guī)律,獲得了漫頂條件下水流切應(yīng)力在壩坡上的分布規(guī)律及非恒定演變過程。研究發(fā)現(xiàn)不同漫頂階段的切應(yīng)力分布有以下規(guī)律:(1)下游壩坡切應(yīng)力總體沿程逐漸增大;(2)初始漫頂階段水舌頭部水流極不穩(wěn)定,切應(yīng)力脈動劇烈,水舌頭部影響水域范圍內(nèi),切應(yīng)力沿程增大;(3)在漫頂過程的各個階段,壩肩處為整個壩坡切應(yīng)力最大值所在位置;(4)壩趾處存在一低切應(yīng)力值。該規(guī)律的發(fā)現(xiàn)可以用于解釋土石壩主要潰決特征:漫頂條件下最先發(fā)生沖蝕的部位可能在壩坡中上部,漫頂沖蝕以臺階式