溃坝洪水研究进展
2016-03-26常福宣肖长伟高延鸿程令社
刘 林,常福宣,肖长伟,高延鸿,程令社
(1.长江科学院 水资源综合利用研究所,武汉 430010;2.西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院,拉萨 850000 )
溃坝洪水研究进展
刘林1,常福宣1,肖长伟2,高延鸿2,程令社2
(1.长江科学院 水资源综合利用研究所,武汉430010;2.西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院,拉萨850000 )
摘要:溃坝洪水研究的目的是计算溃决坝址的流量、水位过程线,并向下游作洪水演进得到沿程的流量、流速、水位、波前与洪峰的到达时间,评估下游洪水淹没损失情况,以便于采取措施,降低洪水风险。从溃坝水流理论研究、溃坝问题的试验研究、溃坝模拟及洪水在下游演进这3个方面对溃坝洪水研究进行了综述,回顾和总结了国内外溃坝洪水研究的发展历程、已取得的成果和近些年的进展,提出了将来要研究的重点,并对研究前景进行了展望。目前溃坝理论的数值求解发展迅速,由试验提出了溃坝机理,研究不断模型化;但高强输沙理论未建立,溃口冲刷过程未能准确表达,对梯级溃坝和冰湖溃决洪水研究较少。今后应加强溃坝水流理论研究,开展大尺度、多库溃坝模型试验研究,积极做好梯级溃坝和冰湖溃决洪水模拟,进一步建立快捷可靠的区域溃坝洪水预报系统。
关键词:溃坝洪水;溃坝模型试验;洪水演进;数值模拟;冰湖溃决洪水
我国水库众多,据统计现有8.7万余座。在大坝安全的前提下,水库的合理运行为区域社会经济发展和生态健康提供了保障,同时保证了区域的防洪安全。但因超标准洪水、大坝施工质量欠佳、地基不良、水库调度管理不合理、地震或战争等因素作用,一旦大坝发生溃决,巨大的溃坝水流瞬间高速宣泄而下,将对下游地区的生命财产和生态环境造成毁灭性灾害。1975年8月4日至7日,在河南省中部,因一场特大暴雨(75·8暴雨),导致板桥和石漫滩2座大型水库垮坝[1],成为世界水库垮坝惨剧。凡事预则立、不预则废,人们在不断积累对洪水的感性认识的同时,对溃坝洪水进行了大量的研究,主要包括溃坝水流理论研究、溃坝问题的试验研究、溃坝模拟及洪水在下游演进等方面。
1溃坝水流理论研究
溃坝时库区水体突然下泄,造成库水位陡降与下游水位陡涨,并产生溃坝水流,这种水流的水位和流量在短时间内剧烈变化,传播过程中波形发生间断,流态变化剧烈,通常用浅水方程来描述。对溃坝水流的理论研究主要是寻求浅水波方程的解析解,以精确描述溃坝水流运动规律。
1871年法国科学家圣维南提出描述具有自由表面的浅水体中渐变非恒定水流运动规律的圣维南方程组,为溃坝水流理论分析奠定了基础。
在瞬间全溃的坝址峰顶流量计算方面,1892年Ritter采取圣维南方程组的特征形式,假定下游为干河床、无河床剪切摩擦作用,不计河床起伏,得出矩形断面瞬时全溃Ritter解,该解适用于矩形河谷的自由出流情形[2]。1986年伍超[3]等用黎曼方程直接推导出U形断面溃坝波的简化解。1938年赫里斯佳洛维奇采用不连续波理论得出任意断面的瞬时全溃解,但阿尔汉盖里斯基指出若下游为干河床会导致流量无穷大的不合理结果[4];2001年张成林[5-6]发现该解产生不合理现象的原因是没有严格依据物理学的规定构建动力方程,使得方程中质量与作用力的相互关系不匹配,为此重新选取研究对象构建动力方程,推求出修正公式;但2010年赵明登等[7]认为该修正公式的推导过程中并未考虑研究对象微小流束的水力要素的时变性,为此修正正负波相交公式导出适用范围更广的溃坝峰顶流量计算公式。1957年Stoker在前人研究的基础上,不计河床剪切摩擦和河床起伏,但考虑下游有水情形,把坝址流态划分为不连续波流、临界流和连续波流3类,给出了矩形断面与下游起始流速为0的解。1999年C.Wu等[8]将Stoker解的3个公式整合为1个公式,并给出了无量纲查用表格。谢任之[4]全面考虑坝址流态分区,推导出适用于任意断面,下游是干床或下游有水的统一公式。
在瞬间部分溃坝的坝址峰顶流量计算方面,1949年Schoklitch由试验得到了经验公式;1951年Frank不计横向流速,在Ritter瞬时全溃解的基础上,考虑水量平衡方程,进行了公式推导[4]。1982年谢任之根据波堰流量相等原理,推求出适用于淹没出流与自由出流的实用公式。2001年晏鄂川等[9]推求了平底无阻力河道大坝横向局部溃决的峰顶流量计算公式。2012年方崇惠等[10]推导了计算大坝全溃,横垂向局部溃坝的瞬时最大流量的同一公式,并给出了通式的上下限。在土石坝的逐渐溃决上,谢任之利用波汇流量相等原理,推导出计算公式,并且考虑库区淤积和坝址口门冲深因素,对公式作了修正。
在坝址流量过程线计算上,Dressler研究了平底矩形渠道考虑摩阻瞬时全溃的一阶摄动解。1970年Su等把Dressler的摄动解应用于不同形状断面明渠[6]。1980年林秉南等[11]采用特征线理论与黎曼解法推求了平底、无阻力,有限长棱柱体水库下游小水深瞬间全溃问题的理论解。1984年谢任之[4]从不同途径推导出类似于文献[11]的解析解。1989年黄真理[12]在文献[4]和[11]的基础上,引入梯形断面因子,以二次抛物线描述无限长梯形河渠瞬间全溃的水面曲线,得出了近似解,并给出了断面形状指数n随梯形断面因子变化的查用表格。1996年伍超等[13]采用形态参数分离法,克服决口粗糙带来的计算困难,采用水力参量和一个无因次量关系的无因次过程表达水力参量与时间两者的关系,给出了任意溃坝决口计算无因次过程线的方法与例子。2006年王立辉等[14]采用抛物型断面的指数关系化简非恒定明流控制方程,忽略底坡和摩阻影响,推导了无限长明渠瞬时全溃的溃坝涌波解,并分析了湿周断面形状系数对溃坝波各水流参数的影响。
在计算逐渐溃坝过程线上,主要要认清冲开口门大小的变化与发展规律,即要解决溃坝水流的输沙计算问题,谢任之考虑口门变化,分峰前和峰后分别给出了斜底无阻力逐渐溃的计算公式。2001年钟德钰等[15]推导了挟沙水流内悬浮颗粒的漂移扩散方程,总结了影响颗粒浓度分布的因素为重力、虚拟质量力、升力、Basset力和颗粒间相互作用。2004年王光谦等[16]分析了颗粒垂向脉动强度梯度和升力对沙粒扩散的影响并总结了挟沙水流颗粒的垂向扩散机理。
溃坝波在下游河道演进方面,Hunt将运动波近似代替溃坝波,研究离坝有4倍水库长度的下游河道陡坡河床上的溃坝问题。1985年潘漱芳[17]将Hunt运动波解扩展为水库、大坝溃口和下游河渠不等宽时的近似解。2005年黄国富等[18]利用特征线理论研究了斜底,下游无水,梯形、矩形、三角形河道中一维瞬时全溃洪流演进的解析模型,并得出正坡促流、逆坡阻流效应,这种效应具有随着时间增长的特性。2010年杜佐道等[19]探讨了以河段槽蓄关系联解圣维南方程组求解洪流演进问题。2010年张琨等[20]结合李斯特万公式和恒定流计算公式推求出一种计算溃坝洪水水面线的简化方法,但指出该方法适用于下游出口断面水位恒定的情况。
对于浅水方程不考虑流速沿垂线的分布与实际水流有差别,2003年李荣辉[21]修正浅水方程组中动量方程的底部摩阻项与对流项,推求了适用于模拟潜坝平面流态的广义浅水方程。考虑到溃坝洪水波的不连续性,2004年曾越[22]基于分子运动能理论,研究用BGK波尔兹曼理论建立一维溃坝数值模型的理论基础,并求解了波尔兹曼方程。2005年鲍远林[23]研究了无碰撞Boltzmann方程在二维洪水演进中的应用问题。但是不管是对浅水方程的修正还是用新理论重新建立水流控制方程都还处于研究的初始阶段。
溃坝水流的间断性和其控制方程的非线性使得推求方程解析解的难度较大。目前溃坝水流理论研究还是基于控制方程在简化条件下的理论解。今后溃坝水流理论研究依然是溃坝洪水研究的一个重点和难点[24]。
2 溃坝问题的试验研究
溃坝试验能探索溃坝水流的物理机制,检验数值模拟的计算成果,能在复杂地形中给出直观的概念,但存在费时长、投资大、不易制作的缺点,在试验中主要存在库区模拟问题、变态率问题、自动控制问题和糙率问题[4]。
19世纪中叶法国就开始了溃坝的模型试验研究,20世纪50年代欧美严重的溃坝事件使溃口流量过程研究得到重视,20世纪50—60年代奥地利与美国分别做了大量室内溃坝试验,对比两国的试验结果发现溃决时间尺度关系式接近。
为配合三峡工程可行性研究和设计,20世纪60年代,中国水利水电科学研究院做了小比例(水平比例为1/30 000、垂直比例为1/300)的三峡变态模型溃坝试验,按坝前库水位和溃决形式的不同组合,确定了不同情况下的灾害路线和范围;20世纪80年代,长江水利委员会进行了大比例(水平比例为1/500、垂直比例为1/125)的三峡大坝变态模型溃坝试验,按溃坝条件与入流的不同组合,进行了200多次试验[24]。黄河水利委员会水利科学研究院于20世纪70年代就小浪底水库进行了水平比例为1/1 000和垂直比例为1/100的溃坝模型试验,总结了溃坝流量过程经验公式[4]。
20世纪90年代,欧盟在前期开展的CADAM基础上继续开展IMPACT项目,考虑不确定性因素影响,就溃坝形成、洪水传播、泥沙运动3个方面进行过5次大尺度的现场试验和22组小比例的室内试验,开展最不利洪水条件下的溃坝预测研究。
在对溃坝实例的观察和试验基础之上,拉尔斯顿、瓦尔与汉森等研究者就土坝漫溃提出了陡坎冲刷理论[25];罗优等[26]进行了小尺度均质土石坝的漫顶破坏室内试验,观测到3种漫顶破坏模式:陡坎蚀退冲刷溃决模式、浸泡剥蚀破坏模式与剪切蚀退坍塌溃决模式,并指明有必要增加尺度和改变临界条件作进一步验证。2008年南京水利科学研究院与滁州市水利勘测设计院在滁州南谯区的大洼水库就不同坝体土材、不同坝体坡度、压实度和含水量进行过多组次现场溃坝试验,试验结果验证了“陡坎”理论,在试验结果的基础上确定了在坝体开挖泄流槽引导泄流、降低坝前水位的应急抢险方案[27]。
2011年Y.Xue等[28]在陡坡矩形水槽内研究梯级水库瞬时溃坝情形下的水流特点,得出水库初始水深比大坝间距对下游洪峰水深的影响大。2014年C.Y.Chen等[29]通过水槽试验研究不同回水影响下,上游溃坝洪水给下游坝施加的压力荷载,应用线性回归方法总结了预测最大压力荷载的经验公式,并引进正弦衰减函数描述下游坝压力荷载的时变过程。冰湖溃决也是一个关注点,2014年黄金辉等[30]以光谢错冰碛湖溃决为原型,利用1∶1 000的水槽系统按不同涌浪条件设计18组实验,研究由冰崩引起的涌浪冲刷诱发的溃坝的发展过程和溃决流量特征。李云等[31]从研究内容、模型相似理论、模型比例尺、试验测试手段4个方面对溃坝模型试验研究发展动向作了详细的论述。
以上大都是基于单库不同因素组合的溃坝试验,深入理解溃坝的机理还有待进一步试验研究,同时,在流域梯级开发的背景下,需要开展多库溃坝试验研究。
3 溃坝模拟及洪水在下游演进
3.1 模拟方法
溃坝模拟及洪水在下游的演进以往是根据经验公式求取,随着计算机和存储技术的发展,近些年主要应用数值模拟来求解。科研工作者长期研究溃坝洪水,开发了一些代表性模型,比如DAMBRK模型、BREACH模型、FLDWAV模型、BEED模型、DELFT23D模型、DHI模型系列等。2003年朱勇辉等[25]对10个主要的土坝溃坝模型从水动力学、泥沙输移、溃口形状、所需参数4个方面以表格形式作了总结。2007年王立辉等[24]对DAMBRK,BREACH,SMPDBK模型进行了介绍。
据统计显示,世界范围内土坝占绝大多数[1],而土坝的失事率很高,因此对土坝的研究比较深入。土坝的溃坝模型分为基于参数的模型和基于物理过程的模型。前者利用溃口历时、溃口宽度等参数的简单时变过程或者建立参数和溃口发展速度、溃坝峰顶流量间的回归方程来模拟溃坝过程,此类模型简单方便,但较粗略。后者通过学科交叉构建时变过程来模拟溃坝过程与洪水过程线,此类模型涉及实际溃坝机理,精度较高[25]。2类模型大多采用了牵引应力分析和泥沙输移理论,但T.L.Wahl[32]认为采用牵引应力分析法应该考虑区分不同类型土质对分析结果的影响,而现有的模型基本上没能区分水流的输沙能力与水流对大坝的冲刷速度2个概念。
洪水波的数值模拟主要采用的数值方法为有限差分法、有限元法、有限体积法。有限差分法先对定义域划分网格,再在网格点上,利用数值微分公式将方程用差商代替微商做进一步求解,该方法灵活、通用性强、易实现,但其却常常不能适应复杂的几何求解域;有限元法基于变分原理和微分方程的弱解形式,其网格划分能处理几何形状复杂的求解区域,但须假定网格点间值的变化规律且计算量比较大;有限体积法结合了有限差分法灵活和有限元法适应复杂求解区域的优点。王立辉等[24]对以上3种方法在溃坝问题中的应用作了分析与比较。此外,冯民权等[33]采用随机游动法求解河渠非恒定流问题。S.C.Chang[34]提出计算守恒方程的时空守恒元和解元方法,此新方法把时空统一起来,局部和全局都遵守守恒律,不需求解黎曼问题且易推广到多维情形,但是该方法比较难处理源项与求解变量关系不明确的情况。张增产等[35-37]对该方法作了改进与优化,张永祥等[38]应用改进的时空守恒元和解元方法模拟瞬间全溃以及局部溃坝洪水的演进与绕流过程。
3.2 单库溃坝模拟
溃坝洪水数值模拟的任务是需要计算出坝址的流量、水位过程线,并向下游作洪水演进得到沿程的水位、流量、流速、波前与洪峰到达时间、洪水持续时间,其实质是求解动床不恒定流拟线性双曲偏微分方程组的间断问题[4]。
2003年朱勇辉等[25]介绍并分析了土坝溃决机理学说——“陡坎”冲刷理论,指明“陡坎”的移动速度dX/dt的预测是一个难点并且支持该理论的模型试验都只局限于溃口发展到坝底之前的阶段,实际中溃口还会继续扩宽。2008年隆文非等[39]有机结合物理成因模型、参数模型与瞬时全溃模型来研究溃坝洪水。2012年沈洋等[40]对金牛山水库,用MIKE11和MIKE21软件耦合的方法,同时考虑不同水库水位与入库设计洪水组合情况,计算溃坝洪水及其演进过程。
鉴于水力计算中,齐次形式的浅水方程和欧拉方程在数学上有相同的特性,引入计算气动力学的研究成果到浅水流动的数值模拟中[41-42]。这些研究成果能较好处理水流间断,其中关键是构建守恒逆风格式,包括3类:①从代数特征分析出发的通量向量分裂法(FVS);②应用黎曼解的格式,如通量差分裂法(FDS);③对反扩散项或者黏性项给以限制,如通量校正输运法(FCT)[43]。胡四一等[44]分别对以上3种高性能格式应用到一维非恒定明渠流情况作了介绍和推导,并指出对于实际明渠水流,这种移植须作出一定的修改和处理。从空气动力学中引进的单纯高精度无振荡捕捉格式虽然可以解决复杂流态的过渡和间断问题,但不能应用于地形变化较大的情况,否则会造成计算结果的不和谐[45]。但在有限体积法里面结合有限差分法构建新的离散格式,对地形变化的处理能力能得到较大改善。如2007年向波等[46]应用有限体积法离散二维浅水波方程,并在非结构网格中结合有限差分法求解界面通量,重力项也用差分法处理,使得界面通量达到二阶精度,并且适用于地形变化较大的情况。另外,1994年Zhao等[47]采用特殊单元水力模型、2001年Zhou等[48]采用水面梯度法、2003年潘存鸿等[49-50]采用水位方程法处理河床的地形起伏问题。
对笛卡尔坐标系进行坐标变换,可以较好地适应河道的复杂边界,使模拟更精准。王船海等采用正交曲线拟合坐标解决了自然河道边界形状复杂和长与宽的尺度不协调给有限差分带来的模拟困难。2008年于曰晻等[51]也研究了平面二维流场数值模拟中正交曲线网格的生成方法。正交曲线变换的计算网格要严格保证正交,而非正交曲线变换却不受此限制,网格生成比较灵活。2014年M.Guerra等[52]采用非正交曲线坐标系模拟非规则边界和剧烈变化地形下的水流。另外,随着计算条件的改善,应用间断有限元方法能处理定解域的不规则问题[53]。韩涛等[54-55]探讨了间断有限元在浅水方程中的应用,并指出间断有限元与有限体积法的耦合值得进一步研究。
溃坝波的涨落引起水陆边界变化,产生浅水动边界问题,数值模拟中常用的处理方法有冻结法[56]、切削法[57]、窄缝法[58]与干湿法[59]。宋志尧等[60]对以上4种方法作了评价,并提出了线边界法。潘存鸿等[61]认为如何在动边界条件下准确模拟间断流动,且保证水量平衡是动边界计算中的最大困难,并将模拟间断流的干底黎曼解应用到求解动边界问题。2008年张大伟等[62]利用Roe格式的近似黎曼解计算界面通量、用Godunov格式作空间离散、运用特征分解与迎风处理底坡源项、用半隐式离散方法处理摩阻项,设定一个较小水深值hmin处理干湿边界,基于非结构网格构建溃坝水流的干湿变化过程数值模拟。2010年夏军强等[63]认为在干湿界面处理上,对于简单地形如试验水槽,最小水深值可取的相对较小,而对复杂地形最小水深宜取相对较大点。
鉴于有些有限体积模型当中,时间离散常采用较简单的显格式使计算效率低,而采用隐格式算法复杂、不易编程,Jameson[64]提出双时间步方法,双时间步指虚拟时间步和物理时间步。Helenbrook等[65]曾就一阶精度算法对双时间步法在浅水方程中应用的预处理加速问题进行了理论分析。2014年喻海军等[66]应用双时间步方法模拟了4个典型算例,并与传统显式算法比较,结果显示,双时间步方法的时间步长能取得显式格式10倍或以上。
基于网格的数值方法已经广泛应用到溃坝洪水模拟当中,但是出于对网格的依赖性,如何保证动边界网格质量一直是个难点。无网格粒子法能较好适应自由面大变形情况,如张驰等[67]应用常用的2种粒子方法,SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法和MPS(Moving Particle Semi-Implicit)方法在实验室进行溃坝模拟,并对这2种方法作了比较。姜伟等研究了基于不完全黎曼解的SPH方法。陈善群等[68]用最小二乘无网格有限差分法求解非守恒形式的二维浅水方程,通过圆形溃坝模型检验该算法能处理对称间断流问题。但是无网格粒子法在溃坝洪水数值模拟中的应用还并不多见,有待进一步研究。
3.3 梯级坝溃决模拟
梯级溃坝洪水由于上游溃坝洪水和下游再生洪水波的叠加而出现多峰性。2014年黄卫等[69]运用一维浅水动力学模型模拟不同工况下梯级大坝溃决洪水。对比分析单坝溃决洪水和梯级坝溃决洪水模拟结果,发现后者存在渐进增强机制。具体表现为:峰值流量和水位增大,洪水到达时间提前。梯级溃坝模拟需在单库溃坝模拟的基础上,考虑不同大坝类型、梯级水库的连锁响应和更加复杂的洪水组成等问题。如刘庆红等[70]以某河流上7个梯级水库按不同大坝类型进行了库群洪水溃坝模拟。
3.4 冰湖溃决模拟
冰川活动或者退缩产生的冰雪融水在冰川的前部或者侧部汇集形成冰湖。冰湖可分为多种类型,其中以冰川终碛湖规模最大、分布数量最多、灾害风险较高,当湖体的冲击力大于堆积体的抗溃力时易发生溃决。2003年Cenderelli等[71]采用一维恒定流模型计算冰湖溃决洪水洪峰流量,2006年Miyamoto等[72]考虑水流的非恒定性,应用扩散波方程研究冰湖溃决洪水特征,目前冰湖溃决洪水一般按溃坝洪水计算。2007年岳志远等[73]基于浅水方程构建二维水动力学模型计算冰湖溃决洪水过程,并指出冰湖溃决洪水容易演变为泥石流,需发展水沙耦合模型作进一步研究。2014年吴秀山[74]对西藏的年楚河流域潜在危险冰湖——黄湖,分6种不同溃决模式,模拟二维溃坝水流及其演进。结果表明:从上游近溃口端到下游河道,不同溃坝模式对水力要素如洪水最大流速、洪峰流量和洪水最大水深的影响逐渐减小,其中近溃口端较敏感;瞬时溃坝工况下的洪峰流量比逐渐溃坝工况大,小溃口工况下的洪峰流量比大溃口工况大,即大溃口不一定对应着高洪峰流量。
4结论与展望
溃坝水流理论表达溃坝水流运动的物理规律,模型试验还原和再现溃坝水流形态,数值模拟对溃坝水流进行模拟和预测。溃坝洪水研究为溃坝洪水灾害应对提供依据,目前研究的主要困难是高强输沙理论未建立,口门冲刷过程未能准确表达。另外,目前溃坝模型众多,选用哪个模型更合适,仍是需要研究的问题。由于直接推求溃坝水流控制方程解析解存在困难,目前溃坝水流理论研究还是基于控制方程在简化条件下的理论解,利用数学的新理论新方法,逼近溃坝洪水实际情况,继续加强溃坝水流理论研究依然是一个长期过程。
现行的溃坝试验多是基于中小尺度下进行的,对于溃口发展的真实过程不能清晰地反映,需继续进行单库溃坝模型试验如大尺度试验,由于坝的破坏涉及多相非均质问题,需结合流体力学、土力学和计算机等学科,加强溃坝机理研究。此外,现行的溃坝试验大多是基于单库不同因素组合的溃坝试验,开展多库溃坝模型试验研究也是一个方向。
现行溃坝洪水数值模拟主要存在水流间断处理、底坡源项和摩阻项处理、干湿动边界、不规则边界拟合、起伏地形处理等技术问题,针对这些问题不同研究者提出了不同的解决方法,但各有优缺点,有必要研究新方法更好地解决这类问题,以实现溃坝水流的精细模拟。同时,在流域梯级开发和气候变化的背景下,积极做好梯级溃坝洪水和冰湖溃决洪水的模拟研究显得尤为重要。由于溃坝洪水灾害的应急性,建立快捷可靠的区域溃坝洪水预报系统将是未来应该着重考虑的。
参考文献:
[1]刘宁.国内外大坝失事分析研究[M].武汉:湖北科学技术出版社,2001.
[2]李炜.水力计算手册[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
[3]伍超,谭振宏.U形河槽溃坝波的简化计算[J].重庆交通学院学报,1986,(3):166-171.
[4]谢任之.溃坝水力学[M].济南:山东科学技术出版社,1993.
[5]张成林.对常用的计算溃坝最大流量和波速公式的分析及修正[J].水利水电技术,2001,32(5):7-10.
[6]张成林,朱春英.对常用河渠立波公式问题的分析及修正[J].水利学报,1997,(4):79-83.
[7]赵明登,李靓亮,周湘灵.溃坝最大流量计算公式的问题与修正[J].中国农村水利水电,2010,(6):66-68.
[8]WU Chao, HUANG Guo-fu, ZHENG Yong-hong. Theoretical Solution of Dam-break Shock Wave[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1999, 125(11): 1210-1215.
[9]晏鄂川,郑万模,唐辉明,等.滑坡堵江坝溃决洪水及其演进的理论分析[J].水文地质工程地质,2001,(6):15-17.
[10]方崇惠,方堃.瞬时溃坝最大流量计算新通式推导及验证[J].水科学进展, 2012, 23(5):721-727.
[11]林秉南,龚振瀛,王连祥.突泄坝址过程线简化分析[J].清华大学学报,1980,20(1):17-31.
[12]黄真理. 梯形河渠瞬时全溃问题的近似解[J].水动力学研究与进展,1989,4(2):42-52.
[13]伍超,赵文谦,郑永红,等. 任意形状溃口突泄坝无因次过程线计算方法[J].水利学报,1996,(3):76-84.
[14]王立辉,胡四一.抛物型断面明渠溃坝波的简化分析[J].水电能源科学,2006,24(1):58-61.
[15]钟德钰,王光谦,王士强.挟沙水流中悬浮颗粒的漂移—扩散方程[J].水动力学研究与进展,2001,16(1):51-55.
[16]王光谦,傅旭东.挟沙水流颗粒垂向扩散机理[J].科学通报,2004,49(4):321-324.
[17]潘漱芳.溃坝问题的解法[J].东北水利水电,1985,(6):44-48.
[18]黄国富,张翼飞,伍超,等.一维溃坝波在斜底坡河道中演进的解析解[J].水动力学研究与进展,2005,20(5):597-603.
[19]杜佐道,向德明,马军,等.用槽蓄关系联解圣维南方程组模拟洪水演进的方法探讨[J].水利规划与设计,2010,(6):14-15.
[20]张琨,陈树山,华家鹏,等.溃坝洪水水面线的简化计算方法[J].水电能源科学,2010,28(2):41-43.
[21]李荣辉.广义浅水方程及工程应用初步研究[D].南京:河海大学,2003.
[22]曾越.GBK波尔兹曼理论在一维溃坝水流中的应用[D].武汉:武汉大学,2004.
[23]鲍远林.有限体积流矢量分裂法在洪水演进中的应用[D].武汉:华中科技大学,2005.
[24]王立辉,胡四一.溃坝问题研究综述[J].水利水电科技进展,2007,27(1):80-85.
[25]朱勇辉,寥鸿志,吴中如.国外土坝溃坝模拟综述[J].长江科学院院报,2003,(4):26-29.
[26]罗优,陈立,郝婕妤,等.均质土石坝不同因素与漫顶破坏模式的内在联系[J].武汉大学学报,2014,4(5):610-614.
[27]沈登乐.土坝溃坝试验研究与应用[J].江淮水利科技,2009,(5):35-37.
[28]XUE Yang, XU Wei-lin, LUO Shu-jing,etal. Experimental Study of Dam-break Flow in Cascade Reservoirs with Steep Bottom Slope[J]. Journal of Hydrodynamics, Serial B, 2011, 23(4): 491-497.
[29]CHEN C Y, XU W L, DENG J,etal. Experimental Investigation of Pressure Load Exerted on a Downstream Dam by Dam-break Flow[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 140(2): 199-207.
[30]黄金辉,刘建康,程尊兰,等. 涌浪规模对冰碛湖溃决的影响实验[J].山地学报, 2014, 32(2):241-248.
[31]李云,李君.溃坝模型试验研究综述[J].水科学进展,2009, 20(2):304-310.
[32]WAHL T L. Prediction of Embankment Dam Breach Parameters: A Literature Review and Needs Assessment. DSO-98-004, Dam Safety Research Report[R]. US: Bureau of Reclamation, 1998.
[33]冯民权,赵明登,郑邦民.河渠非恒定流及其物质输运的数值模拟[M].北京:科学出版社,2012.
[34]CHANG S C. The Method of Space-time Conservation Element and Solution Element:A New Approach for Solving the Navier-stokes and Euler Equations[J]. Computational Physics, 1995, 119(2): 295-324.
[35]张增产,沈孟育.改进的时空守恒元和解元方法[J].清华大学学报,1997,37(8):65-68.
[36]张增产,沈孟育.一种严格保证时空守恒率的数值方法[J]. 计算物理, 1997,14(6):835-841.
[37]张增产,沈孟育.求解二维Euler方程的时空守恒格式[J].力学学报,1999,(2):1-7.
[38]张永祥,陈景秋.用守恒元和解元法数值模拟二维溃坝洪水波[J].水利学报,2005,36(10):1224-1229.
[39]隆文非,张新华,黄金池,等.水库溃坝洪水预测方法研究及应用[J].四川大学学报,2008,40(1):21-26.
[40]沈洋,王佳妮. 基于MIKE软件的溃坝洪水数值模拟[J].水电能源科学, 2012, 30(6):56-58.
[41]汪德爟.计算水力学理论与应用[M].北京:科学出版社,2011.
[42]谭维炎.计算浅水动力学-有限体积法的应用[M].北京:清华大学出版社,1998.
[43]谭维炎.浅水动力学的回顾和当代前沿问题[J].水科学进展,1999,10(3),296-303.
[44]胡四一,谭维炎.一维不恒定明流计算的三种高性能差分格式[J].水科学进展, 1991,2(1):11-21.
[45]潘存鸿.三角形网格下求解二维浅水方程的和谐Godunov格式[J].水科学进展, 2007, 18(2):204-209.
[46]向波,蓝霄峰,纪昌明,等. 基于二阶差分法和非结构网格的有限体积法的溃坝模拟[J].水动力学研究与进展(A辑),2007,22(6):737-743.
[47]ZHAO D H, SHEN W H, LAI J S,etal. Finite-volume Two-dimensional Unsteady-flow Model for River Basins[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1994, 120(7): 863-882.
[48]ZHOU J G, CAUSON D M, MINGHAM C G,etal. The Surface Gradient Method for the Treatment of Source Terms in the Shallow Water Equations[J]. Journal of Computational Physics, 2001, 168(1): 1-25.
[49]潘存鸿,林炳尧,毛献忠.一维浅水流动方程的Godunov格式求解[J].水科学进展,2003,14(4):430-436.
[50]潘存鸿,林炳尧,毛献忠.求解二维浅水流动方程的Godunov格式[J].水动力学研究与进展,2003,18(1):1-8.
[51]于曰晻,沈永明,吴修广,等.正交数值网格的生成及平面二维流场的数值模拟[J].计算力学学报,2008,25(1):90-93.
[52]GUERRA M, CIENFUEGOS R, ESCAURIAZA C,etal. Modeling Rapid Flood Propagation Over Natural Terrains Using a Well-balanced Scheme[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014. DOI: 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000881.
[53]蔚喜军,周铁.流体力学方程的间断有限元方法[J].计算物理,2005,22(2):109-116.
[54]韩涛,逄勇,翟金波,等.浅水方程的间断有限元解法[J].中国农村水利水电,2007,(9):23-25.
[55]韩涛,逄勇,安婷,等.基于间断有限元求解浅水方程[J].西安交通大学学报,2007,41(3):377-379.
[56]程文辉,王船海.用正交曲线网格及“冻结”法计算河道流速场[J].水利学报,1988,(6):18-24.
[57]彭凯,方铎,曹叔尤.在二维流动计算中应用“河床切削”技术处理动边界问题[J].水动力学研究与进展(A辑),1992,7(2):200-205.
[58]何少苓,王连祥.窄缝法在二维边界变动水域计算中的应用[J].水利学报,1986,(12):11-19.
[59]史峰岩,孔亚珍,丁平兴.潮滩海域边界自适应网格潮流数值模型[J].海洋工程,1998,16(3):68-75.
[60]宋志尧,薛鸿超,严以新.线边界法在潮流模拟中的应用[J].海洋工程,2000,18(4):49-54.
[61]潘存鸿,于普兵,鲁海燕.浅水动边界的干底 Riemann 解模拟[J].水动力学研究与进展(A辑),2009,24(3):305-312.
[62]张大伟,李丹勋,王兴奎.基于非结构网格的溃坝水流干湿变化过程数值模拟[J].水力发电学报,2008,27(5):98-102.
[63]夏军强,王光谦,LIN Bin-lian,等.复杂边界及实际地形上溃坝洪水流动过程模拟 [J].水科学进展,2010,21(3):289-298.
[64]JAMESON A. Time Dependent Calculations Using Multigrid, with Applications to Unsteady Flows Past Airfoils and Wings[C]∥Proceedings of AIAA 10th Computational Fluid Dynamics Conference. AIAA, Honolulu, June 24-27, 1991: 1-13.
[65]HELENBROOK B T, COWLES G W. Preconditioning for Dual-time-stepping Simulations of the Shallow Water Equations Including Coriolis and Bed Friction Effects[J]. Journal of Computational Physics, 2008, 227(9): 4425-4440.
[66]喻海军,黄国如,武传号. 双时间步法在二维浅水方程求解中的应用[J].水科学进展,2014,25(4):542-549.
[67]张驰,张雨新,万德成.SPH方法和MPS方法模拟溃坝问题的比较分析[J].水动力学研究与进展,2011,26(6):736-746.
[68]陈善群,廖斌,李海峰. 用最小二乘无网格有限差分方法求解二维浅水方程[J].长江科学院院报,2012,29(6):36-39.
[69]黄卫,曹志先.梯级大坝溃决洪水渐进增强机制数值模拟[J].武汉大学学报,2014,47(2):160-164.
[70]刘庆红,付湘,何海源,等.梯级水库群洪水溃坝模拟[J].中国农村水利水电,2011,(3):173-177.
[71]CENDERELLI D A, WOHL E E. Flow Hydraulics and Geomorphic Effects of Glacial-lake Outburst Floods in the Mount Everest Region, Nepal[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2003, 28(4): 385-407.
[72]MIYAMOTO H, ITOH K, KOMATSU G,etal. Numerical Simulations of Large-scale Cataclysmic Flood Water: A Simple Depth-averaged Model and an Illustrative Application[J]. Geomorphology, 2006, 76(1/2): 179-192.
[73]岳志远,曹志先,车涛,等.冰湖溃决洪水的二维水动力学数值模拟[J].冰川冻土,2007,29(5):756-763.
[74]吴秀山.不同溃决模式下冰湖溃坝洪水演进模拟[D].杭州:浙江大学,2014.
(编辑:刘运飞)
LIU Lin1,CHANG Fu-xuan1,XIAO Chang-wei2,GAO Yan-hong2,CHENG Ling-she2
(1.Water Resources Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan430010,China;
2.Hydropower Planning Survey and Design Institute of Tibet Autonomous Region,Lhasa850000,China)
Research Progress on Dam-break Flood
Abstract:The purpose of research on dam-break flood is to calculate the dam-break flow, water level hydrograph and the downstream flood flow, flow velocity, water level, arrival time of the wave front and peak along the flow path, to evaluate the loss caused by downstream flood and take measures to reduce flood risk. A review was made on the study of dam-break flood from aspects of theoretical analysis, physical experiment and numerical simulation on dam failure and flood routing in the downstream. The developments, achievements and progresses of researches on dam-break flood in recent years in China and abroad are summarized, and the prospects and focus were prospected. At present, the numerical solution of the dam break theory is developing rapidly, the dam-break mechanism has been proposed according to dam-break experiments, the research has become increasingly modelled. But it’s hard to accurately express the dyke erosion process while high strength sediment transport theory has not been established yet, and also the research about cascade dam-break floods and glacier lake outburst floods is rare. In the future, we should strengthen the theoretical research, conduct large-scale model test for dam breach of cascade reservoirs, improve simulation of cascade dam-break floods and glacier lake outburst floods, and further build a fast and reliable forecasting system for regional dam-break flood.
Key words:dam-break flood; dam-break experiment; flood routing; numerical simulation; glacier lake outburst flood
收稿日期:2015-03-27;修回日期:2015-04-23
基金项目:水利部公益性行业科研专项( 201301037)
作者简介:刘林( 1991 - ) ,男,江西萍乡人,硕士研究生,主要从事水文水资源研究,(电话) 18627196150( 电子信箱) linzi3720@163.com。
doi:10.11988/ckyyb.20150225
中图分类号:TV122.4
文献标志码:A
文章编号:1001-5485(2016)06-0029-07
2016,33(06):29-35