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可變網(wǎng)格下的堤防潰口展寬二維數(shù)學模型_袁晶

第24卷第3期2013年5月水科學進展ADVANCESINWATERSCIENCEVol．24，No．3May，2013

可變網(wǎng)格下的堤防潰口展寬二維數(shù)學模型

袁1晶，張22為，張小峰

（1.長江水利委員會水文局，湖北武漢430010；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北武漢430072）

摘要：傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)的計算網(wǎng)格不適于處理計算邊界動態(tài)變化的問題，利用動網(wǎng)格技術(shù)，結(jié)合土力學中粘性土河岸的崩塌機理，建立了可變網(wǎng)格下的堤防潰口展寬二維數(shù)學模型，在對模型進行驗證對比的基礎(chǔ)上，對北江下游的大塘圍蓄滯洪區(qū)口門處的崩塌展寬過程進行了模擬，模型計算結(jié)果表明：隨著潰堤水流對堤防土體的沖蝕，堤防發(fā)生崩塌破壞，潰口洪水流量迅速增大，與實際相符，說明通過采用可變網(wǎng)格與土力學中粘性土河岸崩塌機理相結(jié)合的計算方法，使得模型具備準確模擬蓄滯洪區(qū)口門處橫向崩塌展寬過程的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：蓄滯洪區(qū)；堤防潰口；數(shù)值模擬；可變網(wǎng)格

中圖分類號：TV147文獻標志碼：A6791（2013）03-0358-08文章編號：1001-

蓄滯洪區(qū)作為防洪工程體系中的重要一環(huán)，在江河防洪中發(fā)揮著極其重要的作用。研究分蓄洪區(qū)堤防崩塌展寬過程以及區(qū)內(nèi)的洪水演進過程，對于防洪、減災(zāi)具有十分重要的意義。在洪泛區(qū)運用過程中，當分洪口門人工扒口或自由破堤之后，，口門處的沖刷崩塌現(xiàn)象相當嚴重，現(xiàn)有的泥沙數(shù)學模型，一般僅能模擬河床的縱向沖淤過程，較難直接模擬堤防的橫向沖刷與崩塌過程，若在模擬過程中忽略其變化，則會產(chǎn)生較大誤差。為準確分析蓄滯洪區(qū)內(nèi)的洪水演進特性，首先對分洪口門處的潰口展寬過程進行較為精確的模擬，

［2-3］、Darby至目前為止，不少專家學者對此曾作過較為深入的研究，其中，最具代表性的是Osman和Thorne

等［4］［1］［5］提出的河岸穩(wěn)定性計算方法，在此基礎(chǔ)上，陳珺等對河岸沖刷過程的力學模擬方法進行了改進，提

［6］出了河床變形的平面二維混合模型，梁林和倪晉仁將其應(yīng)用到黃河潰堤口門展寬過程的計算中，計算結(jié)

果較好。然而，在計算潰口口門的崩塌展寬過程時，隨著口門堤防的崩塌，需要模型能夠動態(tài)地改變口門處的計算邊界、移動網(wǎng)格，前述固定網(wǎng)格下的數(shù)學模型很難協(xié)調(diào)蓄滯洪區(qū)內(nèi)大尺度和潰口口門處小尺度網(wǎng)格之間的矛盾，處理潰口展寬這種問題，無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在動態(tài)地增加網(wǎng)格方面也存在較大困難。假冬冬等建立了考慮河岸變形的三維水沙數(shù)值模型，采用局部網(wǎng)格可動技術(shù)處理由河岸崩塌引起的河道擺動過程，不過受到計算速度的局限，三維水沙數(shù)學模型的計算范圍也受到限制。

本文在平面二維水流泥沙數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，采用動網(wǎng)格技術(shù)，建立了可變網(wǎng)格下的平面二維堤防潰口展寬數(shù)學模型，通過將模型計算結(jié)果與實測資料進行對比，初步分析了模型的適用性；以北江下游的大塘圍蓄滯洪區(qū)作為研究對象，模擬考慮與不考慮口門橫向展寬的分洪過程，通過比較兩者的計算結(jié)果，進一步驗證可變網(wǎng)格下堤防潰口展寬數(shù)學模型的可靠性。［7］

1可變網(wǎng)格下堤防潰口展寬數(shù)學模型的建立

本文通過建立可變網(wǎng)格下的平面二維堤防潰口展寬數(shù)學模型，對蓄滯洪區(qū)的堤防潰口展寬過程進行了模擬和分析。模型所采用的基本方程如下：

07-20；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2013-03-27收稿日期：2012-

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/KCMS/detail/32.1309.P.20130327.1514.012.html

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2012CB417001）；國家自然科學基金資助項目（51009109）作者簡介：袁晶（1979－），女，湖北潛江人，高級工程師，博士，主要從事水沙數(shù)值模擬、河床演變等研究。

E-mail：13471654@qq.com

mail：zw97082@126.com通信作者：張為，E-

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