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可變網(wǎng)格下的堤防潰口展寬二維數(shù)學(xué)模型_袁晶

第24卷第3期2013年5月水科學(xué)進(jìn)展ADVANCESINWATERSCIENCEVol．24，No．3May，2013

可變網(wǎng)格下的堤防潰口展寬二維數(shù)學(xué)模型

袁1晶，張22為，張小峰

（1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，湖北武漢430010；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430072）

摘要：傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)的計(jì)算網(wǎng)格不適于處理計(jì)算邊界動(dòng)態(tài)變化的問(wèn)題，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，結(jié)合土力學(xué)中粘性土河岸的崩塌機(jī)理，建立了可變網(wǎng)格下的堤防潰口展寬二維數(shù)學(xué)模型，在對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比的基礎(chǔ)上，對(duì)北江下游的大塘圍蓄滯洪區(qū)口門(mén)處的崩塌展寬過(guò)程進(jìn)行了模擬，模型計(jì)算結(jié)果表明：隨著潰堤水流對(duì)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(shí)際相符，說(shuō)明通過(guò)采用可變網(wǎng)格與土力學(xué)中粘性土河岸崩塌機(jī)理相結(jié)合的計(jì)算方法，使得模型具備準(zhǔn)確模擬蓄滯洪區(qū)口門(mén)處橫向崩塌展寬過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)。

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(lèi)號(hào)：TV147文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A6791（2013）03-0358-08文章編號(hào)：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(guò)程以及區(qū)內(nèi)的洪水演進(jìn)過(guò)程，對(duì)于防洪、減災(zāi)具有十分重要的意義。在洪泛區(qū)運(yùn)用過(guò)程中，當(dāng)分洪口門(mén)人工扒口或自由破堤之后，，口門(mén)處的沖刷崩塌現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，現(xiàn)有的泥沙數(shù)學(xué)模型，一般僅能模擬河床的縱向沖淤過(guò)程，較難直接模擬堤防的橫向沖刷與崩塌過(guò)程，若在模擬過(guò)程中忽略其變化，則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。為準(zhǔn)確分析蓄滯洪區(qū)內(nèi)的洪水演進(jìn)特性，首先對(duì)分洪口門(mén)處的潰口展寬過(guò)程進(jìn)行較為精確的模擬，

［2-3］、Darby至目前為止，不少專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此曾作過(guò)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(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上，陳珺等對(duì)河岸沖刷過(guò)程的力學(xué)模擬方法進(jìn)行了改進(jìn)，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(mén)展寬過(guò)程的計(jì)算中，計(jì)算結(jié)

果較好。然而，在計(jì)算潰口口門(mén)的崩塌展寬過(guò)程時(shí)，隨著口門(mén)堤防的崩塌，需要模型能夠動(dòng)態(tài)地改變口門(mén)處的計(jì)算邊界、移動(dòng)網(wǎng)格，前述固定網(wǎng)格下的數(shù)學(xué)模型很難協(xié)調(diào)蓄滯洪區(qū)內(nèi)大尺度和潰口口門(mén)處小尺度網(wǎng)格之間的矛盾，處理潰口展寬這種問(wèn)題，無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在動(dòng)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(dòng)技術(shù)處理由河岸崩塌引起的河道擺動(dòng)過(guò)程，不過(guò)受到計(jì)算速度的局限，三維水沙數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍也受到限制。

本文在平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用動(dòng)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(xué)模型，通過(guò)將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)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(duì)象，模擬考慮與不考慮口門(mén)橫向展寬的分洪過(guò)程，通過(guò)比較兩者的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證可變網(wǎng)格下堤防潰口展寬數(shù)學(xué)模型的可靠性。［7］

1可變網(wǎng)格下堤防潰口展寬數(shù)學(xué)模型的建立

本文通過(guò)建立可變網(wǎng)格下的平面二維堤防潰口展寬數(shù)學(xué)模型，對(duì)蓄滯洪區(qū)的堤防潰口展寬過(guò)程進(jìn)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(shí)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(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012CB417001）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51009109）作者簡(jiǎn)介：袁晶（1979－），女，湖北潛江人，高級(jí)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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