河道溃堤水流的物理实验与数学模型研究

发布时间：2020-11-09 07:38

　　 河道堤防在洪水灾害防治、水利资源利用等方面起到了重要作用。但是当洪水超过一定界限后,堤防工程将会面临失效的风险。一旦河道溃堤发生,洪水的泛滥将带来巨大的生命财产损失。对河道溃堤水流特点和规律进行研究,有助于做好防灾减灾预案,应对可能引发的灾害。现有针对溃堤的研究多集中于应用数学模型进行模拟,而现场观测和物理实验等直接观测察的成果非常有限。溃堤问题具有其自身特性,河道内流速、水位的变化和溃堤过程相互耦合,也不能简单地将溃坝的研究成果直接应用于溃堤研究中。目前针对溃堤水流特性的深入分析仍较为缺乏。本研究采用物理实验与数学模型相结合的方法,从水动力学的基础研究出发,在简化条件下着重研究溃堤发生后河道和洪泛区水流的演变特性。物理模型实验在大型室内水槽中进行,模拟了溃堤后洪水在溃口外洪泛区内的演进和落水波在河道内的传播过程,通过压力传感器阵列和声学多普勒流速仪对溃堤引发的水位、流量波动和演变过程进行了测量和研究。数学模型采用基于二维浅水方程的DIVEST-TVD模型,该模型可模拟从亚临界流到超临界流的复杂流态及其演变过程。模型结果应用实测数据进行了较为全面的验证,并对溃堤水流的流速分布、溃口流量等影响因素方面进行了分析和研究。研究结果表明:(1)河道溃堤水流的变化主要有三个不同的阶段,分别为:以重力坍塌作用为主的溃堤初期、河道流量逐渐替代重力成为主导作用的过渡期和以来流流量为主导作用的稳定分流期;(2)在洪泛区,河道来流流量对溃堤水流的传播产生向下游偏移的影响,在一定范围内,河道来流流量越大,则偏移的程度越大;(3)河道内,溃堤产生的落水波向上下游的传播存在明显的不对称性,落水波向上游的传播速度较下游慢,但受到落水波影响上游水位骤降幅度较大且流量增加;(4)溃口流量过程在溃堤不同阶段有不同的表现,在溃堤初期出现峰值,而到了稳定分流期,溃口分流的大小主要取决于由上、下游流量差,同时受到溃口宽度和底部糙率的影响。本文研究成果可为溃堤洪水动力学分析提供可靠的数据,为其他数学模型提供较为完整的验证资料,对河道溃堤洪水的预防和灾害控制提供科学的支撑作用。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TV122.4;TV131.6
【部分图文】：

图 1.1 溃堤灾区航拍（来源：中新网）因此，溃堤洪水相关的风险信息，例如洪水到达时间、流速、淹没、淹没水深等，对防灾减灾具有特别重要的意义，对于溃堤洪水的管预测方面具有实际价值。溃堤水流的这些信息是防洪决策者制定合理

图 1.2 室外实验（欧洲 IMPACT 项目）于溃坝的物理模型试验各国学者都比较重视，例如欧洲的 IMP0]，以及 Fraz o 进行的一个在渠道上有三角形潜坝的溃坝水流raz o 的实验突出表现了溃坝洪水波在干底斜坡上的传播特征，

室内溃堤实验图
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 魏红艳;余明辉;李义天;吴松柏;;粉质黏土堤防漫溢溃决试验[J];水科学进展;2015年05期

2 苑希民;田福昌;冯国娜;王丽娜;;溃堤洪水的二维水动力模型及其应用[J];南水北调与水利科技;2015年02期

3 钟登华;李超;孙蕊蕊;刘肖军;程正飞;;长距离调水工程高填方渠道溃堤三维洪水演进情景仿真[J];水力发电学报;2015年01期

4 陈文龙;宋利祥;邢领航;张文明;周建中;;一维-二维耦合的防洪保护区洪水演进数学模型[J];水科学进展;2014年06期

5 曹留伟;钟桂辉;刘曙光;武秀根;;人在洪水中的稳定性分析[J];同济大学学报(自然科学版);2013年11期

6 曹留伟;刘曙光;钟桂辉;;基于结构及人身安全的住宅建筑洪水破坏分析[J];自然灾害学报;2013年01期

7 谢长飞;孙志林;缪斌;许雪峰;;围填海溃堤洪水演进数值模拟[J];海洋学研究;2012年03期

8 贺晓雷;迟晓珠;唐胜武;赵佳龙;;一种新型高精度大气压力传感器的研究[J];电子测量技术;2012年06期

9 韩平;程先富;;洪水灾害损失评估研究综述[J];环境科学与管理;2012年04期

10 姚秋玲;孙东亚;王新春;;江西抚河唱凯堤溃堤调研及原因分析[J];中国防汛抗旱;2012年02期

相关博士学位论文 前4条

1 魏红艳;均质土堤漫溢溃决过程试验研究及数值模拟技术[D];武汉大学;2014年

2 丁勇;河流洪水风险分析及省级洪水风险图研究[D];大连理工大学;2010年

3 王鑫;不规则地形上浅水动力学数值模型研究[D];武汉大学;2010年

4 张大伟;堤坝溃决水流数学模型及其应用研究[D];清华大学;2008年

本文编号：2876106