梯级水库群连锁溃决水流特性试验及灾害响应机制研究

Dam-break flow can cause catastrophic disasters and huge losses, especially when consecutive break happens in some valley cascade reservoirs. The physical model tests are designed to investigate burst of a series of dams due to extreme dynamic loads, such as violent earthquakes, catastrophic floods, etc. A flume will be constructed with variable slopes, alternately straight and curved river reach from upstream to downstream. The process of dam-break and flood evolution will be captured and recorded using open channel flowmeters, laser Doppler velocimeters, pressure sensors, advanced cameras and wave height gauges, and so on. The multivariate regression analysis and cluster analysis methods are employed to deal with test data, and ENVI, an advanced image processing technology, is applied to extract image information. In different water depth of the upstream reservoir, in different channel slope, in three kinds of different break conditions, a challenging task will be carried out to investigate flow characteristics and flood patterns about one dam failure or failure of cascade dams, and multiple and overlap flood is how to propagate in the downstream cascade reservoirs and what is disaster response mechanism. The research results are very important to develop dam-break hydraulic theory, flood control and disaster reduction, dam disaster analysis and flood warning, etc.

溃坝水流会引起严重灾害，极端事件(如，大地震、大洪水等)导致的梯级水库群溃坝洪水引起的灾害更加严重。本课题拟以梯级水库溃决水流为研究对象，以物理模型试验为主要研究方法，建立具有变坡、变弯道、直弯交错、逐渐落差特征的梯级水库群模型。采用明渠流量计、激光多普勒测速仪、压力传感器、摄像机和波高仪等仪器记录洪水水流参数变化过程，采用多元回归分析和聚类分析方法处理试验数据，引入ENVI高级影像处理技术解译影像信息。在不同的上游水库坝前水深、不同的河道坡度等条件下，开展上游溃坝洪水在下游静水体中的演进规律、梯级水库群上游溃坝洪水在下游库区内的水流特性和演进规律研究，特别是连锁溃决形成的叠加洪水在下游库区内的演进规律和坝前水深激增效应对坝面应力突变灾害响应机制研究，探索梯级水库群连锁溃决洪水动力学理论，为防洪减灾、溃坝灾害性分析和建立河流洪水预警系统提供理论依据。

梯级水库群的安全涉及人类公共安全，水库大坝可能会因使用年限过长、特大暴雨、强烈地震、战争等因素诱发溃坝，一旦发生溃坝会对下游造成不可估量的重大损失。在计划执行过程中，课题组按照申请书的研究内容和研究计划完成了项目的基本任务，先后采用数值模拟、理论分析和模型试验等方法对梯级水库溃坝洪水水力特性、溃口发展过程、水位过程和洪水演进规律等开展了大量研究。利用多元回归分析方法分别建立了土石坝漫顶和管涌两种溃决模式下洪峰流量和溃口平均宽度的数学预测模型。采用梯级水槽物理模型开展了两级水库大坝在上游大坝瞬间溃决而下游大坝不溃决工况下的试验，采用梯级土石坝物理模型研究了大坝溃口形成过程、溃决洪峰流量变化过程以及土石坝纵向裂缝发展规律和坝体溃决过程。研究结果表明：上游溃坝洪水进入库区后，在紊动剪切作用下推动下游库区内静止的水体向下游坝面运动，当溃坝洪水到达下游坝面时，受到坝面阻挡，在惯性作用下沿着下游坝面向上爬升，溃坝洪水的动能逐渐转化为势能;当其所具有的动能转化为势能后，在洪水自身重力的作用下加速下落形成坝面水跌，并向上游库区回流;最大洪峰到达坝面向上爬升过程中，坝面会出现最大应力，此时坝体最容易出现溃决;上游两级水库连锁洪决后，溃洪高速洪水叠加进入下游库区，洪水通常会漫过坝顶向下倾泻，造成土石坝漫顶溃决。.本研究阐明了梯级水库连锁溃决会引起坝前水深激增效应，洪水叠加作用对下游水库大坝安全会造成严重威胁，所揭示的洪水演进规律、叠加洪水演进的时空特征和水流特性、溃口发展机理等对丰富梯级水库群连锁溃决洪水动力学理论具有重要的科学意义，能够为防洪减灾、溃坝灾害性分析和建立洪水预警系统提供理论参考。