梯级土石坝连溃洪水计算模型及小岗剑堰塞湖反演分析
发布时间：2020-08-11 15:26
【摘要】：水库大坝是调控水资源时空分布、优化水资源配置、防洪减灾等最重要的工程措施。近年来,梯级开发模式已逐渐成为河流流域工程建设的主导方式,更加充分、合理的利用了我国丰富的水资源,满足了日益发展的生产生活需要。但是我们必须深刻的认识事情的两面性,梯级水库大坝带来巨大利益的同时,其更高的溃决风险及溃决洪水可能造成的损失也是不可估量的。溃坝洪水问题同时涉及水力学、土力学、泥沙动力学和边坡稳定性分析等多个学科,溃决水流具有强非线性、非恒定性等特性。自上个世纪以来,各国学者已经对溃坝洪水问题开展了大量的研究,然而目前对于梯级土石坝溃坝的研究还比较少,尚未系统展开。因此,在单一土石坝溃决研究的基础上,深入研究梯级土石坝和堰塞体的溃决过程,建立能合理预测其溃决洪水和致灾后果的方法,为梯级土石坝的设计计算和安全防控提供技术支持,对提高堰塞体溃坝的应急管理水平,避免溃决洪水灾害具有重大意义。本文的主要研究内容和成果如下:(1)收集了已经发生的一般土石坝、淤地坝和堰塞坝的梯级连溃案例,分析了梯级土石坝在流域内的溃决特征;结合大圆筒冲刷试验,得到了不同坝体材料的抗冲刷性能,为梯级溃坝洪水计算提供了基础参数。(2)单一土石坝溃决分析是梯级土石坝溃决计算的基础。详细分析介绍了DB-IWHR溃坝洪水模型的计算原理和方法,包括总体水量平衡计算、基于双曲线模型的坝体材料冲刷计算和溃口边坡的圆弧形不稳定分析计算,在此基础上进一步提出了考虑了上游极端洪水、坝体纵向发展以及坝基侵蚀对溃决洪水的影响。(3)收集板桥溃坝的基础资料,成功反演了其溃决过程,对计算模型中所使用的水动力学参数进行特性分析,得到对计算结果敏感性影响最大的参数为双曲线冲刷模型系数b与跌落系数m;结合Monte Carlo统计试验法,采用优化的GF偏差抽样,考虑参数b和m的可能合理取值区间,提出了一种溃决洪水的不确定性分析方法。(4)详细介绍了溃决洪水演进模型DBFL-IWHR的计算原理和方法,并采用唐家山堰塞湖溃决洪水数据验证了模型的准确性和稳定性。在DB-IWHR模型和DBFL-IWHR模型基础上,结合洪水调洪计算方法,建立了梯级土石坝连续溃决计算模型DBC-IWHR模型,可用于河道内梯级土石坝的溃决洪水计算和风险分析。(5)全面搜集介绍了汶川地震中形成的小岗剑上-小岗剑下-一把刀梯级堰塞湖的基本情况,包括堰塞体的结构特征、地质构造特征、水文资料、应急除险方案及爆破泄流过程等,根据国内外风险分析方法确定了梯级堰塞湖的风险等级,通过多次实地考察和现场取样获得了小岗剑梯级堰塞湖的溃决流量过程线,利用三维激光扫描技术获取小岗剑上和一把刀堰塞体溃决后的地形资料。此案例是国内外第一个具有详细数据资料的梯级堰塞湖溃决实例。(6)使用本文建立的梯级连续溃决计算模型对小岗剑梯级的溃决过程进行反演计算,并在此基础上进一步分析了梯级连溃洪水的叠加效应,爆破形成泄流槽的泄流效果和叠加洪水重现期时的计算结果,计算结果可以为紧急情况下应急管理的梯级联合调度方案提供依据,同时论证了该模型在梯级土石坝风险分析和设计计算方面的可行性。
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV122.4;P642.2
【图文】：
中国水利水电科学研究院学位论文逡逑图１－２唐家山梯级堰塞体分布图Ｍ逦图１－３鲁甸梯级堰塞体分布图Ｍ逡逑土石坝溃决可能是偶然发生的，如结构老化、极端暴雨、地震、滑坡等，也可能逡逑是人为造成的，如爆破，设计问题，管理不当等［１６］。国际大坝委员会总结了在国内外逡逑溃坝案例的基础上，总结了土石坝溃坝的原因，结果显示３４％的土石坝是由于漫顶溃逡逑决造成的。我国水利部安全管理中心总结了邋１９５４到２００６年以来我国土石坝溃决情况，逡逑其中漫顶溃决是最为主要的原因，比例高达５１％％。由此看出，由极值洪水或暴雨导逡逑致的洪水漫顶是水库溃决的最主要形式。在一个流域的梯级式建设中，梯级土石坝的逡逑风险分析是规划阶段的基础工作，而各单元水库和整体梯级的溃决流量计算是风险分逡逑析的重要组成部分。因此
我国自１９６２年开始全面着力溃规事件的调查工作，先后开展了邋３次全面的逡逑调查分析，将土石坝溃决的原因归纳为５类：洪水漫顶、设计、施工质量差、运行管逡逑理不善、其他和原因不详［１６】，具体占比如图２－１所示。从图中可以发现，漫顶溃决仍逡逑是土石坝溃决的最主要原因，占比例高达５１％。逡逑随着流域梯级建设的不断发展，梯级土石坝的规模不断扩大。相比于单一的土石逡逑坝，梯级土石坝的规模更加宏大，地质环境更为复杂，风险灾害也更为严重。当上游逡逑梯级发生险情时，将影响下游水库的安全，进而对整个梯级系统带来威胁。表２－１列逡逑出了国内外有文献记录的几则流域梯级土石坝溃决案例，例如河南“７５．８”暴雨中，上逡逑游袁门水库和石漫滩水库溃坝后，形成垮坝流量达３００００邋ｍ３／ｓ的大洪水，洪水演进至逡逑下游后首先冲垮下游田岗大坝，汇入小洪河后注入杨庄水库，经滞洪后最终导致杨庄逡逑大坝溃决
从表２－２的统计结果可以看出，黄土高原地区每当雨季，淤地坝漫顶溃决屡有发逡逑生，且坝系内淤地坝损毁十分严重，甚至个别坝系损毁比例高达９０％以上，直接影响逡逑当地人民正常生产生活。图２－２和图２－３分析了山西西埝沟、王家沟和陕西省韭园沟、逡逑碾庄沟四个沟道共４８座溃决淤地坝的具体情况，其中，图２－２为溃决淤地坝坝高的分逡逑布情况，图２－３分析这４８座淤地坝的寿命，从图中可以发现溃决淤地坝主要集中在５＿逡逑１５ｍ的小型淤地坝，２０－３０年的淤地坝损失最为严重，随着寿命的增加，溃决数量增加。逡逑结合上述统计分析，流域梯级淤地坝的高溃决率一方面与淤地坝淤地造田的工程逡逑性质有关，多数淤地坝库容小，以淤地造田为主，并不具备防洪功能，随着筑坝时间逡逑增加，库容不断减少，暴雨来临时即无规范溢洪道排水，又无充足库容排水，最终导逡逑致漫顶溃决；另一方面淤地坝的筑坝工艺和独特筑坝材料黄土的冲刷特性也是造成这逡逑一现象的直接原因。上述分析结果表明，建立淤地坝坝系洪水标准和风险管理方法是逡逑亟待解决的问题
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV122.4;P642.2
【图文】：
中国水利水电科学研究院学位论文逡逑图１－２唐家山梯级堰塞体分布图Ｍ逦图１－３鲁甸梯级堰塞体分布图Ｍ逡逑土石坝溃决可能是偶然发生的，如结构老化、极端暴雨、地震、滑坡等，也可能逡逑是人为造成的，如爆破，设计问题，管理不当等［１６］。国际大坝委员会总结了在国内外逡逑溃坝案例的基础上，总结了土石坝溃坝的原因，结果显示３４％的土石坝是由于漫顶溃逡逑决造成的。我国水利部安全管理中心总结了邋１９５４到２００６年以来我国土石坝溃决情况，逡逑其中漫顶溃决是最为主要的原因，比例高达５１％％。由此看出，由极值洪水或暴雨导逡逑致的洪水漫顶是水库溃决的最主要形式。在一个流域的梯级式建设中，梯级土石坝的逡逑风险分析是规划阶段的基础工作，而各单元水库和整体梯级的溃决流量计算是风险分逡逑析的重要组成部分。因此
我国自１９６２年开始全面着力溃规事件的调查工作，先后开展了邋３次全面的逡逑调查分析，将土石坝溃决的原因归纳为５类：洪水漫顶、设计、施工质量差、运行管逡逑理不善、其他和原因不详［１６】，具体占比如图２－１所示。从图中可以发现，漫顶溃决仍逡逑是土石坝溃决的最主要原因，占比例高达５１％。逡逑随着流域梯级建设的不断发展，梯级土石坝的规模不断扩大。相比于单一的土石逡逑坝，梯级土石坝的规模更加宏大，地质环境更为复杂，风险灾害也更为严重。当上游逡逑梯级发生险情时，将影响下游水库的安全，进而对整个梯级系统带来威胁。表２－１列逡逑出了国内外有文献记录的几则流域梯级土石坝溃决案例，例如河南“７５．８”暴雨中，上逡逑游袁门水库和石漫滩水库溃坝后，形成垮坝流量达３００００邋ｍ３／ｓ的大洪水，洪水演进至逡逑下游后首先冲垮下游田岗大坝，汇入小洪河后注入杨庄水库，经滞洪后最终导致杨庄逡逑大坝溃决
从表２－２的统计结果可以看出，黄土高原地区每当雨季，淤地坝漫顶溃决屡有发逡逑生，且坝系内淤地坝损毁十分严重，甚至个别坝系损毁比例高达９０％以上，直接影响逡逑当地人民正常生产生活。图２－２和图２－３分析了山西西埝沟、王家沟和陕西省韭园沟、逡逑碾庄沟四个沟道共４８座溃决淤地坝的具体情况，其中，图２－２为溃决淤地坝坝高的分逡逑布情况，图２－３分析这４８座淤地坝的寿命，从图中可以发现溃决淤地坝主要集中在５＿逡逑１５ｍ的小型淤地坝，２０－３０年的淤地坝损失最为严重，随着寿命的增加，溃决数量增加。逡逑结合上述统计分析，流域梯级淤地坝的高溃决率一方面与淤地坝淤地造田的工程逡逑性质有关，多数淤地坝库容小，以淤地造田为主，并不具备防洪功能，随着筑坝时间逡逑增加，库容不断减少，暴雨来临时即无规范溢洪道排水，又无充足库容排水，最终导逡逑致漫顶溃决；另一方面淤地坝的筑坝工艺和独特筑坝材料黄土的冲刷特性也是造成这逡逑一现象的直接原因。上述分析结果表明，建立淤地坝坝系洪水标准和风险管理方法是逡逑亟待解决的问题
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 钟启明;陈生水;邓f
本文编号：2789244
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