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溃坝波

/dam-breaking wave/
条目作者刘青泉

刘青泉

最后更新 2024-07-10
浏览 169
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向下游推进的顺水正波。又称溃坝洪水波。

英文名称
dam-breaking wave
所属学科
力学

当堤坝(或其他挡水建筑物)发生溃决时,大量水体突然下泄,上游水位陡落,下游水位陡涨,形成陡立的洪水波面,在溃口附近分为逆水负波和顺水正波分别向坝址上、下游传播。溃坝波的波前常以间断波的形式出现,波面陡立,向下游急速推进,经较长河段的槽蓄及河道阻力作用,立波不断衰减,波面逐渐平坦化。溃坝波在传播过程中,受地形地貌的影响,流态变化剧烈,常伴有波的折射和反射、叠加和破碎、旋滚和跃动等现象。

溃坝波发生时,下游水位突然升高,流量急剧增长,水流汹涌湍急,时速常达二三十千米以上。而且所形成的洪水洪峰高、水量集中,洪水过程变化急骤,破坏力远远大于一般暴雨洪水或融雪洪水。对下游航行船只、两岸堤防具有巨大的威胁和破坏作用,常常造成严重的洪水灾害。

溃坝发生和溃坝洪水波的形成往往属于偶发事件,其原因主要分为自然因素和人为因素两大类。如超标准洪水、冰凌、管涌、地震等导致堤坝溃决属于自然因素;而设计不周、施工不良、管理不善、战争破坏等导致堤坝溃决属于人为因素。

溃坝洪水波的大小和形态,常用泄水总量、坝址突泄流量过程线、最大瞬时流量、坝下游沿程最大波高或最高水位表示。其主要取决于溃坝时的库水位、蓄水量、坝下游水位、溃坝形式和溃口发展过程等。根据坝体溃决破坏的形式,可将溃坝过程分为坝体全部毁坏的全溃和坝体部分毁坏的局部溃;根据溃坝的发展过程,又可将溃坝过程分为溃口突然出现的瞬间溃和溃口随水流冲刷而逐步扩展的逐渐溃。瞬间溃的最大流量出现在溃坝初瞬,其流量过程线成下凹形退水曲线,溃坝洪水波向下游传播的总趋势是不断坦化。逐渐溃坝最大流量一般出现在最终溃口形成的瞬时。当溃口尺寸相等时,逐渐溃最大流量要小于瞬间溃的数值,且洪水过程线较瞬间溃的平缓。瞬间全溃形成的溃坝洪水波最为严重,对下游的威胁和危害也最大。

对溃坝洪水波的研究主要集中在两个方面:一是溃坝波在下游的传播过程,主要关注溃坝发生后,溃坝波迅速向下游推进,导致的下游河道的最大流量、最高水位,以及溃坝波的到达时间、沿程的流量及水位变化过程。二是溃口的发展过程,主要关注溃口大小、形状变化过程,以确定溃口处的流量过程,为下游溃坝波的传播过程提供入口边界条件。

溃坝波的流态变化剧烈、十分复杂,但基本上属于明渠急变非恒定流,可以采用浅水方程进行描述。在空间一维和二维溃坝波的数值计算上,计算采用由质量、动量守恒律导出的具有垂线平均意义的圣维南方程。目前空间一维和二维溃坝波的计算已相对成熟,空间三维溃坝波的计算还在研究。同时,针对溃坝波对河床具有强烈冲刷作用,同时考虑水流与河床相互作用的水沙耦合数值模型可以更好地描述溃坝波对河床和岸壁的冲刷过程,以及河道冲刷变形对溃坝波演进过程的影响。

溃坝口的发展过程决定了溃坝波的流量过程,是进一步研究溃坝波演进过程的先决条件。但该过程十分复杂,是一个典型的流固(水土)耦合过程。一方面,在水流的强烈作用下,溃口不断被冲刷扩大,而且在溃口的发展过程中,不仅有水流对坝体泥土的冲刷过程,同时还伴随着溃口边壁的坍塌过程。另一方面,随着溃口的发展,大小和形状都在变化,又反过来直接影响着溃口的泄洪流量,并使得溃口处的水流流态十分复杂,具有显著的三维特性。这种典型的水土耦合作用,使得对溃口发展过程的研究和预测变得十分复杂和困难。多年来,仍主要采用十分简化的各种堰流公式、基于实验和实测资料的经验公式,或基于各类针对性实验和物理模式得到的、具有较好物理意义的半经验半理论公式进行计算。近年来,基于水沙耦合的数学模型得到了很大发展,可以在一定程度上较好地描述水流冲刷导致的溃口变化过程,但还难以很好地描述土体破坏坍塌引起的溃口变化过程。基于真正的水土耦合的数学模型近年来也得到了发展,尽管还很不成熟,但仍在进一步的发展和完善之中,为该问题的解决展现了良好的前景。

  • 谢任之.溃坝水力学.济南:山东科学技术出版社,1993.

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