基于真实溃决过程的土坝溃口复杂水动力结构研究

The key technical problem of earth dam break is the hydaodynamics of breach. However, it is very complex and diffcult because the process of dam breach formation is strongly nonlinear,transient which involves hydraulic, sediment transport mechanics and soil mechanics. So far, the prediction accuracy of peak flow of dam breach only reach 50%. The predition of breach time is worse than that of peak flow. This project is based on the results of field tests and flume tests conducted by applicant. The dam breach process is divided into 5 diffient phases which reflect the real dam breach process of embankment due to overtopping. At every phase the hydraulic characterics,espatial for the spiral flow, will be studied respectively by experiments and numerical simulation. The geomethic characterics and hydaulic characterics will be stduied in each phase.The amount,scale,strength and dircetion of spiral flows will be obtained. The relationship between breach size and spiral flow characteristics will be acquired. The project will be useful to know the flow turbulence and acquire the mechanism of occurrence and development of dam breach. It is of great significance to improve the forecast accuracy of discharge process in the breach, promote the development of dam breach hydraulics.

土坝漫顶溃决机理研究的核心问题是获得溃口复杂水流结构，然而由于土坝溃决过程具有强非线性、非恒定性等特征，且同时涉及水力学、泥沙运动力学、土力学的多学科交叉，研究具有相当的难度，迄今土坝溃口峰值流量的预测精度仅达到50%，溃决时间的预测精度更差。本项目拟基于申请者前期开展的现场大尺度溃坝实体模型试验、室内水槽试验成果，结合土坝漫顶溃决真实过程，将土坝溃决划分为5个阶段，对各典型溃决阶段溃口水流特性，特别是前期发现的溃口双螺旋流结构等，开展模型试验及数值模拟研究，分析不同溃决阶段溃口几何特性，研究各溃决阶段溃口螺旋流数量、尺度、强度、方向，获得不同溃决阶段溃口几何形态与溃口螺旋流动力特性之间的相互关系。项目的实施有助于了解不同溃决阶段坝体冲蚀动力，理解大坝溃决发生、发展的机理，提高溃口流量、溃决速率预报精度，推动溃坝水力学学科发展。

项目的背景：大坝给人类带来了巨大的社会和经济效益，然而由于种种原因，相当一部分大坝存在安全隐患，一旦失事溃决，将给下游带来巨大的生命财产损失。溃坝事件多发生于土石坝，且是一个逐渐溃决的过程，溃口流量过程的预报精度直接决定了洪水演进计算的准确性。探索土石坝溃决机理，对于提高溃决时间、溃口流量过程预报精度，推动溃坝水力学学科发展等具有重要的科学价值。..主要研究内容为：（1）溃口水流主动力影响因素分析；（2）溃口螺旋流结构动力特性研究；（3）复杂三维水动力结构对溃口三向发展过程的影响研究...重要成果和关键数据：（1）获得了溃口水流螺旋流结构动力特性。获得了跌坎冲射水流动力结构，坎下回流区特征，回流区内漩涡紊动水流结构；坝面剪切应力分布特征，跌坎垂直面上剪切应力分布特征。跌坎高度与冲射水流落点位置、流速等关系；（2）获得了复杂三维水动力结构对溃口发展过程的影响。跌坎水平面上最大水流剪切应力比垂直面上剪切应力要大很多，甚至可达几十倍，黏性土坝漫顶溃决过程中各级跌坎主要以“台阶水平面刷深下切”的方式进行合并。（3）基于大量试验研究，分析了土料干密度、净切应力、冲刷系数、泥沙指数等与土体冲蚀特性的关系。提出泥沙指数确定方法。利用该泥沙指数可以有效的区分坝体土料的抗冲蚀能力，并评估坝体抗溃决能力。..本项目的实施对于理解土石坝溃决机理，认识土石坝坝体冲蚀特性，提高土石坝溃坝预测预警能力具有重要的意义。