含沙溃堤洪水数值模拟分析

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1、含沙溃堤洪水数值模拟分析SandyLeveeBreachesFloodNumericalSimulationandAnalysis（申请硕士学位）学科专业：水利工程研究生：孟庆林指导教师：徐国宾教授天津大学建筑工程学院二零一五年十一月摘要分析溃堤洪水风险可以为防洪决策提供依据，对于泥沙含量较高的河流而言，溃堤洪水为含沙水流，含沙溃堤洪水在造成洪水淹没的同时伴随着泥沙冲淤。大量的泥沙淤积会加重洪水的溃堤风险和财产损失。同时，溃堤洪水造成的床面冲淤变化会影响洪水演进和进洪过程，因此评估多沙河流堤防溃决时水沙联合作用引起的灾情对控制溃堤风险具有实际意义。本文在前人研究

2、的基础上，针对洪泛区的实际情况，建立适合于多沙河道的溃堤洪水数学模型，并将模型应用于黄河某溃口的溃堤洪水计算，分析含沙溃堤洪水的水沙运动规律，研究床面泥沙冲淤对溃堤出流和洪水演进速度的影响，评估水沙联合作用下的风险。主要研究内容如下：（1）采用非结构化三角网格建模，建立一个适合于多沙河道与复杂洪泛区的二维溃堤洪水水沙数学模型。模型考虑床面冲淤变化对水沙运动的影响，对洪泛区的道路、村庄等建筑物进行概化处理，通过适时改变溃口的长度和高度来模拟溃口横向展宽和纵向冲刷的发展过程。模型单元界面的水动力通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算，泥沙通量采用TVD-MUSCL格

3、式求解。（2）分别采用定床溃坝试验数据和动床溃坝试验数据对模型进行验证，将模型数据与试验数据进行对比分析发现，模型既能较好地模拟定床条件下的堤坝溃决水流运动，又能较好地模拟动床条件下的堤坝溃决的水沙运动和床面冲於变化。（3）将模型应用于黄河某险工段100年一遇含沙水流溃堤模拟，对模型的水位、流速、含沙量、床面冲於等计算结果进行分析。总结含沙溃堤水流的水沙运动和泥沙冲淤规律。（4）为了分析泥沙冲淤对溃堤出流和洪水演进过程的影响，将应用实例分“清水定床”、“清水动床”、“含沙洪水定床”和“含沙洪水动床”四种模型进计算，并对四种模型的溃堤出流计算结果进行比较，分析泥沙

4、冲淤对溃堤出流和洪水演进过程影响的原因，评估水沙联合作用下的风险。研究结果表明，多沙河道溃堤洪水的含沙量沿程减小，淹没范围内会形成较大范围的泥沙淤积，泥沙淤积体主要集中在溃口冲刷坑外围附近，泥沙淤积体呈环形分布。溃口附近的泥沙冲淤会影响溃堤洪水的溃堤出流量和洪水演进过程，冲刷坑的形成会增大溃堤出流量和淹没范围，淤积体的形成会减小溃堤出流量和淹没范围。研究结果对多沙河道防洪防沙决策具有一定的指导价值。关键词：含沙洪水；溃堤；冲刷；泥沙淤积；洪水淹没；黄河ABSTRACTTheAnalysisoftheriskofdam-breakfloodcanprovideab

5、asisforfloodcontroldecision-making.Forriverwithhighsedimentconcentration,dam-breakfloodissediment-ladenflow.Thesediment-ladendam-breakfloodcouldcausefloodingaccompaniedwithsilterosionanddepositionatthesametime.Largeamountsofsedimentdepositionaggravatetheriskofdam-breakandpropertyloss

6、es.Moreover,thevariationsinbederosionanddepositioncausedbydam-breakfloodcanaffectthefloodroutingprocess.Therefore,ithaspracticalsignificancefortheevaluationofthedisastercausedbythejointactionofwaterandsedimentwhenthesandyriverssufferfromdam-break.Baseonpreviousstudies,wedevelopeddam-

7、breakfloodmathematicalmodelswhicharesuitableforsandyrivers,accordingtotheactualsituationoffloodplains.Andweusethemodeltocomputethedam-breakfloodononeofthedam-breaksofYellowRiver,analyzethewaterandsedimentmovementcharacteristicsofthesediment-ladendam-breakflood,westudytheimpactofsilte

8、rosion-depos