溃坝水流数值模拟与溃坝风险分析研究

论文摘要

论文从水力学、土力学、水文学、风险分析理论出发，利用数值计算、数理统计等技术手段，来剖析溃坝过程和溃坝风险的实质，构建了基于溃坝水流数值模拟的溃坝洪水风险分析模型。 论文主要内容包括： （1） 溃口流量过程研究是溃坝风险分析的基础。土石坝或堤防工程溃决过程的实质是水土相互作用的过程，涉及到水力学、水文学和土工结构等多个学科领域。论文采用多学科交叉的方法研究溃口发展过程的机理；基于恒定流的基本控制方程、Meyer-Peter-Muller公式和边坡稳定性理论分析溃口流量过程、泥沙侵蚀与输运过程和口门扩展过程。据此建立了土石坝与堤防工程的溃口数值模型，模拟分析了河南省鸭河口水库自溃实验和黑龙江呼玛河碧水段堤防溃决过程。结果表明，该模型具有较好的模拟结果。 （2） 论文探讨了抛物型断面明渠断面形状对溃坝洪水演进特征的影响。根据明渠抛物型湿周断面指数表达式，对棱柱体明渠水流的控制方程进行简化分析，并应用到非单一湿周断面明渠的瞬时全溃问题，定量分析了溃坝波传播参数与断面系数的函数关系。 （3） 根据间断有限元法的基本原理，构建了求解一维浅水方程的计算格式。对浅水方程的底坡源项按水位方程法（WLF）进行处理，获得了和谐、稳定的计算格式，采用限制函数和三阶Runge—Kutta法，建立了时空均为二阶精度的高分辨率计算模型。通过对典型算例的数值模拟结果表明：该算法具有处理间断水流的锐利波形能力，能模拟恒定和非恒定浅水流，适合浅水流动的数值模拟。基于此算法计算分析了梯级水库同时溃、相继溃以及底坡等因素对河道溃坝波传播的影响。 （4） 二维溃坝洪水演进计算是溃坝风险分析的直接前提，也是本文的研究重点。论文采用Osher格式，应用线性最小二乘法重构计算参数，构建适于模拟溃坝洪水演进的有限体积数值计算方法，建立了在Delaunay三角形网格上的计算模型。通过算例的模拟结果表明，本文所建立的数值模型能满足浅水流动数值模拟的要求，且非结构网格剖分方法能实用于有复杂边界的天然河流水流模拟。 （5） 溃坝风险分析的实质是研究特定自然和社会背景下的人—水关系。溃坝风险分析是溃坝研究的重要目的之一，本论文研究主要包括两个方面内容：①大坝和堤防工程的溃决概率估算。根据溃坝的主要模式，利用事故树分析法，估算大坝和堤防

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 溃口流量过程研究
• 1.2.2 溃坝洪水演进研究
• 1.2.3 溃坝风险分析研究
• 1.2.4 现有成果及趋势分析
• 1.3 论文研究内容与结构
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 论文研究特点
• 1.3.3 论文结构
• 2 溃口流量过程研究
• 2.1 土石坝溃口水流过程研究
• 2.1.1 土石坝的主要溃决模式
• 2.1.2 土石坝溃坝侵蚀机理
• 2.1.3 溃坝水流模型
• 2.1.4 溃口扩展模型研究
• 2.2 决堤溃口水流过程研究
• 2.2.1 堤防工程的主要溃决模式分析
• 2.2.2 堤防溃口发展的影响因素分析
• 2.2.3 堤防溃口流量过程计算
• 2.3 实例验证
• 2.4 本章小结
• 3 抛物型断面明渠溃坝波分析
• 3.1 抛物型断面明渠水流的控制方程
• 3.2 溃坝波定解问题分析
• 3.3 溃坝涌波的简化解析解
• 3.4 坝址位于稀疏波区的溃坝解析解
• 3.5 本章小结
• 4 一维溃坝洪水演进数值模拟
• 4.1 一维溃坝洪水演进的控制方程
• 4.2 间断有限元求解
• 4.2.1 离散格式
• 4.2.2 数值流量计算
• 4.2.3 二阶高分辨率格式
• 4.2.4 底坡源项的离散
• 4.3 经典算例验证
• 4.4 梯级水库溃坝洪水分析
• 4.5 本章小结
• 5 二维溃坝洪水演进数值模拟
• 5.1 控制方程
• 5.2 方程有限体积法求解
• 5.2.1 有限体积法基本构建方法
• 5.2.2 法向数值流量计算—黎曼问题的解
• 5.2.3 法向数值流量的数值解
• 5.2.4 格式稳定条件
• 5.3 边界条件
• 5.3.1 物理边界条件
• 5.3.2 数值边界条件
• 5.3.3 有限体积法的边界处理
• 5.3.4 动边界—干湿单元的转换
• 5.4 地形处理
• 5.5 算例验证
• 5.6 本章小结
• 6 溃坝风险分析
• 6.1 溃坝风险分析理论
• 6.1.1 溃坝风险的定义
• 6.1.2 溃坝风险分析的主要内容
• 6.2 溃决概率计算
• 6.2.1 溃坝与溃堤模式分析
• 6.2.2 溃坝概率分析方法
• 6.2.3 大坝和堤防工程风险计算模型
• 6.3 溃坝后果分析
• 6.3.1 溃坝经济损失分析
• 6.3.2 溃坝生命损失分析
• 6.4 本章小结
• 7 实例分析——淮河中游唐垛湖行洪区溃堤行洪风险分析
• 7.1 概述
• 7.1.1 基本情况
• 7.1.2 基础资料
• 7.2 唐垛湖堤垸行洪溃口流量过程
• 7.3 二维行洪洪水演进数值模拟
• 7.3.1 计算条件
• 7.3.2 计算结果分析
• 7.4 唐垛湖行洪区行洪风险分析
• 7.4.1 堤防溃决概率分析
• 7.4.2 唐垛湖行洪区洪水风险图
• 7.4.3 唐垛湖行洪区溃堤洪灾损失分析
• 7.5 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 论文的主要结论
• 8.2 论文的主要创新点
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 论文独创性声明
• 攻读博士期间发表或录用的论文