Page 119 - 2024年第55卷第4期

水 利 学 报

２０２４年 ４月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ４期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０４ － ０４９３ － １２

两级堰塞坝连溃过程数值模拟及溃口流量演化特征研究

１
陈灵淳 ，钟启明 １，２，３ ，梅胜尧 １，４ ，张露澄 １
（１．南京水利科学研究院 岩土工程研究所，江苏 南京 ２１００２４；２．水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 ２１００９８；
３．水利部水库大坝安全重点实验室，江苏 南京 ２１００２９；４．河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 ２１００９８）

摘要：在强震作用下，高山峡谷区易发生滑坡堵江形成串联的梯级堰塞坝，其中一级一旦溃决易引发梯级连溃。
本文基于三维雷诺平均 Ｎａｖｉｅｒ － Ｓｔｏｋｅｓ方程、湍流重正化群模型，以及悬移质和推移质冲蚀方程，并考虑溃口边坡
的失稳坍塌，采用有限体积法建立了梯级堰塞坝连溃过程数值模拟方法，用于模拟连溃过程中的水动力特征及梯
级堰塞坝的溃口形态演化过程。选择典型的两级堰塞坝连溃概化模型试验作为数学模型验证案例，对比实测值和
计算结果发现，上下游堰塞坝溃口洪水流量过程和溃口形态演化过程基本一致，上下游堰塞坝溃口峰值流量、区
间洪水演进时间等关键参数的相对误差小于±５％；比较上下游堰塞坝溃口洪水流量过程发现，梯级堰塞坝发生连
溃时，溃坝洪水存在级联放大效应。选择上下游堰塞坝距离、河道坡度和下游坝坝高等三个关键参数，研究连溃
洪水的放大效应及其影响因素，参数敏感性分析结果表明：下游坝溃口峰值流量随两坝间距和下游坝坝高的减小
而增大，随河道坡度的增长呈先增大后减小的趋势；上游坝溃决洪水演进至下游坝时可能产生涌浪翻越并冲蚀坝
顶，导致坝顶高程降低，并对下游坝发生溃决的时间以及溃口峰值流量产生影响，因此涌浪对下游坝溃决过程的
影响与涌浪翻越坝顶的水量以及坝料冲蚀特性相关。选择小岗剑上、下两级堰塞坝连溃案例，通过对比计算和实
测的溃口流量以及溃口形态发现，关键溃坝参数的相对误差小于±１０％，验证了模型在实际案例中应用的合理性，
本文提出的数值模拟方法可为梯级堰塞坝连溃风险评估和应急处置提供重要技术支撑。
关键词：梯级堰塞坝；连溃；精细化模拟；放大效应；参数敏感性分析
＋
中图分类号：ＴＶ１２２．４
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０５６９
１ 研究背景

堰塞坝是在地震、降水等因素作用下，山体发生滑坡、崩塌、碎屑流等产生的堆积物堵塞河道，
而形成的天然坝体 ［１］ 。堰塞坝常发生于高山峡谷地区而广受关注，高山峡谷区遭遇强震后常会引发多
处山体发生滑坡，可能导致河道上形成大量串联的堰塞坝，其中一座堰塞坝的溃决就有可能引发 “多
米诺骨牌” 效应产生梯级连溃，造成流域尺度系统性超标准洪水风险，对下游人民生命财产和基础设
施造成巨大威胁 ［２］ 。例如，１９３３年 ８月 ２５日，我国四川省茂县叠溪发生 ７．５级地震，岷江干流自上
而下形成叠溪 海子、小海 子、大 海 子 等 三 个 堰 塞 坝 并 相 继 溃 决，大 海 子 堰 塞 坝 溃 口 洪 峰 流 量 高 达
３
１００００ｍ ?ｓ以上，约为岷江万年一遇洪水的 ６倍，对下游造成巨大影响 ［３］ 。２００８年 ５月 １２日，汶川
地震诱发形成了 ２５７座堰塞坝，出现一条河流上多座串联梯级堰塞坝的情况，对人民生命财产安全构
成巨大威胁 ［４］ 。
国内外围绕梯级堰塞坝连溃过程中溃口形态演化和溃坝水流水动力特性开展过相关的模型试验和
数值分析工作。Ｃａｏ等 ［５］ 、Ｎｉｕ等 ［６］ 、Ｚｈｏｕ等 ［７］ 、Ｃｈｅｎ等 ［８］ 、Ｔａｋａｙａｍａ等 ［９］ 、Ｈｕ等 ［１０］ 开展了系列小

收稿日期：２０２３ － ０９ － １７；网络首发日期：２０２４ － ０４ － ２５
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０４２３．１１１６．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（Ｕ２２Ａ２０６０２，Ｕ２０４０２２１，４２２０７２２８）
作者简介：陈灵淳（ ２０００ － ），硕士生，主要从事梯级堰塞坝溃决灾害预测理论与模拟方法研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｃｃｈｅｎ＠ｎｈｒｉ．ｃｎ
通信作者：钟启明（１９８１ － ），正高级工程师，主要从事土石（堰塞）坝溃坝灾害预测理论与防控方法研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｑｍｚｈｏｎｇ＠ｎｈｒｉ．ｃｎ
— ４ ９ ３ —