非均匀结构堰塞坝溃决过程的3维数值模拟

摘要

堰塞坝是斜坡失稳体快速堆积而成的天然坝体，在斜坡运移分选和河谷约束堆积作用下普遍呈现3维非均匀结构，这导致目前基于均匀结构假设的溃坝模拟误差巨大，严重影响峰值流量预测和风险防控决策。为深入研究非均匀结构对堰塞坝溃坝过程的影响，充分考虑泥沙的不定向输移，建立3维堰塞坝溃坝模型，并采用大涡模拟（LES）与考虑泥沙状态转化的质量守恒方程，准确模拟水沙输运特征与复杂的溃口发育演变。使用该模型分别模拟均匀结构、垂直非均匀结构和水平非均匀结构物理模型试验，计算得到的溃口发展趋势和流量过程线与物理模型试验基本接近。在均匀坝体中，随着材料抗侵蚀能力的增强，溃坝过程中的侵蚀特征由层状冲刷逐渐演变为单级陡坎和多级陡坎。在竖向非均匀结构中，层间材料的组合影响明显，“上细下粗”的顺序结构会导致陡坎侵蚀特征明显，且溃坝流量曲线上没有明显的峰值；相反，“上粗下细”的反序结构在顶部形成“盔甲层”，导致坝体容易在高水位下突然迅速溃决，产生较大的峰值流量。在水平非均匀结构中，过流侧上部是核心区域，其下部和对岸上部分别影响下切速率和扩展速率，对岸下部对溃决影响有限。此外，粗颗粒沉积会引发溃口纵剖坡度变缓，削弱溃口的过流能力，导致溃口的溯源侵蚀受阻，溃决流量峰值较低。

关键词

堰塞坝 / 非均质结构 / 3维数值模拟 / 溃决侵蚀 / 溃决流量