三維潰壩波對(duì)下游結(jié)構(gòu)物致災(zāi)過(guò)程數(shù)值模擬

摘要：暴雨等自然災(zāi)害形成的潰壩對(duì)下游結(jié)構(gòu)物安全存在潛在威脅，潰壩對(duì)結(jié)構(gòu)物的破壞非線性強(qiáng)且機(jī)理復(fù)雜，基于自主研發(fā)三維并行模型，探究水災(zāi)害流固耦合動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。通過(guò)并行算法實(shí)現(xiàn)加速計(jì)算，利用流體體積法捕捉自由面，采用浸入邊界法處理流固耦合。定量預(yù)報(bào)潰壩洪水過(guò)境流速和沖擊載荷，通過(guò)實(shí)際案例、公開(kāi)數(shù)據(jù)對(duì)比論證數(shù)學(xué)模型處理水災(zāi)害流固耦合問(wèn)題的可靠性。潰壩波攜帶大量動(dòng)能和勢(shì)能，全流場(chǎng)信息可描述在短時(shí)間內(nèi)多次變化的潰壩致災(zāi)流態(tài)，水流推進(jìn)與跌落的過(guò)程易形成沖刷作用，傳導(dǎo)到結(jié)構(gòu)物的沖擊載荷易破壞工程結(jié)構(gòu)，致災(zāi)機(jī)理研究為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三維潰壩波；模型開(kāi)發(fā)；并行計(jì)算；水動(dòng)力行為；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TV122.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-9235（2024）08-0073-09

Numerical Simulation of Flooding Process on Downstream Structure by Three-dimensionalDam-break Wave

YU Ruixing，LINQin，HEShiming，ZHENGYipeng，ZHENG Kaiyuan*

（Fujian Provincial Port and Shipping Development Center，F(xiàn)uzhou 350000，China）

Abstract：Dam break caused by natural disasters，such as heavy rainfall，poses a potential threat to the safety of downstream structures.It brings damages to the structures with a strong nonlinearity and complex mechanism.Based on an in-house three-dimensional parallel model，the dynamic response process of the fluid-structure interaction caused by water disasters is investigated.The accelerated computing is achieved by the parallel algorithm，the free surface is captured by the volume of fluid method，and the fluid-structure interaction is dealt with by the immersed boundary method.While a quantitative forecast of the flow velocity and impact load during the dam-break flood is carried out，the reliability of the mathematical models in dealing with the fluid-structure interaction of water disasters is demonstrated by real-life cases and published data comparison.Dam break wave carries a large amount of kinetic and potential energies.The information of the whole flow field describes the disaster-causing flow patterns that change many times in a short period.Water advancing and falling make it easy to form scouring，and the impact load transmitted to the structure is apt to damage the engineering structure.This study of disaster-causing mechanism provides a scientific basis for disaster prevention and mitigation.

Keywords：three-dimensional dam break waves;modeldevelopment;parallelcomputation;hydrodynamicbehavior;numerical simulation

潰壩過(guò)程會(huì)在短時(shí)間內(nèi)從庫(kù)區(qū)或者湖泊中釋放出大量的水流，由于時(shí)間短且能量大，突發(fā)的災(zāi)難會(huì)對(duì)下游人員和結(jié)構(gòu)物造成巨大的毀損。過(guò)水涵洞堵塞、漫壩、壩體結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)等會(huì)導(dǎo)致不同程度潰壩水災(zāi)害，致災(zāi)方式多，不確定性強(qiáng)，事故后果嚴(yán)重。2023年7月底，受臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”持續(xù)影響，中國(guó)華北、黃淮地區(qū)出現(xiàn)分散性暴雨，局地降雨量可達(dá)600 mm，洪峰到達(dá)時(shí)，短時(shí)間內(nèi)上游水位陡增形成“大壩”，災(zāi)害性洪水會(huì)對(duì)橋梁、道路、生活區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞，該水災(zāi)害主要特征與潰壩水流在柱狀體周?chē)牧鲃?dòng)現(xiàn)象相似，具有典型性，因此亟須研究潰壩水動(dòng)力特性及致災(zāi)機(jī)理［1-2］。

潰壩洪水具有海嘯波相似特征，流動(dòng)模式復(fù)雜，存在液體飛濺、卷氣、水汽摻混等非線性行為，水體、空氣和結(jié)構(gòu)物三相相互作用，作用機(jī)理復(fù)雜，短時(shí)間內(nèi)的水動(dòng)力行為和能量轉(zhuǎn)化可造成災(zāi)難性后果。根據(jù)HUANG等［3］研究，潰壩波會(huì)對(duì)橋梁造成不同程度的毀損，潰壩波對(duì)橋梁的破壞機(jī)理復(fù)雜，橋梁對(duì)潰壩波的響應(yīng)仍存在難點(diǎn)。潰壩波對(duì)下游結(jié)構(gòu)物致災(zāi)過(guò)程具有強(qiáng)非線性特征，理論計(jì)算存在局限性，試驗(yàn)及數(shù)值模擬為常用方法［4］。2022年，YANG等［5］通過(guò)試驗(yàn)探究了潰壩與圓形橋墩相互作用過(guò)程周?chē)鷫簭?qiáng)的變化情況，流體域結(jié)構(gòu)物相互作用的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)物周?chē)龎号c負(fù)壓均會(huì)出現(xiàn)，流動(dòng)復(fù)雜，需要高精度儀器設(shè)備監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)研究存在成本高、周期長(zhǎng)等制約因素，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬憑借其成本低、直觀性、信息豐富等優(yōu)勢(shì)而被快速推廣。2002年，VALIANI等［6］利用有限體積法建立二維數(shù)學(xué)模型，探究了1959年發(fā)生在法國(guó)南部的潰壩事件致災(zāi)原因，針對(duì)真實(shí)事件開(kāi)展了細(xì)致的分析。2011年，林長(zhǎng)強(qiáng)［7］基于FLUENT商業(yè)軟件開(kāi)展了土石壩潰口演變導(dǎo)致潰壩的數(shù)值模擬研究，探究了土石壩潰決機(jī)理。2019年，李火坤等［8］基于FLOW-3D商業(yè)軟件開(kāi)展了尾礦庫(kù)潰壩沖刷流動(dòng)特性及其對(duì)下游村莊居民及工程構(gòu)筑物的影響，尾礦庫(kù)潰壩會(huì)對(duì)下游大范圍造成破壞，這為預(yù)防尾礦庫(kù)潰壩提供了安全預(yù)案。2021年，王小旭［9］運(yùn)用二維模型分析了西關(guān)水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)，研究了橋墩繞流及流場(chǎng)時(shí)空特征。上述研究極大地促進(jìn)了潰壩波對(duì)下游結(jié)構(gòu)物致災(zāi)過(guò)程研究，但是現(xiàn)有研究主要集中在二維數(shù)值模擬或者商業(yè)軟件的工程應(yīng)用上，如何有效處理水災(zāi)害流固耦合問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。水災(zāi)害問(wèn)題具有很強(qiáng)的時(shí)空分布性，流動(dòng)過(guò)程三維特征顯著，二維數(shù)值模擬無(wú)法精確描述三維效應(yīng)；商業(yè)軟件主要依賴于國(guó)外團(tuán)隊(duì)，核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化仍是關(guān)注的焦點(diǎn)，自主可控是中國(guó)工業(yè)軟件產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng)新重要方向。探究致災(zāi)機(jī)理以及精準(zhǔn)預(yù)報(bào)水災(zāi)害致災(zāi)過(guò)程仍是不小的挑戰(zhàn)，針對(duì)科學(xué)問(wèn)題與實(shí)際情況，將科技創(chuàng)新應(yīng)用于工程問(wèn)題，相關(guān)技術(shù)研發(fā)可帶動(dòng)產(chǎn)學(xué)研一體化發(fā)展，為高效且高精度開(kāi)展水災(zāi)害預(yù)報(bào)，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)模型并將其應(yīng)用于防災(zāi)減災(zāi)研究十分必要。

潰壩波對(duì)下游結(jié)構(gòu)物的致災(zāi)問(wèn)題是一個(gè)涉及流體復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的水災(zāi)害流固耦合科學(xué)問(wèn)題。本文的研究目標(biāo)是通過(guò)自主研發(fā)的三維模型，分析潰壩波對(duì)下游結(jié)構(gòu)物的致災(zāi)機(jī)理。利用三維并行模型分析潰壩洪水過(guò)境流速、沖擊載荷、致災(zāi)流態(tài)演變情況，利用實(shí)際案例、已有研究結(jié)果的引用和比較，結(jié)合定量和定性的方式系統(tǒng)化闡述結(jié)果，通過(guò)公開(kāi)數(shù)據(jù)論證三維并行數(shù)學(xué)模型處理水災(zāi)害流固耦合問(wèn)題的可靠性，論證致災(zāi)機(jī)理相關(guān)論斷。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究水災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理，研判水災(zāi)害致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，有利于針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)優(yōu)化配置救援裝備與救援人員，為流域防災(zāi)減災(zāi)預(yù)報(bào)和決策提供科學(xué)依據(jù)。

1數(shù)學(xué)模型

通過(guò)闡述控制方程，理順流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)公式；基于模型架構(gòu)示意圖，闡明模型研發(fā)及其在水災(zāi)害問(wèn)題的應(yīng)用；研發(fā)并行算法，為三維模型的高性能計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

1.1控制方程

基于納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation，N-S）的三維不可壓縮控制方程見(jiàn)式（1）、（2）。

式中：為速度矢量；t為時(shí)間；P為壓強(qiáng)；ρ為密度；μ為黏度；F為力源項(xiàng)。

在笛卡爾坐標(biāo)系中建立模型，利用體積函數(shù)?m描述界面運(yùn)動(dòng)，體積函數(shù)?m的多相流控制方程見(jiàn)式（3）。

式中：m為多相流不同的相；?1為液相；?2為氣相；?3為固相?？梢允褂秒p曲正切函數(shù)法（Tangent of Hyperbola for Intferface Capturing with Slope Weighting，THINC/SW）［10］更新液相?1。通過(guò)虛擬粒子標(biāo)記結(jié)構(gòu)物，利用幾何關(guān)系計(jì)算固相?3。由于一個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)體積函數(shù)之和為1.0，因此可以獲得氣相?2=1-?1-?3。

式中：λ為特征參數(shù)，它可以是密度或者黏度，通過(guò)該表達(dá)式獲得計(jì)算域不同網(wǎng)格物理屬性參數(shù)。

當(dāng)前模型基于投影法求解，采用流體體積法（Volume of Fluid，VOF）［10］捕捉自由面，利用浸入邊界法（Immersion Boundary Method，IBM）［11］處理流固耦合，基于大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）［11］實(shí)現(xiàn)湍流建模。當(dāng)前模型已經(jīng)在河流運(yùn)動(dòng)［12］、水動(dòng)力砰擊載荷［11］、浮體［13］等相關(guān)研究中開(kāi)展應(yīng)用，均已取得良好的研究成果。在此基礎(chǔ)上，原有二維模型進(jìn)一步提升為當(dāng)前三維模型［11］，為進(jìn)一步探究水災(zāi)害問(wèn)題的水動(dòng)力行為及致災(zāi)機(jī)理，現(xiàn)將三維并行模型進(jìn)一步拓展應(yīng)用于潰壩對(duì)下游結(jié)構(gòu)物的致災(zāi)研究。

1.2模型架構(gòu)

模型研發(fā)及其在水災(zāi)害問(wèn)題的應(yīng)用見(jiàn)圖1，圖1a從宏觀上介紹了模型開(kāi)發(fā)及工程應(yīng)用，即通過(guò)自主研發(fā)數(shù)學(xué)模型，將其應(yīng)用于水災(zāi)害問(wèn)題，開(kāi)展實(shí)際問(wèn)題的研究，有利于優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；圖1b從細(xì)節(jié)角度闡述了數(shù)學(xué)模型核心架構(gòu)及信息流。

圖1a中三維自主可控?cái)?shù)學(xué)模型包括并行框架、前處理、求解器和后處理模塊。實(shí)際問(wèn)題需要考慮三維效應(yīng)，三維模型可更加真實(shí)地反映水災(zāi)害過(guò)程。并行框架是當(dāng)前模型的基礎(chǔ)設(shè)施，可提高三維模型的計(jì)算效率。前處理模塊主要完成計(jì)算域設(shè)定、笛卡爾正交網(wǎng)格劃分、結(jié)構(gòu)物幾何形狀生成、流體基本物理參數(shù)輸入、并行核心數(shù)輸入等功能。求解器模塊通過(guò)投影法求解控制方程，基于高精度界面捕捉以及流固耦合方法提高模型計(jì)算精度，通過(guò)邊界條件約束得到預(yù)報(bào)結(jié)果。后處理模塊通過(guò)Python和ParaView等工具實(shí)現(xiàn)結(jié)果可視化，這有助于數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以及結(jié)果分析。

圖1a中水災(zāi)害問(wèn)題是防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容，其中潰壩是水災(zāi)害問(wèn)題的一個(gè)重要體現(xiàn)。潰壩過(guò)程時(shí)間短、波及面廣且危害大，劇烈的流動(dòng)過(guò)程對(duì)下游結(jié)構(gòu)物的災(zāi)害可在流速、沖擊載荷、致災(zāi)流態(tài)中體現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)預(yù)報(bào)這3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，一方面論證模型有效性，另一方面闡述水災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理問(wèn)題。

圖1a中給出了當(dāng)前模型預(yù)報(bào)劇烈水動(dòng)力過(guò)程可視化示意結(jié)果以及HUANG等［3］觀測(cè)到的潰壩水災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)照片，本模型架構(gòu)將用于開(kāi)展相關(guān)防災(zāi)減災(zāi)研究。

圖1b介紹了控制方程求解的方式與信息流，通過(guò)投影法分步求解控制方程，通過(guò)求解對(duì)流項(xiàng)獲得臨時(shí)速度，繼而求解擴(kuò)散項(xiàng)再次更新臨時(shí)速度，通過(guò)壓力泊松方程更新壓強(qiáng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，最后實(shí)現(xiàn)速度-壓力匹配，更新全流場(chǎng)速度；考慮到自由面的運(yùn)動(dòng)與流固耦合，在笛卡爾正交網(wǎng)格中，基于浸入邊界法施加內(nèi)部邊界條件，將修正后的全流場(chǎng)信息導(dǎo)入自由面重構(gòu)模塊，更新全流場(chǎng)界面。

1.3并行算法

當(dāng)前模型基于MPI和OpenMP實(shí)現(xiàn)并行，具體并行框架見(jiàn)圖2。MPI負(fù)責(zé)切割整個(gè)三維空間，獲得基于直角坐標(biāo)系的塊結(jié)構(gòu)子計(jì)算域。每個(gè)子計(jì)算域可以同時(shí)參與計(jì)算，每個(gè)子計(jì)算域通過(guò)位于兩側(cè)的虛擬單元層交換數(shù)據(jù)。子計(jì)算域的同步計(jì)算以及虛擬單元數(shù)據(jù)交換確保了多核計(jì)算與單核計(jì)算結(jié)果的一致性，其在并行尺度上具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。OpenMP負(fù)責(zé)在子計(jì)算域的代碼塊中實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，它可以減少內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)，使編程語(yǔ)句簡(jiǎn)潔直觀。通過(guò)混合MPI和OpenMP加速算法，構(gòu)建當(dāng)前模型的并行框架。并行框架兼具M(jìn)PI和OpenMP二者的優(yōu)點(diǎn)，這有助于提高模型的計(jì)算效率。在本模型中，局部子計(jì)算域的單元識(shí)別號(hào)和全局計(jì)算域的單元識(shí)別號(hào)是相同的，這有利于減少并行代碼與串行代碼的差異。并行框架作為模型的基礎(chǔ)設(shè)施，支撐了三維模型的高性能計(jì)算，這也是當(dāng)前模型至關(guān)重要的加速技術(shù)。

2結(jié)果分析

通過(guò)闡述模型初始條件給出水災(zāi)害工況總體情況，選取潰壩對(duì)下游結(jié)構(gòu)物致災(zāi)過(guò)程研究為典型代表；重點(diǎn)開(kāi)展流速和沖擊載荷分析，基于流速和沖擊載荷歷時(shí)結(jié)果定量預(yù)報(bào)水災(zāi)害過(guò)程；依托可視化結(jié)果分析潰壩致災(zāi)流態(tài)，復(fù)現(xiàn)災(zāi)害發(fā)生的全過(guò)程，為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

2.1模型初始條件

為了分析水災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理以及驗(yàn)證當(dāng)前三維并行模型在復(fù)雜多相流問(wèn)題中的可靠性，系統(tǒng)開(kāi)展水災(zāi)害流固耦合研究。三維潰壩對(duì)下游結(jié)構(gòu)物致災(zāi)初始條件見(jiàn)圖3，相關(guān)結(jié)果將與Wu［14］、Xie等［15］、Vukcevic等［16］的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)一步分析風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

計(jì)算域的X方向、Y方向和Z方向長(zhǎng)度分別為1.60 m×0.61 m×0.60 m。上游水體的初始高度為0.4 m，下游河床水體的高度為0.01 m。靜止結(jié)構(gòu)物正方形剖面的邊長(zhǎng)為0.12 m，與側(cè)壁的橫向距離為0.24 m。結(jié)構(gòu)物自身配置有受力傳感器，用于記錄潰壩對(duì)其的沖擊載荷變化過(guò)程；在結(jié)構(gòu)物上游0.146 m處放置有流速傳感器，用于監(jiān)測(cè)潰壩對(duì)下游結(jié)構(gòu)物沖擊的速度變化情況。

基于笛卡爾正交網(wǎng)格劃分計(jì)算域，采用130×81×60的非均勻網(wǎng)格進(jìn)行離散。模型網(wǎng)格尺寸見(jiàn)表1，X方向的最小網(wǎng)格為0.005 m，Y方向的最小網(wǎng)格為0.005 m，Z方向的最小網(wǎng)格為0.010 m。2020年，XIE等［15］研究中使用的最小笛卡爾正交網(wǎng)格分別為Δx=0.01 m，Δy=0.01 m，Δz=0.01 m。因此，當(dāng)前模型的網(wǎng)格尺寸分辨率足夠用于該水災(zāi)害問(wèn)題數(shù)值模擬。設(shè)置總的三維數(shù)值模擬時(shí)長(zhǎng)為2.5 s，這有助于完成潰壩災(zāi)害全過(guò)程的預(yù)報(bào)。

2.2流速和沖擊載荷分析

為定量論述潰壩對(duì)下游結(jié)構(gòu)物的災(zāi)害結(jié)果，流速和沖擊載荷歷時(shí)結(jié)果見(jiàn)圖4。從宏觀上來(lái)看，流速和沖擊載荷的結(jié)果與已發(fā)表文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果一致，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)了流速和沖擊載荷峰值和谷值結(jié)果，二者歷時(shí)趨勢(shì)相同，模型預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性良好［14-16］，這論證了當(dāng)前模型的可靠性。

流速的歷時(shí)結(jié)果見(jiàn)圖4a，流速在極短的時(shí)間內(nèi)變化趨勢(shì)發(fā)生改變，約在0.25 s時(shí)達(dá)到峰值，流速可超過(guò)2.0 m/s，速度極快。在潰壩波峰過(guò)境后，0.25～1.50 s的時(shí)間區(qū)間內(nèi)流速逐步下降，并在1.6 s時(shí)最終達(dá)到負(fù)值，1.6～2.5 s的時(shí)間區(qū)間內(nèi)流速逐步向正值恢復(fù)，速度方向在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變。正向流速和反向流速會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)物及地基形成剪切作用，這一過(guò)程表明水流在下游結(jié)構(gòu)物附近存在回流沖刷問(wèn)題。瞬間達(dá)到的速度峰值加劇了結(jié)構(gòu)物周?chē)鷰r土地基的破壞風(fēng)險(xiǎn)。隨著能量的耗散，流速最終達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

沖擊載荷的歷時(shí)結(jié)果見(jiàn)圖4b，沖擊載荷在極短的時(shí)間內(nèi)陡增，約在0.3 s時(shí)達(dá)到峰值，模型比尺下沖擊載荷可超過(guò)30 N。在潰壩波峰過(guò)境后，0.3～1.5 s的時(shí)間區(qū)間內(nèi)沖擊載荷逐步下降，并最終達(dá)到負(fù)值。1.5～2.5 s的時(shí)間區(qū)間內(nèi)沖擊載荷逐步恢復(fù)至正值。受力方向過(guò)渡改變時(shí)的危害不容忽視，正向作用力和反向作用力易造成結(jié)構(gòu)剪切破壞，這對(duì)結(jié)構(gòu)安全是不利的?？梢杂^察到，Vukcevic等［16］的一組結(jié)果無(wú)法復(fù)現(xiàn)負(fù)值沖擊載荷，精確模擬這一過(guò)程非常具有挑戰(zhàn)性，本模型的預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性良好。同時(shí)，正負(fù)沖擊載荷的交替出現(xiàn)也說(shuō)明下游結(jié)構(gòu)物傾覆風(fēng)險(xiǎn)極大，水災(zāi)害致使結(jié)構(gòu)物受力突變，受力負(fù)值又在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正值，流體的反復(fù)撞擊如同水錘現(xiàn)象，持續(xù)的砰擊作用會(huì)影響結(jié)構(gòu)壽命，事故對(duì)結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)了挑戰(zhàn)。隨著力的傳導(dǎo)，沖擊載荷最終達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.3潰壩致災(zāi)流態(tài)分析

進(jìn)一步分析潰壩致災(zāi)流態(tài)的水動(dòng)力特性，圖5顯示了不同時(shí)刻潰壩自由面演變情況，圖6展示了潛在洪水對(duì)跨河橋墩的致災(zāi)威脅，大量的橋墩常位于河道，暴雨易導(dǎo)致河水暴漲，陡增的水體會(huì)迅速形成“大壩”，威脅下游橋墩安全，這種類(lèi)型水災(zāi)害致災(zāi)過(guò)程與潰壩水流襲擊柱狀體的本質(zhì)相似，具有代表性，YAN等［17-18］開(kāi)展了大量高速公路橋墩沖擊防護(hù)示范工程研究也佐證了該現(xiàn)象。

圖5a為時(shí)刻0 s時(shí)，這是潰壩形成的初始狀態(tài)。潰壩初期，在短時(shí)間內(nèi)大量水體聚集或者壩體結(jié)構(gòu)發(fā)生毀損，此時(shí)暴露出的上游水位遠(yuǎn)高于下游水位，大量水體處于即將塌落的狀態(tài)，整體處于發(fā)生決堤的態(tài)勢(shì)，流體不穩(wěn)定。

圖5b為時(shí)刻0.25 s時(shí)，上游水體發(fā)生塌落，在上層水體的擠壓作用下，失去外側(cè)支撐的下層水體向下游運(yùn)動(dòng)，上層水體跟隨下層水體滑落，大量水體運(yùn)動(dòng)，這使得水體能量由勢(shì)能狀態(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)化為動(dòng)能與勢(shì)能的組合狀態(tài)；潰壩波即將到達(dá)下游結(jié)構(gòu)物時(shí)，潰壩波水流湍急，水體塌落，自身攜帶有大量動(dòng)能和勢(shì)能，即為蓄能沖擊狀態(tài)；流場(chǎng)發(fā)生劇變，下游結(jié)構(gòu)物處于即將受災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)；圖4a中流速在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生驟變，由0 m/s超過(guò)2.0 m/s。該模擬狀態(tài)與實(shí)際洪水災(zāi)難關(guān)聯(lián)強(qiáng)，2021年7月17—23日，鄭州市累計(jì)降雨600 mm以上面積達(dá)2 068 km2，鄭州市賈魯河、雙洎河、潁河等3條主要河流水位超保證水位，其中賈魯河中牟水文站7月21日洪峰水位79.40 m，超歷史最高洪峰水位（1960年11月4日）1.71 m。河流暴漲，短時(shí)間內(nèi)上游水位陡增形成“大壩”，下游存在跨河市政橋、鐵路橋以及相關(guān)涉水結(jié)構(gòu)物配套設(shè)施，洪水對(duì)過(guò)河橋墩結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。該水災(zāi)害致災(zāi)過(guò)程與本文潰壩水流在柱狀體周?chē)牧鲃?dòng)現(xiàn)象類(lèi)比性強(qiáng)，具有典型性。

圖5c為時(shí)刻0.50 s時(shí)，潰壩波沖擊下游結(jié)構(gòu)物，傾瀉而下的水流被下游結(jié)構(gòu)物分成兩部分，一部分沿著下游結(jié)構(gòu)物向上攀升，另一部分繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)；水流向上爬升的過(guò)程中，潰壩波撞擊結(jié)構(gòu)物，水流攜帶的動(dòng)能和勢(shì)能部分傳遞到結(jié)構(gòu)物，部分為水花飛濺的形成提供能量來(lái)源，結(jié)構(gòu)物周?chē)霈F(xiàn)壅水現(xiàn)象，圖4b中沖擊載荷約在0.3 s達(dá)到峰值，數(shù)值大小超過(guò)30 N，0.3～0.5 s的時(shí)間區(qū)間內(nèi)下降幅度超過(guò)30%；水流向下游運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，潰壩波會(huì)沖刷結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及周?chē)鼗@一過(guò)程類(lèi)似于單相流問(wèn)題中的方柱繞流或者渦激振動(dòng)問(wèn)題，方柱繞流會(huì)在結(jié)構(gòu)物后方形成負(fù)壓區(qū)以及生成馬蹄渦。根據(jù)ESMAEILI等［19］的研究，壓差以及渦的分離運(yùn)動(dòng)會(huì)破壞結(jié)構(gòu)物及其地基，與此同時(shí)，流體不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)后，渦激振動(dòng)也易發(fā)生，這會(huì)進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)以及地基破壞，結(jié)構(gòu)與地基一旦出現(xiàn)松動(dòng)，流體淘蝕作用的便利性就大大增強(qiáng)。事實(shí)上，高速運(yùn)動(dòng)的流體易造成淘蝕破壞，這是一種物理侵蝕過(guò)程，WIDYASTUTI等［20］研究佐證了基地侵蝕會(huì)造成結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性變差，結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性受到方柱繞流、渦激振動(dòng)、流體淘蝕等諸多不利因素的耦合作用，破壞結(jié)構(gòu)處于關(guān)鍵工程，破壞過(guò)程十分復(fù)雜且隱蔽，承重結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的不利改變對(duì)結(jié)構(gòu)壽命以及修復(fù)費(fèi)用等都是負(fù)面的反饋。

圖5d時(shí)刻0.75 s時(shí)，在重力的作用下，爬高的水體開(kāi)始回落，散落的水體發(fā)生入水現(xiàn)象，入水過(guò)程伴隨著勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，這個(gè)過(guò)程砸落的眾多液體會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)物及其地基造成持續(xù)性的打擊，打擊到結(jié)構(gòu)物自身的液體，沖擊載荷隨即傳遞給結(jié)構(gòu)物，打擊到水面的液體，受表面張力的影響會(huì)發(fā)生彈跳，部分液珠會(huì)再次擊打結(jié)構(gòu)物，而擊穿水面的液珠會(huì)攻擊地基；與此同時(shí)，極陡的水流發(fā)生破碎和翻滾，大量的空氣被卷入，空氣在水中的擠壓與舒張會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)物附近局部氣泡破裂，氣泡持續(xù)性破裂易帶來(lái)結(jié)構(gòu)蜂窩麻面風(fēng)險(xiǎn)；從宏觀來(lái)看，可以觀察到水汽摻混、水花飛濺的現(xiàn)象，固、液、氣三相相互作用，復(fù)雜的流動(dòng)沖擊過(guò)程極易造成結(jié)構(gòu)物上游出現(xiàn)沖刷坑。HUANG等［3］的研究關(guān)注了潰壩對(duì)下游橋墩的沖擊破壞，水流垂直正向沖擊橋墩對(duì)其破壞最大且流動(dòng)復(fù)雜；因此，HUANG等［3］的研究也佐證了本文所選工況分析結(jié)果的合理性和代表性。

圖5e為時(shí)刻1.00 s時(shí)，回流的水體與跌落的水體在結(jié)構(gòu)物周?chē)鷧R聚，向下游沖擊的流體、向上游回流的流體、跌落的流體三者發(fā)生碰撞，類(lèi)似挑流消能的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以釋放水體能量，但由于作用區(qū)域在結(jié)構(gòu)物與地基周?chē)?，水體再次沖刷結(jié)構(gòu)物地基，能量的釋放是負(fù)面因素，潰壩波會(huì)對(duì)工程結(jié)構(gòu)物和基礎(chǔ)安全造成威脅。

圖5f為時(shí)刻1.50 s時(shí)，潰壩波的動(dòng)能和勢(shì)能得到大量釋放，局部翻卷的潰壩波面再次席卷結(jié)構(gòu)物與地基，局部潰壩波破碎、反射波、散射波綜合疊加作用，水面波動(dòng)頻率持續(xù)改變，一旦波動(dòng)頻率落在結(jié)構(gòu)物固有頻率附近即可促發(fā)共振，共振會(huì)導(dǎo)致振幅疊加，在增幅作用的帶動(dòng)下，能量持續(xù)累積，加大潰壩波對(duì)下游結(jié)構(gòu)物的致災(zāi)危害；與此同時(shí)，在下游結(jié)構(gòu)物承受了大量沖擊載荷后，流態(tài)由劇烈轉(zhuǎn)為相對(duì)平穩(wěn)，流動(dòng)的非線性減弱，圖4a中流速和圖4b沖擊載荷在1.50 s附近達(dá)到谷值，流速低于0 m/s、沖擊載荷低于負(fù)值10 N。

圖5g和圖5h分別為時(shí)刻2.00 s和2.50 s時(shí)，流態(tài)由波動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)為平靜，此時(shí)為潰壩波過(guò)境后的災(zāi)后狀態(tài)，災(zāi)后結(jié)構(gòu)物及地基周?chē)畡?dòng)力條件已發(fā)生改變，這為下一次水災(zāi)害形成了致災(zāi)基礎(chǔ)及潛在風(fēng)險(xiǎn)。在潰壩過(guò)程中，自由面的變化具有很強(qiáng)的非線性，短時(shí)間內(nèi)流體劇烈翻卷運(yùn)動(dòng)，水中攜帶的動(dòng)能和勢(shì)能多，水流推進(jìn)與跌落的過(guò)程中易形成沖刷作用［20］，傳導(dǎo)到結(jié)構(gòu)物的沖擊載荷易破壞工程結(jié)構(gòu)［19-20］，致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大，極易出現(xiàn)卷氣砰擊、流致振動(dòng)、疲勞破壞等復(fù)雜問(wèn)題；同時(shí)，這一復(fù)雜過(guò)程對(duì)三維模型的穩(wěn)定性和精確性提出了巨大挑戰(zhàn)，證明了當(dāng)前三維并行模型的可靠性。

3討論與結(jié)論

本文開(kāi)展了三維潰壩波對(duì)下游結(jié)構(gòu)物致災(zāi)過(guò)程數(shù)值模擬研究，闡述了水災(zāi)害致災(zāi)過(guò)程的三維效應(yīng)和潰壩波沖擊下游結(jié)構(gòu)物的流固耦合過(guò)程，通過(guò)定量和定性的系統(tǒng)分析，理清了致災(zāi)機(jī)理，論證了自主開(kāi)發(fā)的三維模型有效性，結(jié)論如下。

a）潰壩波水流湍急，自身攜帶有大量動(dòng)能和勢(shì)能，蓄能沖擊下游結(jié)構(gòu)物后，水流推進(jìn)與跌落的過(guò)程中易形成沖刷作用，傳導(dǎo)到結(jié)構(gòu)物的沖擊載荷易破壞工程結(jié)構(gòu)；洪水流態(tài)在短時(shí)間內(nèi)多次變化，非線性強(qiáng)且致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大，通過(guò)水災(zāi)害復(fù)現(xiàn)，進(jìn)一步為災(zāi)害預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)。

b）當(dāng)前模型預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性良好，可準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)負(fù)值沖擊載荷及劇烈的三維流動(dòng)模式，論證了當(dāng)前三維并行模型在處理水災(zāi)害流固耦合問(wèn)題的可靠性。自主研發(fā)的模型可實(shí)現(xiàn)全流場(chǎng)信息獲取，這為水災(zāi)害致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研判等相關(guān)防災(zāi)減災(zāi)工作提供了科學(xué)依據(jù)。

本文主要針對(duì)潰壩波與單個(gè)下游結(jié)構(gòu)物相互作用進(jìn)行探究，未來(lái)可將模型應(yīng)用于潰壩波與多個(gè)下游結(jié)構(gòu)物相互作用致災(zāi)機(jī)理研究，進(jìn)一步考慮脫水河段、咸淡水交界河段等復(fù)雜河床雙液相標(biāo)記問(wèn)題并理清內(nèi)部水體界面運(yùn)動(dòng)情況，探討復(fù)雜條件下水災(zāi)害的影響機(jī)制。

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（責(zé)任編輯：李燕珊）