堤防漫顶溃决物理模型试验研究进展.pdf
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1、第 卷第 期 年 月中国水利水电科学研究院学报(中英文),收稿日期:;网络首发时间:网络首发地址:?基金项目:国家重点研发计划项目();水利部重大科技项目();中国水科院科研专项(,)作者简介:王忠祥(),博士生,主要从事洪水运动机理试验研究。:通信作者:张大伟(),博士,正高级工程师,主要从事洪水风险分析研究。:文章编号:()堤防漫顶溃决物理模型试验研究进展王忠祥,张大伟(中国水利水电科学研究院,北京 ;河海大学 水文水资源学院,江苏 南京 )摘要:随着社会经济的发展,堤防保护区内人口及资产密度不断提高,一旦遭遇极端降雨事件引发堤防溃决,会对人民生命和财产造成重大威胁,因此开展堤防溃决机理和
2、溃堤水流特性的研究对水灾害防治工作具有重要的意义。堤防漫顶溃决物理模型试验是研究堤防溃决机理与溃堤水流特性的重要手段,有必要对该方面众多的成果进行归纳总结,以便更好的开展该领域的研究。本文回顾了近年来有关堤防漫顶溃决物理模型试验所取得的相关研究成果,总结了堤防漫顶溃决试验所用装置及测量设备,并对堤防溃口处水力特征、溃口形态演变以及溃口出流过程三个方面的研究成果进行了梳理。研究发现已有试验成果中对河道内外水动力响应变化规律的认识并不成熟,对堤防溃口水沙运动机理的阐述也不够清晰,继续开展堤防漫顶溃决试验,深入研究堤防溃决机理与溃堤水流特性依然非常必要。关键词:堤防;漫顶溃决;物理模型;溃口;测量;
3、试验中图分类号:文献标识码:?研究背景我国已建成堤防总长度超过了 万公里,其中 级及以上江河堤防 万公里,堤防保护人口 亿人,保护耕地 万千公顷 。堤防工程具有长度长、沿岸水流复杂、沿程地质条件多样等特征 。当洪水量级超出堤防建设标准或堤身质量存在缺陷时,都可能造成溃堤险情。而且堤防溃决位置往往难以准确预测,一旦发生将对社会经济造成巨大损失,给人民生命财产安全带来极大威胁。例如,年九江河段河堤、年四川岷江堤防、年湖南省华荣河新华垸以及 年江西省上饶市鄱阳县中洲圩等溃决失事均造成了严重的后果。堤防破坏形式包括管涌破坏 、接触冲刷破坏 、漫顶溃决等,其中漫顶溃决是较为常见的一种 。针对堤防漫顶溃决
4、的研究方法主要包括理论分析、数值模拟 、原型观测以及物理模型试验。由于理论分析研究相对困难,堤防漫顶溃决的原型观测资料也极为有限,同时堤防溃决过程中边界条件和水沙相互作用难以被准确描述,使得采用数值模拟方法进行精确研究也变得十分困难 。相较于上述三种方法,物理模型试验不仅可以弥补原型观测的不足,而且可以为数值模拟提供重要的试验数据支撑。开展物理模型试验,可以更清晰地观测堤防溃决过程以及溃口附近复杂的水流流态变化 ,这对于深入认识堤防漫顶溃决机理具有重要的意义。近年来,堤防漫顶溃决物理模型试验逐步得到重视。本文对近年来国内外有关堤防漫顶溃决物理模型试验的研究进行回顾,梳理了堤防漫顶溃决试验装置及
5、测量设备,分别就物理模型试验所取得的堤防溃口处水力特征、溃口形态演变过程以及溃口出流过程等研究成果进行了系统性总结,并指出了继续开展堤防漫顶溃决机理试验的必要性及今后主要的研究方向。堤防漫顶溃决试验简介 试验装置与试验方法现有的堤防漫顶溃决物理模型试验只有极少数是在实际河道中进行 ,其余大多数试验均在室内水槽中开展。试验水槽通常由蓄水库区、进水口、主河道、溃口段、淹没区、下游出口等部分组成,如图 所示。其中蓄水库区一般位于地下,由水泵将水流经进水口抽入主河道,在下游出口处又流入蓄水库区,从而实现循环。图 试验水槽示意图 根据堤防漫顶溃决破坏类型,可以将试验分为两类:瞬间溃决和漫顶逐渐溃决,前者
6、的破坏过程较短,而后者破坏持续时间相对较长。在实际试验中为了模拟堤防瞬间溃决,研究人员通常采用一定的简化方法,即在溃口位置设置可瞬间打开的闸门来实现,其中溃决时间是影响试验结果的关键因素。根据相关研究的结论 ,当闸门开启时间符合如下条件时才能被认为是瞬间溃决:槡()式中:为闸门开启时间;为重力加速度;为溃口位置处主河道内水深。在堤防瞬间溃决试验研究中,通常设置不同的入流流量、水深、流速、下游出口边界、溃口宽度、淹没区面积以及淹没区出流边界条件等变量。漫顶逐渐溃决试验是在溃口段人工堆造土堤,并在土堤顶部开挖导流槽,引导河道内水流经导流槽流出,从而逐渐引发堤防的漫顶溃决。在漫顶逐渐溃决试验研究中,
7、设置变量除了入流流量、水深、流速、下游出口边界和溃口宽度等参数之外,还包括堤身形状(堤高、坡度)、堤体材料(黏性土、非黏性土、粒径级配、冻土、冰凌)、堤身含水率、孔隙率、压实度以及堤身趾部是否设有排水装置等。表 总结了近年来国内外堤防漫顶溃决试验研究中使用的水槽模型的大小、堤防模型的几何尺寸以及模型的缩尺比。其中直线型河道模型最大尺寸为长 、宽 ,弯曲河道模型最大尺寸为长 、宽 ,其余大多数水槽模型尺寸相对较小,河道长度集中于 左右,河道宽度集中于 左右。堤防模型的堤高最大值仅为 ,堤顶宽度集中于 左右,而且大多数堤防溃决试验模型没有对特定的堤防进行缩放。只有少数模型是按照一定的缩尺比构建,孙
8、芦忠等 没有对主河道进行全断面模拟,而是用较大的缩尺比 模拟了溃口局部;马洪福等 采用 的缩尺比建造了溃口正态物理模型;田治宗等 与张晓雷等 分别使用不同缩尺比的变态模型对黄河下游段堤防溃决进行了研究。由于大比尺模型试验成本更高试验条件也更为复杂,目前由大比尺模型取得的研究成果相对较少。水工模型应满足几何相似、水流运动相似、动力相似和重力相似等条件,逐渐溃决试验模型还需满足土力学相似原则,但在试验设计时往往难以同时满足以上所有条件,且大多数试验研究并没有足够注重模型相似问题。因此导致试验结果可能会受到缩尺效应的影响,从而与实际堤防溃决存在一定的差异,而且至今未见有关溃堤模型缩尺效应研究的报导。
9、今后仍需进一步开展大比尺溃堤模型试验的研究,进而借助大比尺模型试验的成果研究溃堤模型的缩尺效应。表 试验模型统计 研究者试验年份水槽模型尺寸堤防模型尺寸模型缩尺比(模型:原型)孙芦忠等 年溃口宽度为 、迎水坡坡度为 正态模型比尺为 田治宗等 年水槽长 、宽 、深 坡度为 平面比尺 垂直比尺 等 年河道宽 ,淹没区长 、宽 ,溃口宽度为 梁艳洁等 、魏红艳等 、余明辉等 、等 年 弯道水槽,长 、宽 、深 ,弯曲段内径 、外径 堤高 、顶宽 、坡度为 等 年河道长 、宽 、深 ,淹没区长 、宽 、深 ,溃口宽 陆灵威等 ,年河道长 、宽 ,淹没区宽 ,溃口宽 等 ,、等 年河道长 、宽 ,淹没区
10、长 、宽 ,溃口宽度为 堤高 、顶宽 、坡度为 张晓雷等 、果鹏等 、刘书瑜等 年模型全长 、总宽 ,弯曲河道槽宽 ,溃口宽 水平比尺 垂向比尺 等 、等 年河道长 、宽 、深 ,淹没区长 、宽 ,溃口宽度为 堤高 、顶宽 、坡度均为 马洪福等 、李晓晨等 年淹没区长 、宽 ,溃口为等腰梯形顶宽 、底宽 、深 堤高 、坡度为 正态模型比尺为 刘窻等 年型水槽全长 、宽 、深 ,主槽区宽 、总长 、内弧段直径 ,淹没区长 堤高 、顶宽 ,坡度为 等 年河道长 ,宽 ,淹没区长 、宽 ,溃口宽 堤高 ,顶宽 ,两侧坡度均为 等 年河道长 、宽 、深 ,淹没区长 、宽 离心模型试验作为一项重要的研究
11、手段,近年来也被广泛应用于堤坝溃决研究中 。土工离心模型试验将原型材料按一定比尺制成模型置于离心机中,基于惯性力与重力的等效性,利用离心机高速旋转时产生的离心加速度补偿试验模型因缩尺原因而减小的自重,使模型获得与原型相似的重力应力状态。而且在离心力场内工程材料的性质不会因高加速度而改变,使得模型与原型之间具有相等的应力应变关系,从而在试验中再现原型特性。相比于在静力条件下进行的缩尺模型试验,土工离心模型试验得到的结果通常更接近于实际。沈晨等 采用离心模型试验方法研究了高重力场下河堤的变形破坏模式;陈海峰等 通过离心模型试验探讨波浪荷载作用下桶式基础防波堤结构的稳定性问题;陈胜立等 对有无土工织
12、物加筋垫层条件下堤坝和软土地基的变形与稳定进行了离心模型试验对比研究;李青云等 采用土工离心模型试验手段,成功地再现了堤防产生裂缝的过程。测试技术随着现代流体测量技术的发展,越来越多先进的仪器被应用于堤防溃决试验的测量。堤防漫顶溃决试验不仅要测量流量、水位、流速等水力参数,而且需要监测堤防表面和内部颗粒材料的冲刷过程,目前已有试验中主要采用的测量设备如表 所示。表 试验测量设备 测量对象测量设备名称流量电磁流量计、量水堰(如薄壁三角堰、巴歇尔槽等)水位超声波水位计、雷达水位计、压力传感器流速旋浆流速仪、声学多普勒流速仪()、声学多普勒流速剖面仪()表面流场流场实时测量系统()和粒子图像示踪测量
13、技术()溃口形态钢针溃口地形测量仪、激光雷达仪、激光轮廓测量技术()、结构光传感器在河道流量测量方面,河道上游入流流量由布置在进水管道上的电磁流量计进行测量,河道下游出流流量多数通过布置在河道下游的量水堰(如薄壁三角堰 、巴歇尔槽 等)由水位流量关系的经验公式求得。下游端的这种流量测量方式存在一定缺陷,一方面在长度较短的水槽中由于量水堰的存在会改变河道下游出流条件进而对溃口处水力特征产生影响;另一方面量水堰一般用于明渠恒定流的流量测量,在堤防溃决情景下,水槽的出流为非恒定流过程,量水堰无法保证测量精度。在溃口出流测量方面,尽管目前测流手段有了较大的进步,但仍然无法直接精确测量溃口流量过程。在大
14、多数试验研究中,溃口流量由河道入流流量、河道出流流量和河道蓄水量基于水量平衡原理间接计算得到。其中借助量水堰测量河道出流流量会引起测量误差,在由多个测量结果间接计算溃口流量时也会存在误差积累。果鹏等 使用水量平衡方法仅准确测量了最终溃口流量,无法准确测得流量过程,可见溃口出流过程的精确测量尚有较大的提升空间。在水位测量方面,主要为单点式测量方式,包括超声波水位计、雷达水位计和压力传感器 等。但是对于尺寸较大的物理模型,需要使用大量的单点测量仪器才能覆盖整个测量区域,此外仪器同步测量难以准确匹配,可能导致测量结果存在一定的误差。在流速测量方面,声学多普勒测速仪(,)可以测得单点瞬态三维流速,在最
15、近的试验研究中使用较多;溃堤水流流场的测量一般利用流场实时测量系统(,)和粒子图像示踪测量技术(,),通过在水面抛洒示踪粒子,利用高速相机进行拍摄记录,进而获取水流速度场以及涡旋结构等。目前的流速测量技术仅能测得流场内部单点流速或者表面二维速度场,今后应加强溃口附近水流表面三维流场及内部多点流速测量技术的研究和应用。在溃口形态测量方面,测量技术最近取得了较大的进展,逐渐实现了从人工测量向自动测量、从接触式测量向非接触式测量、从单点向多点测量的发展。等 由相机记录布置在堤身上的钢针下降高度实现溃口形态的测量,但由于测点间距较大且测量过程中钢针容易发生变形,该方法的测量分辨率及精度相对较低;边慧霞
16、等 和康迎宾等 先后开发了借助 软件进行逆向建模分析的三维激光扫描技术和基于点云数据处理的激光雷达技术用于测量溃口形态,但是对于这两种技术的后续应 用 的 报 道 较 少;最 近 等 开 发 了 一 种 高 分 辨 率 激 光 轮 廓 测 量 技 术(,)可以实现无黏性土堤溃口三维形态演变的高分辨率连续测量;刘窻等 利用结构光传感器的三维成像特性,对溃堤过程中溃口形态变化进行了精确观测。随着堤防漫顶溃决物理模型试验研究逐渐得到重视,与之相关的试验测量技术也在不断发展,但是仍然存在一些不足。现有的测量设备无法直接、准确地测定堤防溃决时溃口出流过程,测量溃口附近内部流场和泥沙运动的技术也相对缺乏。
17、试验方法和测量技术是开展堤防溃决模型试验研究的基础,今后仍然需要在这些方面投入较多的科研力量。堤防溃决水流特性研究在堤防瞬间溃决物理模型试验中,研究内容主要包括不同条件下溃堤洪水的传播特性、河道水面形态与流速等水流特征以及溃口出流过程等。研究成果不仅可以帮助我们深入认识溃堤洪水特性,而且可以为数学模型提供验证数据。堤防漫顶逐渐溃决物理模型试验的研究内容还包括堤防溃口形态的演变过程,重点关注土堤的破坏形式,概化每个破坏阶段的特征,分析影响溃口形态演变的因素。研究成果可以加深我们对堤防溃决过程及破坏机理的认识,同时可以为合理改进描述堤防漫顶逐渐溃决过程的数学模型提供支撑。溃口水力特征溃堤和溃坝二者
18、的溃口水流特性存在较多类似之处,但是溃坝发生时水库中水体处于准静止状态,而溃堤发生时河道内水流则以一定的流速平行于堤防方向流动,因此二者之间又存在着明显的区别,堤防溃口附近的水流运动规律更加复杂。相对于堤防漫顶溃决试验,瞬间溃决试验忽略了泥沙冲刷过程,溃堤洪水特性更加容易观测,所以关于溃口水力特征的研究大多数集中于堤防瞬间溃决试验中。等 设计了瞬时溃堤试验,分析了溃堤后期水流趋于稳定时分洪水流的特性,但该研 究并 未 对 溃 堤洪 水 的传 播过 程、溃 堤 后 水 位 和 流 量 的 演 变 等 问 题 进 行 测 量 和 分 析;等 的水槽试验模拟了侧堰水流,对侧堰位置处的流场、三维水流结
19、构进行了详细测量;陆灵威 开展堤防瞬间溃决模型试验,研究了溃堤洪水在主河道和淹没区内的传播过程,弥补了 等 人研究的不足。张晓雷等 通过开展堤防溃决概化模型试验,研究了溃堤洪水在滩区的演进规律和溃堤后主槽内的水位变化过程;李晓晨等 分析了溃口区域水流流速分布规律及溃决中后期溃口水力参数的变化特征;等 借助堤防瞬间溃决模型试验,分析了工程堤防决口对河道内洪水水位的影响,同时研究了不同溃口宽度和河道水深时的水流特性;刘书瑜等 的试验模拟了弯曲河道的堤防溃决,研究了淹没区水位及水流流速的变化过程。基于现有研究成果可知,当堤防发生溃决后,溃口处水流以激波的形式在淹没区内快速扩散,与此同时,主河道溃口位
20、置附近的水位也会急剧下降,随后逐渐稳定并缓慢上升,最终达到一个相对稳定的状态。由于溃堤洪水不断流入淹没区,使得淹没区水位持续上升 。图 为堤防溃口处水力特征示意图,在主河道中落水波的传播并不对称 ,堤防溃决后溃口上游水体受到的影响要比下游更为明显。如图 ()所示,在溃口上游水位下降的速度快幅度大,但是落水波的传播速度相对较慢;相比于溃口上游,溃口下游水位的下降幅度较小,但是落水波的传播速度却更快。受河道内水流的影响,不仅溃口附近主河道水位分布呈现不对称性,而且溃口处水流的流速分布也具有不对称的特点。溃口上游位置处的流速和水深相对较小,而最大的流速和水深则会出现在溃口位置的偏下游处 ,。在堤防溃
21、决发生前期,溃堤洪水以溃口中轴线为中心呈近似椭圆形或扇形向淹没区演进,不过随着溃堤水流的发展,高流速区会逐渐向下游方向移动,流场的不对称性也逐渐明显,如图 ()所示。洪水流经溃口时首先受到束缩随后扩散,淹没区内主流两侧会形成旋涡,并在溃口断面两侧裹头位置处发生局部冲刷 。溃口水流的流态也会随着溃决过程的推进而发生变化,在溃决的前中期水流动能较大,溃口对水流的压缩使得溃口水流流态由缓流变为急流;此时淹没区水流流态仍以缓流为主,并形成水跃 ;在溃决后期溃口水流流态又转变为缓流,仍以沿着溃口中轴线的水流为主,但主流两侧涡流流速增大且涡旋形态稳定 。随着物理模型试验研究的开展,有关堤防溃决数值模型的研
22、究也取得了一定的成果,借助提出或改进的数学模型又可以进一步分析溃口水流特性。丁志雄等 利用有限体积法求解考虑了水流惯性项和摩阻项的完全圣维南方程组,对江西抚河 年唱凯堤溃堤洪水进行了模拟反演;徐卫红等 采用阻水和导水通道数值模拟方法,构建了基于阻 导水通道的水动力学模型,分析了超标准洪水下溃堤洪水的淹没过程。图 溃口水力特征示意图 溃口演变过程溃口形态演变过程是堤防漫顶逐渐溃决试验中重点关注的内容,在目前的研究中土堤主要分为非黏性土堤和黏性土堤两类。随着近年来堤防漫顶溃决模型试验研究的开展,对两种土堤溃口演变过程的认识也在逐渐深入。堤防溃口演变过程通常分为三个阶段,表 总结了非黏性堤防与黏性堤
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