流域水沙水动力学模拟方法研究

面的饱水状态也在库水位的下降过程中发生变 化 ,下降 5 d 时 ,滑坡中部分界面处于饱和状态 , 孔隙水压力大于零 ,且从中部向前缘方向孔压逐 渐增大 ,在下降 10 、15 d 时浸润线附着于岩土分 界面附近 ,中后缘部分在非饱和区 ,出现负的孔 压 ,在前缘随库水位下降 ,土体饱和区减小 ,孔压 也逐渐减小 。
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收稿日期 : 2009210211 ,修回日期 : 2009212209 基金项目 : 国家自然科学基金资助重大项目 (50099620) 作者简介 : 吴作平 (19692) ,男 ,高级工程师 ,研究方向为水电调度和河流数值模拟 , E2mail :wzp710 @sina. co m
划工作且检验流域规划方案 。
关键词 : 流域 ; 水动力学 ; 水利枢纽 ; 模拟方法
中图分类号 : TV143
文献标志码 : A
流域梯级开发中 ,应充分 、合理地利用水资 源 ,即既要充分利用河流蕴藏的能量 ,又要避免水 利枢纽间产生不利的影响 (上游水库的水沙调度 不能对下游水库的安全运行产生不利影响 ;下游 水库的回水与上游枢纽的电站出水口之间应达到 安全距离) 。因此在制定流域开发规划中 ,将全流 域作为一个整体考虑 (即不但考虑各单一河道或 水库 ,同时也需研究各水利枢纽 (水库) 之间的影 响) ,就显得尤为重要 。流域水文模拟模型主要有 系统模型 、概念模型及分布式模型[1 ,2] ,在河道径 流演进特别是涉及水库冲淤和河床变形模拟计算 方面 ,水动力学方法得到了广泛应用 。鉴此 ,本文 采用线性水文模型和水动力学方法 ,以有水利枢 纽工程的某河流为例 ,对河道径流进行模拟分析 , 可供制订流域规划方案参考 。
第29卷第1期 2011年1月
文章编号 : 100027709 (2011) 0120067203
水 电 能 源 科 学 Water Reso urces and Power
Vol. 29 No . 1 Jan. 2 0 1 1
流域水沙水动力学模拟方法研究
吴作平
(五凌电力有限公司 , 湖南 长沙 410004)
算例
设图 1 中水库 A 的运行水位过程见图 2 ,其 上游 # 3 断面入库流量过程见图 3 ,水流由库前 # 1
断面至下游 # 2 断面的综合损失系数为 72. 5 , # 2
断面的形状为矩形 ,宽 100. 00 m ,河底高程 82. 39
m ,初始水位 85. 00 m ,初始水深 2. 61 m ,水库 A
结语
a. 基于饱和 —非饱和渗流理论 ,采用二维有 限元渗流分析软件对库水位以 2 m/ d 的速度下 降时 ,引起川主庙滑坡在不同时间下的渗流场变 化进行有限元模拟 ,获得了水位变化下库岸滑坡 地下水渗流场的基本规律 ,为滑坡的稳定性评价 和治理提供了理论依据 。
b. 在滑坡渗流场有限元数值分析中 ,本文将 同种属性的岩土体等效为连续介质 ,实际上滑坡
Seepage Analysis of Landslide under Condition of Water Level
Fall ing in Three Gorges Reservoir
L I Do ngqin , HAN Wenxi ,PAN G Mao kang (National Laborato ry of Geo hazards Prevention and Geo2Environment Protectio n ,
[ 4 ] 刘红岩 ,秦四清. 库水位上升条件下边坡渗流场模 拟[J ] . 工程地质学报 ,2007 ,15 (6) :7962801.
[ 5 ] 陈浩 ,黄静 ,林锋. Geo St udio 软件在土坡饱和 —非 饱和渗流分析中的应用[J ] . 四川建筑 ,2008 ,28 (6) : 67268 .
大坝 (或闸门) 下的水流为突变流 ,并可能存
在不连续现象 (如气蚀 、雾化等) ,因此这种特殊节
点不能满足动量衔接条件 。由水力学知识可知 , 上述情形下能量守衡条件仍能得到满足[6] ,且经
水利枢纽的水流能量损失 (包括过坝损失和消能
池损失等) 易于计算 ,因此在流域模拟中可采用能
量衔接条件来处理枢纽上下游的衔接问题 。
流域水文线性模拟方法
本文采用线性水文模型进行模拟 ,包括线性 时变组合模型和线性流域网络模型两种 。线性时 变组合模型将流域视为河道和水库 (湖泊) 的组 合 ,不同组合的河道和水库产生不同的概念模型 。 河道和水库的基本组合包括线性时变河道的串 联 、线性时变水库的串联 、线性时变河道和水库的 串联 。具体计算方法见文献[ 3 ] 。
式中 ,V d 为水库的死库容 。求得水库下游 # 2 断 面的流量和水位 ,见图 4 。求出水库下游的流量
图 4 水库下游 # 2 断面流量和水位过程线 Fi g . 4 Fl ood a nd w a t e r l e vel c urve of s e c t ion 2 do w n w ard of re s ervior
和水位后 ,即可根据水库的泥沙调度情况计算水 库下游的泥沙要素和河床变形 。
图 1 水利枢纽上下游水流衔接情况示意图 Fi g . 1 S ke t c h map of f l ood c onne c t i on do w n w ard
a nd up w ard of p roje c t
图 1 为水利枢纽上下游水流衔接情况示意
图 。图中将 水 利 枢 纽 ( 包 括 消 能 池) 即 断 面 # 1
和 # 2 之间的区域视为一个节点考虑 ,则根据能量
衔接条件 ,有 :
Δz1
- Δz2
+
1 g
(
Q1ΔQ1
A
2 1
-
Q21ΔA
A
3 1
1
)
-
1 (1 g
+ξ)
(
Q2ΔQ2
A
2 2
-
Q22ΔA
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由图 4 可知 ,水库下游的流量和水位与水库 的运用情况关系密切 ,当水库水位较低时 ,下游断 面的水位与其他时段同流量情况下相比 ,相对较高。
需说明的是 ,此算例仅考虑了枢纽的上下游 衔接情况 ,当下游还有其他水库时 ,还需考虑下游 水库对上游水库的影响 。如图 1 中当下游水库的 回水末端 ( # 4 断面) 到达消能池以上时 ,必然影响 上游水库的运营 ,因此还需对下游水库的变动回 水区进行验算并调整 。
Chengdu U niversity of Technology , Chengdu 610059 , China) Abstract : Choo sing t he one2one lo ngit udinal section of Chuanzho u temple in Three Gorges reservoir area as t he calcu2 latio n section , two2dimensional finite element seepage analysis software is applied to carry out unstable numerical simula2 tio n of seepage field in conditio ns of reservoir water level falling based o n t he t heo ry of sat urated2unsat urated seepage flow. U nder t he conditio n of reservoir water level falling , t he landslide p hreatic line , t he variatio n of total head and pore
式中 , z1 、z2 分别为断面 # 1 、# 2 的水位 ; Q1 、Q2 分 别为断面 # 1 、# 2的流量 ; A1 、A2 分别为断面 # 1 、# 2 的面积 ;ξ为水流经过坝和消能池时的综合局部损 失系数 ,与水坝出流方式和消能池的性质有关;坝 前流量 Q1 ≈0 。Q2 与水库容积水位关系ΔV ( z1 ) 、 水库调度情况 ( z1 、Δz1 ) 等因素有关 :
[ 2 ] 吴宏伟 ,陈守义 ,庞宇威. 雨水入渗对非饱和土坡稳定 性影响的参数研究[J ]. 岩土力学 ,1999 ,20(1) :1214.
[ 3 ] Fredlund D G , Rahardjo H. 非饱和土土力学 [ M ] . 陈仲颐 ,张在明 ,陈愈炯 ,等译Leabharlann Baidu 北京 :中国建筑工业 出版社 ,1997.
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[ 4 ] 吴作平 ,杨国录 ,甘明辉. 河网水流数值模拟方法研 究[J ] . 水科学进展 ,2003 ,14 (3) :3502353.
[ 5 ] 吴作平 ,杨国录 ,甘明辉. 复杂河网水沙数学模型研 究[J ] . 水科学进展 ,2004 ,15 (3) :3362340.
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的容积与水位的关系式为 :
V = 5. 5 ×107 z1 + V d
(3)
图 2 水库水位 时间关系曲线 Fig. 2 Rela t ion curve of res revior’s w a t er level and t ime
图 3 水库上游 # 3 断面流量过程线 Fi g . 3 Fl ood c urve of s e c t i on 3 up w ard of re s e rvi or
内存在大量裂缝 ,本文未能考虑裂缝的影响 ,是渗 流场数值模拟的不足之处 。同时开发库水位下降 和降雨入渗条件下滑坡三维渗流应力耦合分析软 件也是未来进一步研究的方向 。
参考文献 :
[ 1 ] 帅红岩. 三峡库区晒盐坝滑坡在暴雨与库水位下降 条件下的稳定性分 析 [ D ]. 成 都 : 成 都 理 工 大 学 , 2010.
流域模拟的水动力学方法
方法
任何复杂的流域均由进口 、单一河段 、河网 、
湖泊或水库 (水利枢纽) 、出口等元素组合而成 。
对未修建控制工程的流域或河段 (含湖泊) ,其水
沙数值计算 (全流域或局部) 可采用单一河段或河
网水沙数值模拟的方法 ,在流域各进口 (支流) 水
沙过程 、出口水位控制过程和地形条件已知的情
况下 ,即可计算全流域范围内任意计算断面的水 沙要素和河床变形情况[4～8] 。但对有水利枢纽工
程控制的河流 ,情形就较为复杂 ,若将整个枢纽工
程 (包括消能池) 视为一个特殊节点 ,则采用水动
力学方法进行流域模拟的关键在于处理特殊节点
的衔接 ,即枢纽上游计算断面 (坝或闸门前) 和下
游计算断面 (消能池后) 的衔接问题 。
Q2 ( t) = f ( Q1 ( t) , z1 ( t) ,Δz1 ( t) ,ΔV ( z1 ) , …)
(2) 式中 z1 、Δz1 均由水库调度情况确定 。 结合式 (1) 、(2) , 即可求出坝下游断面 # 2 的 流量和水位 。断面 # 2 的泥沙因素的计算取决于
水库 A 的泥沙调度情况和水库 B 回水情况 ,若水 库 B 回水未到达断面 # 2 ,则仅取决于水库 A 的泥 沙调度情况 。
摘要 : 分析了流域模拟中常用的水文学方法 ,基于单一河段和复杂河网水沙数学模型研究成果 ,研究了流域
中水利枢纽上下游的水动力学衔接条件 ,并采用概化的算例对枢纽上下游进行了水动力学模拟 。结果表明 ,
本文方法可用于对各种类型的流域 (含枢纽工程 、水库 、湖泊等) 进行水沙数值计算 ,同时也可宏观控制流域规
结语
在一定的水利枢纽上下游水流衔接条件下 , 采用线性水文模型和水动力学方法对某流域进行 水沙数值计算 。计算结果可供河流整治 、防洪等 部门参考 ,还可在流域规划工作中起宏观控制作 用 ,并可用于检验流域规划方案的可行性 。
参考文献 :
[ 1 ] 熊立华 ,郭生练. 分布式流域水文模型[ M ] . 北京 :中 国水利水电出版社 ,2004.