溃坝洪水对构筑物冲击荷载的数值模拟

发布时间：2022-01-16 04:42

　　洪水巨大的冲击力对坝区及堤岸构筑物造成很大的破坏,准确计算溃坝洪水对构筑物的冲击荷载对于建筑物的安全设计是十分必要的。采用有限体积法和中心迎风格式建立了二维数值模型,用于计算溃坝洪水对构筑物的作用力,并将该模型应用于全局溃坝和局部溃坝的物理模型试验。计算结果表明:该模型能够准确地模拟全局溃坝工况下洪水对构筑物冲击荷载的变化情况,而对于局部溃坝工况,本模型的计算结果较为平滑,无法模拟实际水流紊动的过程,但其最大冲击荷载的计算值与试验测量值相接近。相比于三维数值模型,本文所建立的二维数值模型程序简单、计算效率高、计算结果与实测结果总体吻合较好,能够有效地用于预测溃坝洪水对构筑物的冲击荷载。 

【文章来源】：长江科学院院报. 2020,37(03)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

计算水深云图与试验现场照片

式中:n为样本序号;m为样本总量;Fe,n和Fs,n分别为第n号样本试验测量和数值模拟的冲击荷载; F e ˉ 为试验测量的冲击荷载的平均值。经过计算,本模型计算结果的变异系数<10%,表明该模型能较好地模拟全局溃坝波对构筑物的冲击荷载。为了评估模型参数对模型计算结果的影响,本文以上述计算结果作为参考值,分别对网格尺寸和曼宁系数进行敏感性分析。表1为敏感性分析计算结果,其中Fmax为最大冲击荷载,ta为溃坝波到达构筑物时间。由表1可知,使用0.005 m×0.005 m的矩形网格计算得到的Fmax与0.01 m×0.01 m的矩形网格的计算结果比较接近,ta的计算结果较之试验数据和0.01 m×0.01 m的矩形网格的计算结果稍有提前;而使用0.02 m×0.02 m的矩形网格,计算得到的Fmax结果偏大较多,将在一定程度上降低模拟的准确性。此外,曼宁系数越大,最大冲击荷载越小,溃坝波到达构筑物上游面的时间越长。

为了进一步验证模型的准确性,本文对Aureli等[12]开展的局部溃坝物理模型试验进行数值模拟。试验布置如图5所示,长2.6 m、宽1.2 m的树脂玻璃水槽分为上、下游2个部分,上游水库为0.80 m×1.2 m,有一0.3 m宽的闸门。与Al-Faesly等[10]的物理模型试验相似,通过滑轮系统快速拉起闸门来产生溃坝波。下游构筑物为经铝板加固的PVC箱,宽0.30 m,长0.155 m,高0.20 m,位于水槽中心线,距闸门0.5 m位置处。对该物理模型试验进行数值模拟,采用2.5 m×2.5 mm的矩形网格对计算区域进行剖分,时间步长采用自适应时间步长,总模拟时间为3 s。水槽四周均设置为闭边界,底床曼宁系数取为0.007 s/m1/3,上游初始水深h0为0.10 m,下游为干河床。图6 计算水深云图与试验现场照片

【参考文献】：
期刊论文
[1]具有守恒特性的二维溃坝洪水演进数值模型[J]. 吴钢锋,贺治国,刘国华.  水科学进展. 2013(05)
[2]二维溃坝洪水波传播的高精度数值模拟[J]. 刘玉玲,王玲玲,周孝德,戎贵文.  自然灾害学报. 2010(05)
[3]二维溃坝波数值模型及其应用[J]. 潘存鸿,鲁海燕,郑君,于普兵.  水力发电学报. 2010(04)
[4]《蓄滞洪区建筑工程技术规范》的特点和主要内容[J]. 王开顺.  建筑科学. 1995(01)



本文编号：3591959