[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

摘要

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。

主权项

1.一种包含库区的土石坝漫顶溃决洪水数值模拟方法，其特征在于：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、坝体相关数据、溃坝淹没区地形数据、整个计算区域DOM地貌数据、入库洪水过程数据；所述坝体相关数据包括坝高、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；2)计算区域网格离散：库区与坝体相连接的边定义为坝前边，下游淹没区与坝体相连接的边定义为坝后边，坝前边与坝后边长度相等，相互对应；坝前边和坝后边作为网格剖分的控制边，坝前边与坝后边的离散方式相同，离散尺度控制在5m；采用三角形非结构网格对库区和下游淹没区分别离散，坝体所在的区域不参与网格离散，库区和下游淹没区网格单元统一编码；离散后，坝前边对应的网格单元称为坝前单元，坝后边对应的网格单元称为坝后单元，坝前单元和坝后单元数量相同，一一对应；3)计算区域赋值：采用库区和下游淹没区地形数据对网格单元型心位置进行高程插值；根据地貌数据对网格单元糙率赋值；对网格单元的水力变量赋初值；将入库洪水过程设置为库区的入流边界；下游淹没区的出流边界设置为自由出流；4)溃口设置：设定溃口形状为矩形，溃口初始宽度设置为0.5m，初始深度设置为0.2m；不失一般性，溃口初始位置设置在坝前边的中间位置，此时溃口对应的坝前单元编号为U0，以U0单元为中心，顺水流方向左侧坝前单元编号依次为U1，U3，U5……Un，其中n为奇数，顺水流方向右侧坝前单元编号依次为U2，U4，U6……Um，其中m为偶数；与溃口初始位置对应的坝后单元编号为D0，以D0单元为中心，顺水流左侧坝后单元编号依次为D1，D3，D5……Dn，其中n为奇数，顺水流右侧坝后单元编号依次为D2，D4，D6……Dm，其中m为偶数；按照各坝前单元及坝后单元的编号顺序，与各坝前单元及坝后单元分别对应的坝前边及坝后边的长度依次定义为B0，B1，B2，B3，B4，B5，B6……Bi，i为坝前边或坝后边离散后线段的总条数，i为自然数；5)确定时间步长dt：由各网格单元的水力变量值，获取满足计算稳定CFL条件的时间步长dt；6)溃口出流过程计算：根据溃口出流公式计算t时刻溃口的出流量，溃口出流公式如式(1)所示：Q_b＝k_bB(Z_u‑Z_d)^1.5   (1)其中：Q_b为溃口出流量，k_b为流量系数，B为溃口宽度，Z_u为与溃口直接相连的所有坝前单元的平均水位值，Z_d为溃口底部高程；根据de Vries输沙率公式来计算溃口处的泥沙输移量，以确定下一时刻t+dt的溃口宽度和深度，计算溃口发展；7)洪水演进过程计算：洪水演进计算包括库区洪水演进计算和下游淹没区洪水演进计算，采用守恒型的二维浅水方程组描述洪水运动；使用溃口流量Q_b驱动库区和下游淹没区的洪水演进计算，在库区洪水演进计算中Q_b作为出流边界处理，在下游淹没区洪水演进计算中Q_b作为入流边界处理；根据溃口在当前时刻的宽度B来确定出流边界所对应的坝前单元和入流边界对应的坝后单元：在选择坝前单元时，如果B小于B0，出流边界所对应的坝前单元为U0；当B大于B0时，以U0为中心，每一次在原来已选择的坝前单元的基础上再向两侧各选取1个坝前单元，直到所选的所有坝前单元对应的坝前边之和大于等于溃口宽度B时结束，选中的坝前单元作为当前时刻出流边界所在单元参与本时段溃口流量Q_b的分配；与选中的坝前单元对应的坝后单元作为当前时刻入流边界所在单元参与本时段溃口流量Q_b的分配；8)更新t＝t+dt，重复步骤5)～7)直至计算结束。