文章导读
溃坝事件频发对下游水安全和防灾管理提出了严峻挑战，局部溃坝流作为溃坝水流的重要类型，其复杂的三维动力学特性给实验研究和工程应用带来了极大挑战。为了更好地理解溃坝流的演化规律和下游影响，四川大学灾后重建与管理学院牛志攀副教授与四川大学水利水电学院林鹏智教授等学者组成的研究团队系统梳理了近年来针对三维局部溃坝流的实验研究进展。文章提供了对三维 (3D) 部分溃坝流动实验建模的全面回顾，综合了关于3D部分溃坝流动的当前实验研究，重点关注溃坝动力学、波浪冲击和下游构筑物的作用。系统地归档并评估近三十年的实验成果。研究强调，三维实验能够捕捉二维模型难以再现的复杂流动特征，为数值模拟验证、防洪工程设计以及应急管理提供科学依据，并为未来研究方向提出了指导性建议。通过对实验方法和关键参数的系统总结，本文为防洪工程规划、水利安全评估以及溃坝流风险管理提供了全面的参考资料。
研究过程与结果
作者对现有文献进行了系统整理，涵盖不同规模和类型的局部溃坝实验。通过对实验设计、流量测量技术、坝体破坏模式以及下游水流演化规律的比较分析，梳理了关于3D部分溃坝实验的实验设置和初始条件、测量技术、测量指标及研究聚焦的数据集。研究指出，尽管在三维部分溃坝流动的实验建模方面已经取得了显著进展，但仍然存在关键的研究空白。通过更加真实的实验设置、先进的测量技术和改善数据共享，解决这些空白将提高溃坝建模和洪水风险缓解的准确性。
图1：局部溃坝研究的典型布置。
图2：典型部分溃决实验设施图片。(a) 干床矩形河道发生局部溃坝；(b) 湿床矩形河道发生局部溃坝。
3D部分溃坝实验设置和初始条件数据集
研究指出近期实验研究的统计分析表明，大多数研究采用狭窄的水槽，长度从1米到80米不等，宽度介于0.2米至8.3米之间。上游水深通常在0.15至0.4米之间，而下游河床普遍干燥或仅略微湿润。多数研究采用平缓的河床坡度，长度与宽度比通常低于10，尽管部分研究探索了更大规模的配置。溃口宽度约占水槽宽度的20%，口门宽度比范围在5%至50%之间。沿河道中心线对称布置的溃口占主导地位，而不对称和半对称配置仍属研究较少的领域。相当比例的研究采用光滑固定河床，而移动式或粗糙河床的应用则较为少见。虽然部分实验仍维持标准下游条件，但越来越多的研究开始引入障碍物和复杂边界特征，反映出学界对洪水-结构相互作用及城市洪水动力学的关注日益增加。这些多样化的实验设置在模型验证中发挥了基础性作用，同时正逐步推动对现实世界复杂性的复现。
实验方法评估与应用价值
结合小型实验槽和中型物理模型，以及高速摄像、流量传感器和压力传感器技术，实验能够真实再现三维溃坝流动力学特征，捕捉流量、压力和波动过程。对比不同实验方案和测量方法后，研究总结出高精度三维测量结合多点数据采集是当前最有效的实验策略。实验数据可用于验证数值模型，提升溃坝预测精度，为城市防洪规划、水利工程安全设计和应急管理提供可靠参考。此外，研究还指出了现有实验技术的局限性，为未来发展高速、高分辨率和多物理场耦合实验提供方向。
图3：选择、筛选和分析论文的工作流程图。
研究总结
本文通过对三维局部溃坝流实验研究的系统梳理，明确了影响溃流演化的关键因素，包括坝体破坏模式、初始水位及水库几何形状，并总结了不同实验方法和测量技术的适用性。研究指出，小型实验槽与中型物理模型结合多点测量是当前最有效的实验策略，能够真实反映三维流动结构和下游冲击力分布，为数值模拟模型提供可靠数据支持。此外，文章对实验结果在城市防洪规划、防洪设施设计和应急管理中的应用进行了概括，凸显了三维实验研究在理解复杂溃坝流动力学、优化实验方案以及指导实际工程应用中的价值。
研究空白与未来研究方向
尽管现有研究已取得一定进展，但目前在溃坝洪水演进机理方面仍存在显著空白。首先，既有物理模型大多采用简化的二维平面挡水结构，缺乏对真实三维坝体几何形态的复现。其次，针对溃口尺寸对下游洪水水力特性影响的系统性定量研究依然匮乏；此外，针对复杂边界条件下的溃坝流特性研究尚显不足，特别是涉及极端口门宽度比、干河床、陡峻河床、动床泥沙输移、非对称溃口位置以及特殊的下游布置等工况的研究仍有待深入。未来的实验研究应优先考虑纳入真实的三维坝体几何形态和纵向尺度，扩展测试情景，包括极端和复杂条件 (如异质坝体材料、不规则地形)，加强湍流区溃坝邻近区的流场测量，并开发先进的非侵入式测量技术 (如高速三维PIV、LIF)。应建立开放存取、标准化的实验数据仓库，并提供详细的元数据和文档，对于全球研究人员重用、基准测试和交叉验证数据集至关重要，促进协作科学方法。
原文出自 Water 期刊：https://www.mdpi.com/3511586
Water 期刊介绍
主编：Jean-Luc PROBST, University of Toulouse, France
期刊涵盖所有水资源领域相关的科学技术，主要包括全球和区域水循环的可持续管理，水资源及其与粮食、能源、生物多样性、生态系统功能和人类健康的互联。期刊鼓励领域内研究人员发表实验、理论、建模和大数据等相关研究成果。
2024 Impact Factor：3.0
2024 CiteScore：6.0
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