堤防決口封堵的水力學特性

李火坤，曾智超，鄧冰梅，張利榮，李宜忠

(1. 南昌大學建筑工程學院，江西南昌 330031; 2. 中國人民武裝警察部隊水電第二總隊，江西南昌 330096)

堤防決口封堵的水力學特性

李火坤1，曾智超1，鄧冰梅1，張利榮2，李宜忠2

(1. 南昌大學建筑工程學院，江西南昌 330031; 2. 中國人民武裝警察部隊水電第二總隊，江西南昌 330096)

堤防決口搶險需以水流水力學特性為依據(jù)，封堵方法亦直接影響其封堵效率。首先對決口水流遇障礙物的洪水演進過程進行模擬，將水深計算結果與Biscarini等的試驗數(shù)據(jù)進行對比，結果吻合較好，驗證了數(shù)值模型的可靠性、準確性。以上饒市某一河道為例，基于FLOW-3D軟件建立了堤防決口水流模擬的三維數(shù)值模型，對立堵法、平堵法封堵決口進行數(shù)值模擬，得到封堵過程中決口附近水位場和流速場分布規(guī)律。數(shù)值模擬結果顯示：該堤防決口進口附近立堵法、平堵法塊石前水位壅高明顯，流速增大，最大水深分布在決口靠右位置，最大流速分布在決口靠左位置。根據(jù)決口附近流速分布規(guī)律，封堵時建議先對左側決口堤腳進行裹頭處理，而后可考慮采用大粒徑塊石單體拋投以降低流速，再采取群體拋投方式進占合龍。所用模擬方法和數(shù)值模型可為堤防搶險及制定堤防決口封堵方案提供參考。

堤防決口； 封堵方法； 水力學特性； FLOW-3D

河道堤防工程是人類長期與水澇災害做斗爭的產(chǎn)物，是居民安全生產(chǎn)、生活的保障。堤防失事已成為洪水災害爆發(fā)的一個重要因素。在堤壩潰決后進行迅速有效的封堵，以防御可能的二次洪水襲擊、降低堤壩潰決災害損失。決口搶險需以現(xiàn)場的水力學特性參數(shù)為依據(jù)，選擇合適的封堵方法快速有效地進行[1]。因而通過研究堤防決口不同封堵方法的水力學特性，并據(jù)此制定快速且準確有效的搶險封堵措施具有重要意義。堤防決口封堵方法[2]主要分為平堵、立堵和混合堵3種?；旌隙路ㄊ菍⒘⒍屡c平堵相結合的方法，可取長補短。20世紀40年代以前以平堵為主，50年代后立堵法逐漸被采用并得到廣泛應用[3]。

早期堤壩潰決以分析研究潰壩水流運動的理論解為主，但簡單依靠理論解解決實際潰決問題并不是很有效[4]。在理論研究基礎上，數(shù)值模擬求解能較好地彌補一些不足。1986年，Garcia等[5]將數(shù)學模型的數(shù)值解和基于Saint-Venant方程組的一維無摩擦潰壩解析解進行了對比驗證；1992年，Toro[6]通過有限差分法WAF利用TVD形式求解二維潰壩問題；2003年，魏文禮等[7]在求解二維淺水方程基礎上建立了模擬大壩瞬間全潰或局部潰倒所致的洪水演進過程數(shù)學模型，并預測矩形河道情況下大壩瞬間局部潰倒時下游有多個障礙物的洪水演進過程。2005年，王志力等[8]對存在多處險灘和深潭的地形復雜河段采用非結構化網(wǎng)格有限體積法進行實際模擬，結果吻合較好。2011年，岳志遠等[9]基于非結構三角網(wǎng)格系統(tǒng)的非恒定淺水二維水流數(shù)學模型對4個經(jīng)典算例進行模擬。2014年，冶運濤等[10]建立適應于結構網(wǎng)格的復雜邊界淺水流動高分辨率高精度有限體積數(shù)學模型對非平底地形潰壩水流算例和超臨界流傾斜水躍算例進行驗證。本文針對長直河道下T形決口，采用數(shù)值模擬方法，模擬堤防決口不同封堵方法的封堵過程，對比分析其水力學特性[11]。

1 基本理論

FLOW-3D采用獨創(chuàng)的FAVOR方法及真實的Tru-VOF方法，具有離散完整的N-S方程，能很好地模擬真實世界中自由液面的流動現(xiàn)象及準確計算出其流場性質。數(shù)值模擬選擇非恒定、VOF，RNG湍流模型[12-13]。

1.1 基本方程

流體為牛頓流體，暫不考慮泥沙問題，基本方程包括連續(xù)方程、動量方程[14-15]。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(4)

式中：u，v，w分別為x，y，z方向上的流速分量；Ax，Ay，Az分別為x，y，z方向上可流動的面積分數(shù)；Gx，Gy，Gz分別為x，y，z方向上的重力和非慣性力加速度；fx，fy，fz分別為x，y，z方向上的黏滯力加速度；VF為可流動的體積分數(shù)；ρ為流體密度；p為作用在流體微元上的壓強；t為時間。

1.2 RNGk-ε模型

FLOW-3D軟件本身提供5種紊流模型，采用RNGk-ε模型進行模擬，可以更好地處理流線彎曲較大及高應變率的流動。

(5)

(6)

1.3 自由表面處理技術

FLOW-3D軟件對自由表面追蹤采用VOF法，用體積追蹤的方式提高其適用性，可處理流體的破碎和融合。其原理[13]是模型中互不相融的兩種或多種流體的任何相位，都有與其相對應的相關變量來描述，計算域整體的流動由所有相位的流動情況相加構成。任一單元的變量和特性取決于每一相的面積和體積分量值及其運動情況。

VOF運動學方程：

(7)

流體體積函數(shù)F=F(x,y,z,t)代表計算區(qū)域內(nèi)流體的體積占計算區(qū)域的相對比例。F=1，表示該單元完全被流體充滿；F=0，表示該單元完全被氣體充滿；0

2 有三角形障礙物的決口水流數(shù)值模型算例模擬驗證

2.1 數(shù)值模型算例的建立

為模擬驗證決口水流遇障礙物的洪水演進過程，選取文獻[16]中有三角形障礙物的潰壩算例水位場進行驗證。該模型是1個由玻璃壁面封閉的系統(tǒng)，尺寸5.6 m ×0.5 m。上游水庫長2.39 m，水位0.111 m，下游從水庫至河道的三角形障礙物間無水。障礙物為底長0.9 m，高0.065 m的對稱三角形，邊坡0.14。障礙物下游有1個長0.7 m、深0.025 m的湖，如圖1所示。模型尺寸5.6 m×0.5 m×0.111 m，從精度考慮，將模型劃分成0.02 m×0.02 m×0.01 m的單元。設置上游水庫和下游湖的初始水位分別為0.111和0.025 m。求解設置：求解時間設為20 s，時間步長設為0.01 s。

圖1 試驗模型平面布置及模型初始水位(單位：m)

Fig.1 Plan layout of experimental model and its initial water level (unit: m)

2.2 計算結果分析

FLOW-3D計算結果與文獻[16]試驗數(shù)據(jù)在T為1.8，3.0,3.7,8.4 s時的水位對比見圖2，在T=1.8 s時，水流剛漫過三角形障礙物頂部向下游流動，但部分水流波被反射成負波傳向上游(圖2(a))；在T=3.0 s時，水流到達下游水池后，前波速度突然減慢，形成一個正波，如圖2(b)，此時前波位置大致為5.2 m；在T=3.7 s時，波在下游墻處發(fā)生反射，若能量足夠則可通過障礙物后向上游傳播，如圖2(c)。水流經(jīng)多次反射，在T=8.4 s后水位最終趨于穩(wěn)定，如圖2(d)。模擬計算的各時刻水位變化規(guī)律與文獻[16]中試驗數(shù)據(jù)基本吻合，且符合水流運動規(guī)律，表明所建數(shù)值模型可以很好地重現(xiàn)非恒定流現(xiàn)象，驗證了該模型的可靠性以及對決口封堵水流進行模擬的可行性。

圖2 FLOW-3D水位計算結果和文獻[16]試驗數(shù)據(jù)對比Fig.2 Comparison between calculated results from FLOW-3D and document [16]

3 堤防決口不同封堵方法的水力學特性數(shù)值模擬分析

以某河流堤防決口水流模擬建模，分析不同封堵方法對堤防決口水流的水力學特性。模擬區(qū)域為長700 m，寬100 m(河底)的長直河道，模型高10 m，河道坡降0.3‰，河道糙率0.025，決口高度8 m，距離下游河道200 m，河道左岸堤防高10 m，堤頂寬4 m，兩側邊坡分別為1∶1.05和1∶0.85[17]，河道及堤防典型斷面如圖3所示。邊界條件：物理邊界條件設重力加速度為-9.8 m/s2，上游設初始流量為800 m3/s，上游初始水位為7 m，下游為自由出流；模型頂部設1個標準大氣壓，模型底部和左右兩側皆設定為固壁邊界。初始條件：給定河道初始水位為5 m。設置求解時間為600 s，時間步長為2 s。

圖3 河道與堤防橫斷面及其三維圖(單位：m)Fig.3 Cross-sections of river and dike and their 3D diagram (unit:m)

圖4 決口口門形狀及原決口平面(單位：m )Fig.4 Schematic diagram of levee breach (unit:m)

3.1 不同封堵方法的數(shù)值模型

建立長直河道7 m水頭下T形決口模型，模型頂部長20 m、寬30 m、高8 m，具體形狀及尺寸如圖4所示。

分析原決口進口斷面a(15,0)點水深及流速隨時間的變化可知：在決口瞬間，水深迅速減小，流速迅速增大；隨著決口斷面流量的增加，a點水深逐漸增大，在200 s內(nèi)，水位起伏變化，200 s后水位略有波動，直至T=403 s后基本達到穩(wěn)定水位；a點流速在150 s前起伏增長，150 s后達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，直至T=403 s后基本達到穩(wěn)定流速，如圖5所示。

圖5 原決口a點水深和流速變化Fig.5 Changes in water depths and velocities of point a of primary breach

為計算方便，封堵材料選用8個2 m×2 m×2 m,密度為1 800 kg/m3的方塊石。立堵法方塊石布置在決口進口斷面、左右兩側疊兩層放置，平堵法方塊石布置在決口中軸線左右兩側疊兩層放置，如圖6所示。

FLOW-3D物理邊界條件設置需激活運動模型，并對塊石進行運動條件的設置，塊石在初始時設為靜止狀態(tài)，在T=403 s時，下層塊石開始向下運動，在其沉入決口底部后第2層塊石開始運動。河道模型網(wǎng)格劃分為2 m×2 m×1 m，決口出口50 m內(nèi)平地網(wǎng)格加密為1 m×1 m×1 m，決口處因封堵料塊石體積較小，為提高計算精度將決口處網(wǎng)格加密為0.5 m×0.5 m×0.5 m。

模擬過程中，當決口處水流趨于穩(wěn)定后，選取圖中所示決口處中軸線斷面A-A、進口斷面B-B、中部斷面C-C、出口斷面D-D在T=523 s時刻的結果進行封堵前后的堤防決口水力學特性對比分析。

圖6 立堵法和平堵法決口平面(單位：m )Fig.6 Plan view of vertical and horizontal closure methods for dike breach (unit:m)

3.2 水位場分布規(guī)律

立堵封堵后的水深三維圖與原決口相似，但在塊石后面有2個明顯漩渦；平堵后與原決口相比有部分變化，且在塊石后面有1個明顯漩渦；立堵和平堵封堵后的水面均有一定壅高。計算水深三維圖見圖7。

圖7 決口水深三維圖(單位：m)Fig.7 3D water depth hydrograph of dike breach (unit:m)

圖8(a)為決口中軸線斷面A-A水深沿水流方向的分布，圖8(b)～(d)為決口B-B,C-C,D-D斷面水面線沿決口寬度方向的分布。

圖8 各斷面水深分布Fig.8 Water depth hydrograph at different sections

由圖8可見，立堵封堵后A-A斷面與原決口平均水深變化規(guī)律基本一致，且低于原決口水深。平堵封堵后的水面線在沿水流方向上呈現(xiàn)先減后增而后再減小的變化規(guī)律。接近決口出口處立堵和平堵封堵后平均水深均低于封堵前平均水深。決口進口B-B斷面封堵后塊石前水位明顯壅高。在X=6.50 m處，原決口最小水深5.47 m；在X=5.75 m處，立堵封堵后最小水深5.93 m；在X=11.75 m處，平堵封堵后最小水深為5.5 m。C-C,D-D斷面封堵前后的平均水深在橫向上的變化規(guī)律大致相似，其水面線在橫向上呈兩邊低、中間及右側偏高的不對稱高拱形分布，總體來說，在斷面左右兩側，封堵后平均水深要大于封堵前，但在斷面中間部位，封堵后平均水深要小于封堵前。

3.3 流速場分布規(guī)律

立堵封堵后的流速場分布和最大流速分布位置與原決口比較相似。平堵封堵后的流速場分布與原決口在塊石后存在部分區(qū)別，但堤防上最大流速分布位置均在決口左側。流速計算結果三維圖如圖9所示。

圖9 決口三維流速(單位：m·s-1)Fig.9 3D velocities of dike breach by vertical and horizontal closure methods (unit：m·s-1)

決口A-A,B-B,C-C,D-D等斷面流速分布如圖10所示。立堵封堵前后A-A斷面的平均流速沿水流方向的變化規(guī)律基本一致，且立堵封堵后該斷面平均流速大于原決口及平堵封堵后的平均流速；平堵封堵后決口流速沿水流方向在堤防中軸線(Y=10.00 m)左側起伏較大，在Y<3.50 m范圍，平堵封堵后的平均流速比原決口大，在Y>3.50 m范圍，平堵封堵后的平均流速比原決口小。

圖10 各斷面流速分布Fig.10 Velocity distributions at different sections

對于B-B斷面，在X=10.00 m左側，立堵封堵后的流速比原決口小，右側則比原決口大；立堵封堵后在X=9.00 m處達最大流速5.27 m/s，原決口、平堵封堵后均在X=4.50 m處達最大流速，分別為5.37和4.82 m/s。C-C,D-D斷面上立堵、平堵封堵后和原決口平均流速在橫向上均呈不對稱拱形分布。對C-C斷面，在X=8.50 m處，原決口最大平均流速7.16 m/s，立堵封堵最大平均流速6.32 m/s；在X=9.50 m處，平堵封堵最大平均流速7.48 m/s；對D-D斷面，在X=26.50 m處，平堵封堵最大平均流速為9.03 m/s。

4 結 語

從數(shù)值模擬結果來看，無論立堵法還是平堵法，在封堵過程中，決口處的平均水深及流速都趨于均勻化，斷面平均流速有所降低，有利于后續(xù)的封堵直至合龍；從施工難易程度上分析，平堵法適合單體大塊石封堵，在合龍期(口門寬度較小)可采用；對于決口封堵的初期(寬口門)，采用群體塊石立堵法拋投更加快捷高效[18-19]。從決口流速分布看，該決口靠近水流上游側流速較大，建議做好裹頭處理，采取從決口口門水流下游側沿堤防上堤腳線單邊進占進行封堵，以避免左側流速高而導致拋投塊體被沖走。實際作業(yè)時，仍需根據(jù)決口現(xiàn)場實際情況合理制定封堵措施。

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Hydraulic characteristics of levee breach closure

LI Huokun1， ZENG Zhichao1， DENG Bingmei1， ZHANG Lirong2， LI Yizhong2

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,NanchangUniversity,Nanchang330031,China; 2.No. 2GeneralTeamofArmedPoliceHydropowerTroops,Nanchang330096,China)

The emergency protection of the levee breach is based on hydraulic characteristics of water flow, and the closure methods directly affect the closure efficiency. First, the flood evolution process of the breach flow was simulated, and the water depth calculation results were compared with the experimental data given by C. Biscarini. The results agree well with the experimental data, which verifies the reliability and accuracy of the numerical model. Based on FLOW-3D software, a 3D numerical model for dike breach flow simulation of a river in Shangrao city was established, and the breach closure process was simulated respectively by the vertical closure method and the horizontal closure method. The water level and velocity field distribution law near the breach during closure process were obtained. The numerical results show that the water level obviously increases and the flow velocity increases in front of the block stone by the vertical closure method or the horizontal closure method, and the maximum velocity and water depth are distributed respectively in the left and right positions near the breach. According to the velocity distribution law near the breach, wrapped dike head measures should be taken on the left breach of dike toe, then the flow velocities may be reduced by costing large-size block stones, one by one and finally a group casting way would be taken for the closure. In this paper, the numerical model and simulation methods can provide a reference for dike emergency protection and dike breach closure.

levee breach; closure method; hydraulic characteristics; FLOW-3D model

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.002

2016-07-29

國家自然科學基金資助項目(51269019，51469015)；廣東省水利科技創(chuàng)新基金資助項目(2014-08)

李火坤(1981—)，男，湖南長沙人，教授，博士，主要從事水工水力學及泄流結構動力檢測方面的研究。 E-mail: lihuokun@126.com

TV551.2

A

1009-640X(2017)03-0008-08

李火坤， 曾智超， 鄧冰梅， 等. 堤防決口封堵的水力學特性[J]. 水利水運工程學報, 2017(3): 8-15. (LI Huokun, ZENG Zhichao, DENG Bingmei, et al. Hydraulic characteristics of levee breach closure[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(3): 8-15. (in Chinese))