土石坝漫顶溃决过程的水土耦合动力学模型研究

IMECH-IR > 流固耦合系统力学重点实验室

	土石坝漫顶溃决过程的水土耦合动力学模型研究
英文题名	Soil-water Coupling Dynamics Model for Breaching of Earth Dam after Overtopping
	吴强
导师	刘青泉
	2015
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	流体力学
摘要	大坝溃决是重大的工程灾害之一，往往造成严重的生命和财产损失。对溃坝过程的合理模拟与预测是评估和防治这类灾害的关键科学问题。针对土石坝漫顶溃决这一复杂过程，本文采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法，分别从漫顶洪水演进过程、坝体变形破坏过程和洪水对坝体的冲刷过程三个方面开展了系统的数值模拟研究，最后建立了一个较为完整的土石坝漫顶溃决过程的水土耦合动力学模型。主要工作包括以下三个方面：针对溃坝洪水翻卷破碎的强非线性，采用适合处理自由表面流动的SPH方法，建立了溃坝洪水数值模型，并利用该模型开展了两方面洪水特性的基础性研究。（1）模拟了梯级水库依次瞬间溃决的过程，并与单库溃决做了对比；分析了坡度、上下游库容比和上游来流流量对洪峰流量的影响。（2）模拟了单个块石在斜坡浅层水流中的运动过程，其中块石、水深和粗糙度在同一尺度下，分析了坡度和块石重量对水石耦合作用的影响。针对溃坝过程中的土体大变形特性，在非关联流动法则下，采用Drucker-Prager模型，建立了基于SPH方法的三维土体变形破坏模型。在此基础上，考虑土石耦合作用，采用刚体动力学方程来描述块石运动，建立了土石混合体变形破坏的数值模型，并开展了两项有关土体变形特性的研究。（1）对土石混合体边坡变形破坏过程进行了模拟，讨论了块石大小和坡度对边坡滑移距离的影响。（2）模拟了两类不同坡面形态的三维边坡失稳破坏过程，并分别与相应的二维情况做了对比，分析了坡顶和坡脚的变形特性。基于上述有关溃坝洪水和土体变形两个方面的研究，建立了水土耦合的界面作用模型，并模拟了水体与土体背对背挤压和面对面冲击的过程以及散粒土滑坡体入水涌浪的过程，得到了光滑清晰的水土交界面。在此基础上，引入泥浆冲刷模型，模拟了二维土坝漫顶溃决过程和一个典型的底床冲蚀过程，比较合理地描述了水流对土体的冲刷发展过程。最后建立了一个较为完整的土石坝漫顶溃决过程的水土耦合动力学模型，该模型不仅能反映坝体材料和洪水冲刷等重要因素的影响，还能较好的描述溃口演变中复杂的自由表面，水土动态交界面以及坝体的变形崩塌过程。
索取号	31255
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55126
专题	流固耦合系统力学重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	吴强. 土石坝漫顶溃决过程的水土耦合动力学模型研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.

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201564111554.pdf（8932KB）			开放获取	CC BY-ND	请求全文