可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型

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第24卷第3期2013年5月水科学进展ADVANCESINWATERSCIENCEVol．24，No．3May，2013

可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型

袁1晶，张22为，张小峰

（1.长江水利委员会水文局，湖北武汉430010；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072）

摘要：传统固定结构的计算网格不适于处理计算边界动态变化的问题，利用动网格技术，结合土力学中粘性土河

岸的崩塌机理，建立了可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型，在对模型进行验证对比的基础上，对北江下游

的大塘围蓄滞洪区口门处的崩塌展宽过程进行了模拟，模型计算结果表明：随着溃堤水流对堤防土体的冲蚀，堤防发生崩塌破坏，溃口洪水流量迅速增大，与实际相符，说明通过采用可变网格与土力学中粘性土河岸崩塌机理

相结合的计算方法，使得模型具备准确模拟蓄滞洪区口门处横向崩塌展宽过程的优点。

关键词：蓄滞洪区；堤防溃口；数值模拟；可变网格

中图分类号：TV147文献标志码：A6791（2013）03-0358-08文章编号：1001-

蓄滞洪区作为防洪工程体系中的重要一环，在江河防洪中发挥着极其重要的作用。研究分蓄洪区堤防崩塌展宽过程以及区内的洪水演进过程，对于防洪、减灾具有十分重要的意义。在洪泛区运用过程中，当分洪口门人工扒口或自由破堤之后，口门处的冲刷崩塌现象相当严重，，现有的泥沙数学模型，一般仅能模拟河床的纵向冲淤过程，较难直接模拟堤防的横向冲刷与崩塌过程，若在模拟过程中忽略其变化，则会产生较大误差。为准确分析蓄滞洪区内的洪水演进特性，首先对分洪口门处的溃口展宽过程进行较为精确的模拟，

［2-3］、Darby至目前为止，不少专家学者对此曾作过较为深入的研究，其中，最具代表性的是Osman和Thorne

等［4］［1］［5］提出的河岸稳定性计算方法，在此基础上，陈珺等对河岸冲刷过程的力学模拟方法进行了改进，提

［6］出了河床变形的平面二维混合模型，梁林和倪晋仁将其应用到黄河溃堤口门展宽过程的计算中，计算结

果较好。然而，在计算溃口口门的崩塌展宽过程时，随着口门堤防的崩塌，需要模型能够动态地改变口门处的计算边界、移动网格，前述固定网格下的数学模型很难协调蓄滞洪区内大尺度和溃口口门处小尺度网格之间的矛盾，处理溃口展宽这种问题，无结构网格在动态地增加网格方面也存在较大困难。假冬冬等建立了考虑河岸变形的三维水沙数值模型，采用局部网格可动技术处理由河岸崩塌引起的河道摆动过程，不过受到计算速度的局限，三维水沙数学模型的计算范围也受到限制。

本文在平面二维水流泥沙数学模型的基础上，采用动网格技术，建立了可变网格下的平面二维堤防溃口展宽数学模型，通过将模型计算结果与实测资料进行对比，初步分析了模型的适用性；以北江下游的大塘围蓄滞洪区作为研究对象，模拟考虑与不考虑口门横向展宽的分洪过程，通过比较两者的计算结果，进一步验证可变网格下堤防溃口展宽数学模型的可靠性。［7］

1可变网格下堤防溃口展宽数学模型的建立

本文通过建立可变网格下的平面二维堤防溃口展宽数学模型，对蓄滞洪区的堤防溃口展宽过程进行了模拟和分析。模型所采用的基本方程如下：

07-20；网络出版时间：2013-03-27收稿日期：2012-

网络出版地址：http：//http://www.wenkuxiazai.com/KCMS/detail/32.1309.P.20130327.1514.012.html

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2012CB417001）；国家自然科学基金资助项目（51009109）作者简介：袁晶（1979－），女，湖北潜江人，高级工程师，博士，主要从事水沙数值模拟、河床演变等研究。

E-mail：13471654@

mail：zw97082@通信作者：张为，E-

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