英语原文共 13 页
确定山河溃坝水流对下游结构最大冲击应力的数学模型
摘要
滑坡坝的断裂会在相对较短的时间内造成较大的流量, 对下游结构造成较大的冲击应力。在能量平衡理论的基础上, 考虑堤防形状和河道条件, 提出了一个数学模型来分析溃坝注水事件对下游结构的冲击应力。通过室内试验验证了该模型的有效性;理论值与实验数据之间的误差在15% 以内, 表明所提出的模型适用于确定溃坝洪水事件带来的冲击应力。对关键模型参数进行了灵敏度分析, 仿真结果表明, 通道梯度和初始上游水深对冲击应力有正向影响;然而, 通道粗糙度和行驶距离却产生了负面影响。最后, 应用该模型对中国西南地区白沙河发生的溃坝对结构的冲击应力进行了估计。研究了堤防尺寸对冲击应力的影响, 当完全断裂时, 对结构的最大冲击应力为 1 201 kPa。这对下游地区的安全构成了极大的威胁, 有必要采取有效措施, 减少大坝故障造成的损失。
关键字:溃坝流；洪水路径；结构；冲击应；数学模型
正文
滑坡坝是山区典型的地质灾害, 由于全球地震或强降雨, 形成了几座著名的滑坡坝。其中包括西姆拉滑坡坝群、伊贡滑坡坝、嘉义滑坡大坝、普卡基滑坡坝等 (Froehlich)1995;博尔哈2006).2008年5月12日, 由于汶川地震, 中国西南山区形成了256多个滑坡大坝2008).山体滑坡大坝的破坏很可能发生, 因为它具有特殊的结构特点和材料成分, 特别是在持续的洪水压力下 (弗兰卡和阿尔梅达)2004).山体滑坡大坝的决堤将导致下游山洪, 导致更多的流出, 增加水动力, 造成巨大的财产损失和高昂的死亡人数 (科斯塔和舒斯特)1988;Korup 和 Teweed2007).1975年8月, 中国板桥水库和岛滩水库发生溃坝事件;最大流量约为7.8x104米3造成240,000 人死亡, 100亿元直接经济损失 (曹市等人)。2011).在相对较短的时间内, 可能会发生溃坝引起的洪水, 这可能会改变河道的形状, 造成下游结构的故障, 受到山洪冲击应力的影响, 特别是在山道坡度的情况下是相对较大的 (梁等人)。2007).对洪水演变过程和溃坝后对下游结构的影响应力有扎实的了解, 对防灾减灾具有重要意义。
在溃坝洪水问题的研究中, 实验研究、理论分析和数值分析是确定峰值流量或洪水路径过程的典型研究方法。对溃坝流进行了大量的实验研究, 认为溃坝流是山洪 (科斯塔和舒斯特)1988;Hg 和 Pritchard2004) 或洪水与沉积物运输 (普里查德2005).这些实验结果为溃坝流洪水布线过程机理的理论分析和数值模拟提供了依据。溃坝流的经验模型包括圣维南方程、里特方程、Stocker 方程、Thakar 方程、Shockley 方程等 (Dunning 等人)。2006).峰值流量和洪水路径的研究采用了几种数值方法, 如特征法 (Kapopode 和 Strelkoff)1979), 有限差分法 (Battaglia 等人)。2010), 离散有限元法 (弗兰卡和阿尔梅达)2004), 和有限容量方法 (歌曲等人。2011).由于溃坝流的复杂性, 在理论和数值分析过程中总是引入一些简化的假设。
关于溃坝流的冲击应力对结构的影响, Shieh 等人。2008) 利用动量方程和伯努利方程研究了溃坝流的冲击力, 并通过实验室试验验证了结果;实验数据与理论结果进行比较后发现了正相关关系。Yang 等人 (2010提出了一个基于非定常雷诺方程的三维数值模型, 用于模拟近场溃坝流, 估计障碍物的冲击应力。他们将模型预测的压力、水深和速度分布与实验室试验进行了比较。肖和王 (2010提出了一种基于节能原理的数学方法和确定溃坝流引入的冲击应力的有限差分法。Lobovsk 等人 (2013年) 对干式水平床上的溃坝流量进行了一系列试验, 以提供对垂直下游墙体的溃坝波冲击动态的详细了解。科莫和马哈茂德 (2013年) 提出了一个具有计算流体动力学 (CFD) 能力的高效三维有限元模型, 用于研究坝决流对木材内外结构板的影响, 以及初始水量、流速、碎片形状和碎片密度在整个分析过程中各不相同, 以确定每个参数的个别影响, 以及对木材结构墙体的总体影响。以往的结果表明, 水的高度和速度对溃坝流 (Korup 和 Tweed) 的冲击应力影响最显著2007;沃尼等人2012).
由于在大量沉积物存在的情况下传播速度很快, 溃坝流可能会对下游结构或障碍物造成明显的冲击应力。因此, 可靠的冲击应力估计对于下游结构的洪水风险评估非常重要。本研究的目的是提出一个数学模型, 在能量平衡理论的基础上, 分析溃坝驱对下游结构的冲击应力;对关键模型参数进行了灵敏度分析。最后, 应用该模型对中国西南地区白沙河溃坝结构的影响应力进行了估计。本文就溃坝流动对下游结构的影响应力提出了一些有益的结论。
溃坝流引入的冲击应力。
问题假设
溃坝洪水对下游结构有影响, 可能导致这些结构的破坏 (Song 等人)。2011).图 1 显示了由溃坝洪水对下游结构的冲击应力示意图。一旦上游的大坝决断, 突然的水流就会流入下游水库。当流量到达下游结构时, 大量的能量直接影响结构, 下游水库水位同时迅速上升;这些因素可能会导致结构的失效。通过溃坝流动对这些结构施加的冲击应力的确定, 可以帮助我们在溃坝的情况下对结构进行安全评估。
图 1 溃坝洪水对下游结构冲击力的示意图
下游结构失效的机理如下: 坝体断裂流在短时间内收敛到结构上, 当结构在水面以上的部分有没有完全湿透。同时,高速溃坝洪水携带大量沉积物, 对结构造成巨大的冲击应力, 从而增加了大约相当于高达40% 的静水力的最大应力 (Bellos 等人)。1992年).图 2 显示了不同原始水位下下游水库的洪水路径过程。
图 2 不同下游水深下的洪水流筑过程：a初始高水位的下游水库 ;b初始水位较低或无水的下游水库
如图 2所示, 下游水库的原水位对溃坝流的洪水路径过程有很大影响。如果下游水库以较高的水位启动, 当溃坝水流流入下游水库时, 高速水流位于河面, 洪水主要以波浪运动的状态在水库表面;洪水在翻倒后将通过坝顶 (图 2a)。如果下游水库从低水位或无水开始, 当溃坝流量流入下游水库时, 由于水位低, 惯性效应没有发生溢流, 结构就会截流。运动方向沿坡度变化并向上移动。由于粘性效应和重力的作用, 流动的能量难以维持;它到达了顶峰, 然后掉了下来。在这种情况下 , 在下游原始水位较低的情况量的应力完全施加到结构上。
溃坝流
当大坝破裂时, 水库水以泥水的形式迅速排放, 并含有大量的原坝体材料。较大的颗粒沉积在坝址附近, 较小的颗粒随着水流被带走。在洪水路径过程中, 由于各种障碍物与通道之间的摩擦影响, 峰值流量和速度可能会逐渐下降。如果在坝址附近有结构, 水流会对结构造成巨大的、高能量的冲击应力, 导致结构的失效。
图 3 显示了溃坝流的洪水路径过程。在0-0 段, 表面高程为z 1, 水深是h 1, 并且流速是v 1.通道梯度为通道粗糙度.第1部分位于0-0 段下游, 由一个距离x;由于通道和能量转换的摩擦效应 (例如, 势能将转化为动能), 1-1 区的水位和能量小于0-0 段的数值, 表面高程为z 2, 水深是h 2, 流速为v 2, 水头损失是h。
图 3溃坝流洪水布线过程示意图
在洪水布线过程的计算中, 特征法、有限差分法、离散有限元法和有限体积法的使用非常复杂, 受到原始材料资源的限制, 制约了洪水布线过程的发展。他们的申请很大 (塔达诺布和大卫2013年;纳撒尼尔等人2014年).然而, 理论公式和工程经验所依据的经验公式具有许多优点, 包括计算的简化和资源要求的低。本文提出了计算山河溃坝水流洪水路径的理论模型, 该模型可以确定任何下游位置的水位和流速。
考虑了堤坝的大小和形状, 坝址的峰值流量可以用以下方式表示
（1）
其中是坝址的峰值流量;B是大坝的宽度;是溃坝前的初始水深;b是堤坝的宽度;g是重力引起的加速度, 9.8;是一个横截面形状指数, 可以计算如下
（2）
在这里, m反映了堤坝的形状, 可以通过以下方式确定:
（3）
其中 h是堤坝的深度, z是堤坝的坡度。如果堤坝是矩形的, m = 1;如果堤坝是三角形, m = 2。在上述参数中,B、, b、 h和z可以通过对固定储层和结构的实地研究来获得,由 Eq. 1 确定 。
在洪水路径过程的几个经验方程中, 谢国提出的统一公式(1993)适用于山河的滑坡坝,河道特征也被考虑在内:
（4）
（5）
是下游距离 x的峰值流速;是下游距离 x处的最大水深, 当x = 0、;W是储集层的储存能力;是河道的坡度;n是曼宁的粗糙度系数;A和m分别是通道截面的系数和索引,A可以确定如下:
（6）
其中B` 是通道截面的宽度, 在完全爆裂条件下, 该宽度大致等于B。通过试验方法与 Eq. 5 相结合, 可以获得A。
参数gamma;和lambda;#39;是假定值, gamma;对lambda;#39;有一定的影响, 可按如下方式确定:
（7）
（8）
山区河流中的河岸坡度一般是陡峭的, 在分析过程中将河道推广为矩形横截面, 以简化计算。考虑到这一点, 可以通过 Eqs4和5获得距离 x 下游的速度。可表述如下：
（9）
(10)
(11)
结合坝址的水流过程, 计算出溃坝流的洪水路径过程, 得到任何下游位置的最大流量和水深。根据距离x 下游的峰值流量, q Mx , 和最远 x 下游的最大水深, h Mx , 我们可以在任何下游位置获得v 。
冲击应力
大量的泥沙对结构造成了很大的冲击应力, 威胁到结构的稳定性。为了分析溃坝流引起的最大可能应力, 提出了基于能量平衡理论确定结构冲击应力的理论模型;对于结构上的溃坝流, 不考虑溢流。
非定常梯度流的能量方程可以表示如下 (Battistin 和 Iafrati)2003):
(12)
(13)
其中z 1是坝址的高程;z 2是结构的高程;v 1是在坝址的流速, 和v 2是撞到结构后的流速, 在计算过程中被认为为零;L是坝址与结构之间的距离;n是通道粗糙度;这是洪水开始以来的时间;R是液压半径, 可以表示
(14)
C 是则为 chezy 系数, 可以表示如下:
(15)
当洪水到达下游结构时, 被结构拦截, 撞上结构的上游面;然后将动能转移到结构中。公式 13 可以转换为以下格式:
(16)
在这里, z 1- z 2= H 1 -- H 2 iL是水面水平的下降;H 1是坝址的水深;H 2是结构的高度;<e
资料编号：[4453]</e
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
