[发明专利]一种包含库区的土石坝漫顶溃决洪水数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种包含库区的土石坝漫顶溃决洪水数值模拟方法。采用三角形非结构网格对库区和下游淹没区进行剖分，坝体所在区域不参与剖分。将溃口出流量作为库区的出流边界和下游淹没区的入流边界，分别进行库区和下游淹没区的水动力演进计算，出流边界和入流边界所对应的坝前单元和坝后单元根据溃口的实时宽度动态调整。该方法不仅能够提供下游的淹没形态，而且能够提供库区内的水流运动过程，从而扩大溃坝模型的适用范围。在计算溃口出流时，使用跟溃口直接相连的坝前单元的平均水位，而不是整个库区的平均水位，可显著提高溃口出流过程的准确性，从而完善现有的土石坝溃决洪水计算方法，提高土石坝溃决洪水计算的数值精度。

技术领域

本发明涉及水利工程领域，尤其涉及防洪减灾领域，具体为一种包含库区的土石坝漫顶溃决洪水数值模拟方法。

背景技术

我国是世界上修建水库大坝最多的国家，根据第一次全国水利普查工作统计，我国现有水库大坝98002座，其中土石坝作为应用最广泛的坝型，约占已建坝总数的95％以上。已经修建的土石坝中，绝大多数为小型水库，由于特殊的历史原因，这些小型土石坝在修建时多缺乏严格的设计和施工程序，当遭遇超标准洪水时，存在比较较大的溃决风险。水库大坝一旦溃决失事，将会给下游带来巨大的灾难。在土石坝的溃决失事方式中，最常见的为洪水漫顶溃决，洪水一旦漫顶，会迅速在坝后形成冲刷，直至溃口稳定。另外值得说明的是，土石坝溃决洪峰流量远大于水库的正常泄洪流量，所以在溃坝分析计算时，一般可忽略溢洪道泄洪或底孔泄洪的影响。

对土石坝溃决洪水分析计算来讲，非常重要的一步是计算溃口的出流过。溃口出流计算的方法总体来说可以分为两大类：一类为采用溃坝的历史数据资料得出的回归方程来计算出流过程，这类回归过程一般是建立溃口出流过程与库容和坝高的相关关系的表达式。另一类为采用带有溃口发展物理机制的理论或半理论方法来预测出流过程，在这其中又可分为两小类，一类为参数型溃口模型，另一类为物理-参数型溃口模型。所谓参数型溃口模型是指通过设定溃口尺寸，形状和发展时间，利用堰流公式来计算溃坝洪水出流过程，这些模型通常采用相对简单的参数化经验方法来估算溃口发展过程。所谓物理-参数型溃口模型指的是溃口的发展考虑了溃口冲刷的物理机制，通过泥沙输移公式来计算溃口侵蚀过程。这类模型相对较多，代表了土石坝溃口出流模型的一个发展方向。

现在的土石坝溃决计算实际上人为分成了两个步骤，首先是溃口出流过程的计算，得到完整的溃口出流过程后，再进行下一步洪水演进计算。然而，真实的溃决过程是库区水位降低、溃口发展和下游洪水演进是同时进行的，也是相互影响的，溃口前局部水位的高低直接影响着溃口的发展，溃口的发展决定了溃口出流量的大小，出流量的大小决定了下游淹没形势的不同，因此，将库区包含在模型内，进行库区、溃口和下游淹没区一体化的模拟是非常有必要的，能够提高当前土石坝溃决洪水的模拟精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种包含库区的土石坝漫顶溃决数值模拟方法，在每个时间步长内同时完成库区洪水演进计算、溃口出流计算和下游淹没过程的计算，充分考虑土石坝溃决过程的整体性，提高现有土石坝溃决洪水分析计算的精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

将库区包含在整个计算区域内，土石坝溃口出流过程的模拟与库区和下游淹没区洪水演进模拟统一进行，具体步骤如下：

1)获取所需的基础数据：所述基础数据包括库区水下地形数据(比例尺1:5000及以上)；坝体相关数据，包含坝高、坝长、坝顶宽度、迎水面和背水面坡度、坝体材料粘性系数、粒径级配等；溃坝淹没区地形数据(比例尺1:10000及以上)；获取整个计算区域DOM地貌数据(分辨率2m及以上)；入库洪水过程数据。