滑坡堰塞湖潰壩影響因素數(shù)值模擬

李 楊

（撫順市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧撫順113006）

滑坡堰塞湖潰壩影響因素數(shù)值模擬

李 楊

（撫順市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧撫順113006）

文章對滑坡堰塞湖潰壩風(fēng)險進(jìn)行分析、監(jiān)測和控制是滑坡災(zāi)害至關(guān)重要。通過Fluent軟件構(gòu)建潰壩洪水波模型，對滑坡堰塞湖潰壩影響因素進(jìn)行模擬，并將結(jié)果與Martin標(biāo)準(zhǔn)實驗做對比。研究結(jié)果表明：在不同潰決時間下，洪水流量變化圖呈現(xiàn)顯著的“先升后降”特征，然而洪水流量峰值出現(xiàn)時刻存在顯著差異；潰決時間越少，潰壩對下游造成的破壞程度越大，影響范圍也越寬廣。

水利工程；滑坡災(zāi)害；堰塞湖；潰壩事故

在地震、泥石流或者大型工程建設(shè)后，山谷兩側(cè)巖石和土壤等可能出現(xiàn)滑坡，從而堵塞河道形成堰塞湖［1］。由于堰塞湖本身構(gòu)造具有不穩(wěn)定性，極易誘發(fā)次生災(zāi)害。比如，2008年汶川地震后，形成數(shù)百個堰塞湖，在余震、暴雨等地質(zhì)或氣象作用下，堰塞湖存在較高潰壩風(fēng)險，對下游居民安全造成嚴(yán)重隱患。因此，有必要采取適當(dāng)?shù)姆椒?、技術(shù)，對滑坡堰塞湖潰壩影響因素進(jìn)行分析，以便制定科學(xué)、合理而具有可操作性的防范措施［2］。

本研究擬通過Fluent軟件構(gòu)建潰壩洪水波模型，對滑坡堰塞湖潰壩影響因素進(jìn)行模擬，并將結(jié)果與Martin標(biāo)準(zhǔn)實驗做對比。希望該研究能夠起到三方面的作用。

第一，對潰壩危害程度作模擬，以便確定更加科學(xué)的防洪設(shè)計等級；

第二，對潰壩影響范圍作模擬，以便一旦出現(xiàn)事故及時地對下游進(jìn)行疏散；

第三，為潰壩事故災(zāi)后分析提供可資借鑒的方法和工具。

1 潰壩洪水波數(shù)學(xué)模型

1.1 模型構(gòu)建

以Martin模型為參考，構(gòu)建潰壩流動模型［3］。如圖1所示，該模型包含水體（water）、壓力出口邊界（pressure out）以及固體壁面邊界（wall）三個條件［14］。其中，水體高度、寬度的初始值分別為0.20m、0.10m。模型實踐步長Δt=0.0005s，單元網(wǎng)格尺寸為Δx×Δy=4cm×4cm。

圖1 潰壩洪水波模型

1.2 結(jié)果驗證

為驗證模型效果，本研究分別對t=0.1s、t= 0.15s、t=0.2s和t=0.3s時刻的潰壩洪水波進(jìn)行計算。

結(jié)果表明，各個時刻下的洪水波始終處于壓力出口邊界、固體壁面邊界內(nèi)；流體前部質(zhì)點速度隨著前端壓力的增加而提升，后部質(zhì)點速度隨著后端壓力的降低而下降；模型能夠?qū)α黧w質(zhì)點活動作準(zhǔn)確表達(dá)，模型與潰壩洪水實際較為吻合。

在驗證過程中，充分借鑒了Martin等人的研究成果，并嚴(yán)格依據(jù)如下公式對潰壩洪水波模擬值、潰壩標(biāo)準(zhǔn)實驗值作對比［5-7］：

在水體高度H=0.20m、水體寬度a=0.10m、n2=2時，可求取標(biāo)準(zhǔn)化水波表達(dá)式。如圖2所示，實線部分為Martin等人的標(biāo)準(zhǔn)實驗結(jié)果，它與本實驗的計算結(jié)果具有較為理想的一致性。

圖2 時間-波前鋒位置標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)系

2 潰決模式對潰壩波的影響

不同潰決模式下，水體流速、前鋒高度、剩余壩體高度等都會存在差異，因而會形成不同的潰壩波特征?？梢姡瑵尾ㄅc潰決模式之間存在緊密聯(lián)系。如圖3所示，對完全潰壩模式、1/2潰壩模式以及1/3潰壩模式下的流量變化情況進(jìn)行進(jìn)行對比。在x=0.10m處，隨著潰壩時間推進(jìn)，三種潰壩模式下洪水流量都呈“先增后降”特征；在同一時刻下，潰壩開口越大，洪水流量也越大。

圖3 時間-潰壩流量關(guān)系變化圖

3 河道工況對潰壩波的影響

3.1 不同水深比潰壩波分析

為分析水深比對潰壩波所造成的影響，本研究共設(shè)置了0、0.10和0.45三個水深比。結(jié)果表明，對壩體上游而言，不同時刻下的波形特征較為一致，水深比對潰壩波無顯著影響；對壩體下游而言，水深比越小，洪水峰值越多，潰壩波的推動速度也越快。

3.2 不同坡降比潰壩波分析

本研究中，在壩體下游共設(shè)置了0.10、0.20和0.50三個坡降比，并將初始水體高度、寬度以及河道長度分別設(shè)定為0.20m、0.20m和0.90m。如圖4所示，為下游x=0.40m處的時間-流量走勢圖。由圖4可知，三種坡降比下洪水流量都呈“先增后降”特征；在0.05s至0.45s之間的同一時刻下，坡降比越大，洪水流量也越大；其它時刻段，三種坡降比下的洪水流量十分一致。

圖4 時間-流量變化曲線

圖5 洪水前鋒隨時間到達(dá)的位置

如圖5所示，隨著時間推進(jìn)，三種坡降比下的洪水前鋒都向下游推動。在0.28s之前，三類洪水前鋒所處位置幾乎一致。0.28s以后，0.5坡降比下的洪水前鋒推動速度最快，所處位置最靠前?？梢姡?.28s后同一時刻下洪水前鋒位置與坡降比呈正比關(guān)系。

3.3 不同彎曲程度潰壩波分析

在研究河道彎曲度對潰壩波的影響時，構(gòu)建正弦模型，并共設(shè)置了0.062、0.125、0.250和0.312四個彎曲度水平；同時，將河道水平長度、寬度和波幅分別設(shè)置為1.21單位、0.05單位和0.10單位。

圖6 不同彎曲度下自由面分布情況

如圖6所示，在t=1.0s時刻，4種彎曲度下的自由面分布存在細(xì)微差異。其中，在彎曲度為0.062時，洪水自由面為0.251單位；當(dāng)彎曲度為0.125時，洪水自由面為0.250單位；當(dāng)彎曲度為0.250時，洪水自由面為0.249單位；當(dāng)彎曲度為0.312時，洪水自由面為0.232單位。可見，彎曲度會在一定程度上降低自由面。另外，隨著彎道增大，洪水在向前推進(jìn)過程中會消耗更多能量，其推進(jìn)速度會被逐漸降低。

4 潰決時間對潰壩波的影響

在研究壩體潰決時間對潰壩波的影響時，共設(shè)置了0.10s、0.20s和0.30s三個潰決時刻。在實驗初始時，將水體高度、水體寬度以及水槽長度分別設(shè)置為0.20m、0.10m和0.40m。同時，將壩體設(shè)定位剛性結(jié)構(gòu)，且其高度值為0.20m。

4.1 潰決時間對洪水流量的影響

如圖7所示，在3種潰決時間下，洪水流量變化圖呈現(xiàn)顯著的“先升后降”特征。然而，三種潰決時間下的洪水流量峰值出現(xiàn)時刻存在顯著差異。

當(dāng)潰決時間為0.10 s時，潰口初始值最大，洪水流量在0.02s內(nèi)達(dá)到0.005m3/s。隨著時間推進(jìn)，潰口越來越大，在0.14s時刻便出現(xiàn)水流峰。之后，洪水能量被大量消耗，流量快速下降。

當(dāng)潰決時間為0.20 s時，潰口初始值較小，在0.14s時刻之前，洪水流量一直低于0.004m3/s。當(dāng)洪水時間推進(jìn)到0.14s后，流量跳躍性地上升至0.008m3/s。此后，流量快速增加，并在0.195s達(dá)到峰值后快速下降。

當(dāng)潰決時間為0.30 s時，潰口初始值最小。隨著時間推進(jìn)，洪水流量逐步上升并在0.25s達(dá)到峰值。之后，洪水能量被大量消耗，流量逐步下降至平穩(wěn)狀態(tài)。

圖7 潰決時間-洪水流量關(guān)系圖

4.2 潰決時間對水面高程的影響

如圖8所示，在t=0.30s時刻，潰決時間越短，洪水能夠到達(dá)的位置就越遠(yuǎn)。當(dāng)潰決時間為0.10s時，0.35m位置處水體高程超過0.02m；當(dāng)潰決時間為0.20s時，0.35m位置處水體高程約為0.01m；當(dāng)潰決時間為0.30s時，0.35m位置處已經(jīng)不會受到洪水影響，且最近受影響位置為030m處。由圖8可知，潰決時間越少，潰壩對下游造成的破壞程度越大，影響范圍也越寬廣。

圖8 潰決時間對水面線高程的影響

5 結(jié)語

通過Fluent軟件構(gòu)建潰壩洪水波模型，對滑坡堰塞湖潰壩影響因素進(jìn)行模擬，并將結(jié)果與Martin標(biāo)準(zhǔn)實驗做對比。結(jié)果表明，本研究所構(gòu)建模型具有較高合理性及適用性。研究得出如下幾點結(jié)論。

（1）對壩體上游而言，不同時刻下波形特征較為一致，水深比對潰壩波無顯著影響；對壩體下游而言，水深比越小，洪水峰值越多，潰壩波的推動速度也越快。

（2）0.10、0.20和0.50三個坡降比下，洪水流量都呈“先增后降”特征；在0.05s至0.45s之間的同一時刻下，坡降比越大，洪水流量也越大；0.28s后，同一時刻下洪水前鋒位置與坡降比呈正比關(guān)系。

（3）彎曲度會在一定程度上降低自由面；隨著彎道增大，洪水在向前推進(jìn)過程中會消耗更多能量，其推進(jìn)速度會被逐漸降低。

（4）在不同潰決時間下，洪水流量變化圖呈現(xiàn)顯著的“先升后降”特征，然而洪水流量峰值出現(xiàn)時刻存在顯著差異。

（5）潰決時間越少，潰壩對下游造成的破壞程度越大，影響范圍也越寬廣。

［1］高大鵬.橡膠壩庫區(qū)水面不連續(xù)問題解決方案設(shè)計優(yōu)化［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2014（05）：61-62.

［2］王海麗.水庫大壩潰壩事故洪水預(yù)測數(shù)值計算研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2016（02）：56-57+72.

［3］喻少平.葉爾羌河下游河道演變及治理思路探究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2015（04）：9-11.

［4］徐娜娜，邢愛國.滑坡堰塞湖潰壩波影響因素分析［J］.人民黃河，2012，34（01）：83-85+88.

［5］黨潔.地震誘發(fā)新疆烏吐勁堰塞湖形成過程的遙感研究［D］.新疆師范大學(xué)，2015.

［6］梁志山，牟萍，袁明道.廣東省梅豐水電站A壩潰壩影響初步分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2013（08）：48-50.

［7］徐娜娜.大型滑坡涌浪及堰塞壩潰壩波數(shù)值模擬研究［D］.上海交通大學(xué)，2011.

P315.9

A

1008-1305（2017）01-0146-04

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.044

2016-04-30

李 楊（1979年—），男，工程師。