《Water》：A Detailed Simulation of Overtopping-Induced Breach Processes and Breach Evolution in Non-Cohesive Earth Dams
Shengyao Mei,
Yu Li,
Jianjun Xu,
Qiming Zhong,
Yibo Shan and
Lingchun Chen
编辑推荐：
本文针对非黏性土坝漫顶溃决过程预测精度不足的问题，研究了一种新型的三维精细数值模拟方法。该方法基于有限体积法，耦合了RANS-VOF水动力模块、非黏性土侵蚀模块及动态溃口演化模块。通过经典溃坝算例与公开水槽实验验证，该模型可高精度地复现溃口的流量过程线与形态时空演化，在溃口峰值流量与峰值时间等关键参数的预测上相对误差小于5%。本研究为土石坝溃决风险评估与应急管理提供了可靠的数值工具。
滑坡坝、泥石流坝等由砂、砾石或其混合物构成的非黏性土坝，在自然界和半工程场景中广泛分布。由于这类坝体抗冲刷能力弱，极易在漫顶水流作用下发生溃决，据统计超过90%的天然坝溃决事件均由漫顶引发。一旦溃决，积蓄的库水短时倾泻，形成破坏力惊人的溃坝洪水，严重威胁下游安全。2018年中国的白格滑坡坝两次发生漫顶溃决，峰值流量高达31,000立方米/秒，影响超过10万人。因此，准确理解漫顶溃决机理并预测溃口发展过程，对于防灾减灾至关重要。然而，传统的溃坝研究方法——实地观测难以获得系统数据，物理模型实验成本高且难以完全复现原型特征，早期经验模型则缺乏物理基础。尽管后续发展了一些基于物理的简化模型，但其在维度简化、侵蚀机理等方面仍有局限，难以对溃口形成过程和水流动力进行精细化模拟。为此，研究者们致力于发展更为精细的数值模型。《Water》期刊上发表的一篇论文，即聚焦于此，报道了一项旨在实现非黏性土坝溃决过程高保真模拟的研究。
为了攻克这一难题，研究人员建立了一套改进的三维精细数值方法。该方法的核心在于集成了三个核心模块，并采用优化的分时步迭代算法，解决了先前模型中的时间不一致问题。具体而言，首先，三维水动力模块采用雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)描述瞬态、不可压缩的湍流水流，并结合流体体积法(VOF)追踪自由水面。湍流模拟选择了适用于高剪切流的重整化群RNG k-ε模型。其次，坝体材料侵蚀模块考虑了非黏性土颗粒的启动和输移机制，并对宽级配土体中的不同粒径组进行了分数输运计算。最后，动态溃口演化模块将水流-泥沙计算与重力崩塌在同一个计算循环内进行耦合，从而更好地再现了溃口在垂直方向加深和水平方向拓宽的同步发展过程。模型验证分两个层面进行：一是经典的溃坝基准算例，二是已发表的关于非黏性土坝漫顶溃决的水槽实验数据。
研究结果显示，所建立的模型能够精确地模拟溃坝过程的关键物理特征。1. 模型验证与精度评估：与公开的物理实验数据相比，模型预测的溃口流量过程（溃口水文过程线）和流深与观测结果高度吻合。对溃口峰值流量和峰值到达时间的预测，相对误差均小于5%，表现出高保真度。2. 溃口形态的时空演化：模型成功再现了溃口在发展过程中不断垂向冲刷和侧向扩展的动态过程，特别是对溃口边坡因水流冲刷导致失稳、崩塌的物理过程模拟准确。3. 耦合机制的体现：模型实现了溃口水流、坝体材料侵蚀与溃口形态演变三者之间的动态耦合，显示出它们之间相互影响、相互作用的关系，这是相对于许多简化模型的重要优势。
该研究的结论指出，所提出的改进三维数值模型能够高精度地模拟非黏性土坝的漫顶溃决过程。其核心贡献在于，通过将基于RANS-VOF的水动力模拟、非黏性土侵蚀的分数输运模型以及耦合侵蚀与重力崩塌的溃口发展模块进行有机结合，并引入优化的分时步迭代策略，实现了对溃口形成、发展直至最终形态全过程的精细化、高保真度的数值再现。该模型克服了以往经验模型物理基础薄弱、简化模型维度受限且难以模拟复杂水流动力特征的缺点。其预测结果在溃口流量、峰值时间及溃口几何形态演变方面均与实验数据高度一致，为土石坝（特别是天然形成的非黏性土坝）的溃决风险定量评估、应急预案制定以及工程设计优化提供了一个可靠、高效的数值分析工具，具有重要的科学意义和工程应用价值。
