基于MIKE21模型的淤地坝溃决过程数值模拟

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黄土高原地区是中国最严重的水土流失区域之一,黄土高原地区建设了大量的淤地坝,其为防治水土流失、减轻泥沙冲刷入黄、提升粮食产能等方面发挥了重大的经济和社会效益。随着黄土高原极端气候的频繁发生,并且由于淤地坝建设时间早,泄水设施不全,且淤积库容减小的问题,时常发生淤地坝漫顶溃决的情况,这对防洪安全,粮食安全以及人民群众生命财产安全等方面造成了不利影响。因此,开展淤地坝的溃坝研究对于防洪安全、泥沙治理等有着重要的意义。在溃坝研究领域,数值模拟方法尚处于发展阶段,其难点在于对于溃口演变过程的模拟,溃口的发展将极大的影响到下泄水流的流量过程,而下泄的流量过程,又会影响溃口的发展,并作用于下游洪水演进过程。针对这些问题,本文展开的研究及主要成果包括有以下两方面:(1)采用DB-IWHR模型针对某均质土坝计算获得溃口发展演变过程及其相应的下泄流量过程,在此基础上通过MIKE21软件的水动力模型(HD)进行了下游洪水演进分析,获得了下游流场分布特性。研究结果表明,溃坝发生后,下泄流量在较短的时间内即达到最大值,此后随时间的推移,溃口流量呈指数曲线逐渐减小,下泄峰值流量与溃口宽度和深度正相关。溃口下游厂房区的最大流速范围介于0.5m/s至2.2m/s,此处流速衰减主要由于厂房区与坝体区域之间形成的滞洪区极大减小了洪水流速。溃坝下泄峰值流速取决于溃口宽度、深度、上下游水位差。溃口位于主坝段时,下游无滞洪区,且上下游高差较大,因此形成的溃坝流速及流量均较大,最大流速可达7m/s。(2)通过MIKE21软件的水动力模型(HD)和泥沙输移模型(ST),讨论分析了推移质悬移质不同计算公式条件下,推悬比不同、材料孔隙率不同、粒径不同、泥沙水下休止角不同以及有无螺旋流对淤地坝体溃决过程的影响,并获得了合理的计算参数和计算结果。研究结果表明,推移质占比、孔隙率与冲刷强度正相关;粒径较大时,溃口呈现窄深式特征;泥沙水下休止角越大时,冲沟的发展越快;考虑螺旋流的情况下,其对冲刷河槽演变弯曲程度表现出一定影响。数值模拟的溃口发展过程可以概化为七个阶段。
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