溃坝过程和水流特性的试验研究

Dam breaks cause severe flooding. The dam-breaking process involves tremendous complexity due to interaction with the coupling flow, presenting a great challenge that dwarfs theoretical or numerical efforts. This study uses experimental methods to gain a systematic understanding of the dam-break phenomenna...This project is based on an automatic experimental platform that consists of physical model, electromagnetic flowmeter, ultrasonic water level meter, and several new measurement techniques including the dam-break tracker and a novel velocimetry which combines CCD camera and matrix laser light to achieve velocity measurement across a complex flow surface...A series of experiments will be carried out to study the influence of various materials, flow parameters, and sizes of break opening with measurement of discharge, surface characteristics, and 3D velocities of the flow and the progressing of the break. ..Analysis of measured data is expected to yield the following results, including (1) the relationship between flow discharge and the breaking process based on a deeper understanding of the coupling mechanism, and (2) variation of hydraulic gradients and the influence of water depth and flow velocity on the speed of breaking development, and (3) major factors affecting retrogressive and progressive erosions and the corresponding threshold. ..The study provides basic data for numerical model verification and emergency-management platforms.

堤坝溃决洪水的灾害巨大，溃决过程的影响因素复杂，且与水流特性密切相关并相互制约。现有的理论分析和数值计算均较难模拟溃坝的真实过程，本项目拟开展系统的试验研究。.构建全自动的试验平台，包括实体模型、电磁流量计、超声水位计。研发具有自主知识产权的测量仪器：坝体溃决示踪器；基于摄像机和激光矩阵光斑的复杂曲面和表面流速场的测量系统，实现从传统的点扫描到面同步动态测量的跨越。.进行各种坝体材料、各种水流条件、多种溃口宽度的系统试验，测量溃坝过程中的流量过程、坝体溃决过程、水面曲面形态和表面流速三维矢量动态分布等。.分析坝体溃决与水流特性的耦合关系和反馈机制，得出坝体溃决过程与流量过程的关系；不同坝体材料的起动条件；水力坡降的变化特征，溃口水深、流速的变化规律及对坝体溃决速度的影响；坝体溃决溯源冲刷与沿程冲刷的影响因素及判别条件等。.研究成果可为溃坝数学模型提供验证参数，为国家应急平台提供基础数据。

蓄水工程的失事均由坝体溃决引起，土石坝则是最易溃决的坝型。坝体溃决后，其下游的生命财产将遭受巨大损失，产生极大的灾害。本项目构建了大型试验水槽，用变频水泵和电磁流量计控制流量过程、超声水位计检测坝上下游的水位变化。三项发明专利及三维水面形态和三维流速矢量动态变化的计算软件为本项目的关键技术。采用非均匀沙砾料构筑坝体，进行了多种水流条件和溃口形式的试验，得出溃坝水舌表面流场的动态变化过程，坝体溃决过程与流量过程的关系，以及溃坝泥沙在下游淤积厚度的分布和级配变化等重要成果。.发明专利“坝体溃决示踪器”采用移动即停的模块构造，将其预埋在坝体的标定位置，其移动停止的时间即代表其所在位置的坝体溃决时间，首次精确记录了坝体溃决的时空变化过程。.研发了大范围复杂水面形态及表面流场测量系统，主要由水面示踪粒子和高速摄像机构成，在水面投放示踪粒子和水面纹理示踪相结合提取水面特征点，利用双目视觉技术的极线校正、ξ方向校正及匹配几率法进行两台摄像机同名点的高精度匹配，实现水面形态的重构；根据四帧图像特征点的时间空间匹配，即可计算出相应的三维流速场。.薄壁堰流的表面流速的垂向分量大致满足自由落体运动规律，纵向流速很小，到水舌下端快速增加至明渠水平流速。在土砾石坝中间开引导槽的工况下，水流漫过引导槽在坝面上形成长方形水面；随着坝脚处的侵蚀，开始溯源冲刷，并在两侧形成回旋流掏蚀坝体，形成裂缝并产生崩塌；垂向溯源侵蚀与底部侧向掏蚀形成的崩塌是该类型坝体溃决发展的主要形式。在全面漫顶的工况下，水流对坝体沿程冲刷，具有较好的二维特征；坝肩下沿断面处的水位近似线性减小，直至与坝脚处的水面衔接。溃坝泥沙随水流下泄沿程淤积，平均淤积深度沿程减小、级配近似线性变细。.项目研究的成果发表学术论文4篇，获授权发明专利2项，培养博士研究生1名。本项目的研究成果可为溃坝数值模拟提供验证的基础数据。