两种溃坝模型在唐家山堰塞湖溃决模拟中的对比

基于唐家山堰塞坝溃决的实测数据,使用BREACH模型及中国水科院DB-IWHR模型,对唐家山堰塞坝溃决过程进行了反演分析,并对两种模型进行参数敏感性分析。研究结果表明:使用针对唐家山的参数,两种模型均可较好地反演唐家山溃决洪水的过程,BREACH模型的下游坡比和孔隙率是对结果影响比较敏感的输入参数;DB-IWHR模型在冲刷参数和下游水深计算两方面做了改善,较好地解决了这一问题;DB-IWHR提供了一个Excel格式的计算软件,数值分析稳定性好,使用简洁客观,可供类似堰塞湖应急处置时参考。     

均质土坝漫顶溃坝过程数学模型研究及应用

国内外大量模型试验表明,"陡坎"式冲蚀是均质土坝漫顶溃决的重要机理。近年来,各国学者开发了一系列的考虑"陡坎"式冲蚀的溃坝过程数学模型,但模型均采用了"陡坎"出现在下游坡脚的假设。通过大比尺均质土坝漫顶溃决模型试验发现,对于坝高较大的均质土坝,"陡坎"出现的位置与漫顶水头和下游坝坡坡比存在内在联系,且"陡坎"的移动速率与坝料的物理力学指标相关,因此初始冲坑的位置和"陡坎"移动参数的选取对于溃坝过程模拟结果的合理性具有重要意义。本文借鉴国内外的漫顶溃坝过程数学模型,提出一个可考虑均质土坝漫顶溃决过程中"陡坎"移动的数学模型。该模型通过漫顶水流特征和坝体形状参数确定下游坡初始冲坑的位置,采用能量分析方法模拟"陡坎"移动,并通过室内与现场模型试验提出可考虑坝料黏粒含量、含水率、干密度等指标的"陡坎"移动参数;利用基于水流剪应力原理的冲蚀速率公式模拟溃口纵向下切与横向扩展;采用宽顶堰流量公式计算溃口流量,通过极限平衡法分析溃坝过程中溃口边坡的稳定性,采用迭代的数值计算方法模拟整个溃坝过程。选择国内外典型的大比尺均质土坝漫顶溃坝试验和有实测资料的溃坝案例对模型进行验证,并研究了是否考虑"陡坎"冲蚀对溃坝模拟结果的影响;通过模型计算分析可以得出,本文提出的数学模型可合理模拟均质土坝的漫顶溃坝过程。     

堰塞坝漫顶溃决试验及相关数学模型研究

针对当前堰塞坝溃决试验粒径取值偏低和粒径相差不大的现状,采用两组粒径差别明显的砂样进行了堰塞坝垭口漫顶溃决试验。试验表明,同条件下粗、细两种颗粒坝体的溃决现象有着较明显的不同。垭口挡板提起后,细颗粒坝体以下切侵蚀为主,冲刷强度比较剧烈,坝体较容易发生溃决;而粗颗粒坝体则是以渗流出流形成的溯源冲刷为主,冲刷强度较低,溯源面逐渐向上发展,只有当其发展到垭口下端附近时坝体才有可能迅速发生溃决。试验还发现,下游坝坡对溃决过程的影响比较显著,坝坡越陡,坝体越易溃决,溃口的平均展宽速率也越大。此外以deVries输沙率公式为基础建立了具有物理意义的概念性溃口出流计算模型,并采用试验实测数据对该模型进行了验证,结果表明该模型具有良好的适用性。     

无黏性土坝漫顶溃决过程及机理研究

以室内试验为技术手段,以无黏性非连续宽级配沙砾料土坝为研究对象,首次尝试采用"埋入式轻型冲蚀捕捉器"动态记录溃决过程。在上游恒定来流量30 L/s条件下,研究了洪水漫顶条件下坝体(1 m高)的冲蚀过程和溃口水力要素变化过程。明确提出了坝体溃决过程的4个阶段:即侵蚀沟形成发育阶段(下游坡面侵蚀缓慢渐进)→"多级跌坎"冲刷阶段(下游坡面冲蚀能力逐渐加大)→"瀑布状跌落水流"冲蚀阶段(坝体快速溃塌)→坝体冲蚀趋于稳定阶段。初步分析了坝体溃决的机理,揭示了冲蚀过程的非均衡性和溃口水力要素的强非恒定流特性。     

堰塞坝漫顶溃口流量变化过程的数值模拟

根据一般滑坡堰塞坝特点和实际观测到的堰塞坝溃口发展规律建立了一个溃口扩展模式,并将溃口扩展过程归纳为溃口垂直下切、横向扩展和坝坡溯源冲刷3种主要表现形式,采用通过试验资料建立的高强度泥沙冲刷计算公式将这3种表现方式联系在一起,建立了堰塞坝逐渐溃决数学模型,并利用实测溃坝资料验证了模型的可靠性.考虑到溃坝洪水计算的极大不确定性,本文对计算模型中的关键参数给定一定变幅范围进行计算,研究了其对计算结果的影响.研究结果表明,堰塞坝残留坝体高度和坝体物质抗冲性是影响溃坝流量的最重要因素,库容特性的影响相对较小.     

沟后面板砂砾石坝溃坝机理模型试验研究

本文通过模型试验揭示了有关沟后面板砂砾石坝溃坝的原因.单纯是面板顶端接缝漏水只出现垂直向下的渗流，上部下游坝坡没有逸出水流.接缝漏水同时面板顶端与坝体之间大范围的相脱开，才会再现上部下游坝坡逸出渗流.溃坝前坝体中部并未全饱和.溃坝机理是坝顶存在k＞1.0cm/s且呈上下游连通的极强透水层，面板顶端又是脱开坝体的，接缝漏水使极强透水层与库水直接相连通，因而产生较大的水平向的水力比降，使之管涌和接触冲刷，同时渗流冲刷坝坡，引起崩塌.最后防浪墙失稳倒塌，库水漫顶而下，最终溃决.     

耦合溃口演变的二维洪水演进数值模型研究

为更好地模拟溃坝洪水过程,本文采用源项法耦合了溃口演变模型DB-IWHR与基于GPU加速技术的二维水动力模型,建立了一个包含上游库区二维水动力过程、溃口演变和下游淹没区二维洪水演进的高性能耦合模型。模型中所用源项法为在同一时间步长内,通过二维浅水方程的源项将溃口演变模型计算的流量转换为二维水动力模型溃口上下游各标记网格水深的变化值,以此来实现溃口上下游之间的水量交互。该模型的优势在于所用源项法简单易实现,充分考虑溃口的冲刷过程及上下游水动力过程,同时引入GPU技术加速计算。最后,将耦合模型应用于一个土石坝和两个堰塞坝溃决算例,所得结果与实测吻合较好,模型运行快速高效,这表明基于源项法的耦合模型可实现对土石坝、堰塞坝溃坝等灾害事故的合理高效预测,为应急抢险工作提供有力支撑。     

土石坝溃决过程数值模拟研究进

土石坝的溃决将对淹没区的人民生命财产带来巨大灾难,因此土石坝溃决过程的研究对溃坝致灾后果的评价具有重要意义。首先对大坝的溃决原因进行了分析,并依据常用的土石坝溃决数学模型的分类标准,着重介绍了土石坝溃决参数模型、土石坝溃决过程简化模型和土石坝溃决过程精细化模型的研究进展,对现有成果的优缺点进行了分析总结,并对今后研究的重点提出了相关建议。     

Effects of upstream and downstream slopes and clay content on levee's breaching by overtopping

The present study investigated the effects of clay content and levee's slopes on the breach formation process for levees constructed by both cohesive and non‐cohesive soils. Twelve experiments were carried out and the breach formation of levees was observed by measuring the breach discharge variations and scour topography with time. The initiation of surface erosion was analysed by comparing the estimated bed shear stress and the critical soil shear stress, and the rate of erosion during breaching was estimated by employing the erosion index. The erosion of levees due to overtopping was classified into three regimes of uniform surface erosion, erosion from the toe, and single scour formation. It was found that the upstream levee's slope had negligible effects on the breach process, whereas the downstream slope significantly increased the erosion index. The peak breach discharge increased with increasing downstream slope and it occurred earlier. Experimental results also showed that the peak breach discharge was higher in non‐cohesive levees than the cohesive embankments and it occurred much earlier. Based on dimensional analysis, empirical equations were proposed to predict the breach discharge and the topography of erosion during the breach.     

土石坝漫顶溃决模式与溃坝参数预测

利用黏土和黄砂混合配制试验筑坝材料,开展水槽试验,模拟均质土石坝漫顶破坏过程,研究溃坝模式对溃坝参数的影响。试验中观测到3种漫顶破坏模式:陡坎蚀退冲刷溃决模式(M1)、剪切蚀退坍塌溃决模式(M2)和浸泡剥蚀破坏模式(M3)。相同库容和坝高条件下,不同模式最大溃决流量差异较大:Q_p(M2)>Q_p(M1,M3);定义水流开始漫顶至水库内库存水流构成漫坝破坏的主要动力源的时间为漫顶临界时间T_C,则T_C(M2)<T_C(M1)<T_C(M3)。溃坝模式反映了漫顶流量、初始溃口、坝高和筑坝材料等因素对漫顶溃决的综合影响,是除坝高、库容外溃坝参数预测的重要影响因子。     

土石坝漫顶溃决过程数值模拟研究

针对水动力条件变化复杂、水土耦合作用强烈的土石坝溃决过程,结合水库调洪演算、清水冲刷以及溃口冲刷侵蚀机理,在Breach模型基础上建立了土石坝漫顶溃口流量过程计算物理模型。结果表明:模型对JP水库大坝溃决过程的模拟,很好地再现了溃决洪水流量过程线、溃口展宽和下切过程,验证了模型的合理性和应用潜力。     

坝体土料黏粒质量分数对均质土坝漫顶溃决过程的影响

为了研究坝体土料黏粒质量分数对均质土坝漫顶溃决过程的影响,建立了描述均质土坝溃坝溃口发展规律的溃坝数值模型,对实体溃坝案例进行了反馈分析,验证了模型的合理性,并利用该模型重点研究了坝体土料黏粒质量分数对均质土坝溃口发展规律和洪水流量过程的影响。结果表明:坝体土料的黏粒质量分数对均质土坝的溃口发展规律、最终溃口形状以及溃口洪水流量过程具有明显影响,土体黏粒质量分数越高,其临界起动流速越大,冲蚀率越小,均质土坝溃口的发展速率越慢,溃口边坡的失稳坍塌临界深度越大,从而导致最终溃口形状也越小,相应地溃口洪峰流量及最大下泄水量也越小,溃口洪峰流量出现的时间越迟。     

堰塞坝漫顶溃决过程及其受组成结构的影响

以四川茂县宗渠堰塞坝为原型,以几何相似比1〖DK(〗∶〖DK)〗100进行堰塞坝漫顶溃决模型试验。通过模型试验揭示了堰塞坝漫顶溃决的动力学过程,即下游坡面侵蚀、冲沟侵蚀、陡坎稳定侵蚀、陡坎加速侵蚀、陡坎减速侵蚀和常态化过程6个阶段。通过对比试验,揭示了坝体密度和级配特征对溃决速率以及溃口形式的影响机制,即坝体密度通过颗粒间剪切作用于溃决过程,密度更大的坝体溃决更慢,形成中轴线处窄浅的“矩形”溃口;坝体级配通过孤粒起动作用于溃决过程,级配更粗的坝体溃决更慢,形成中轴线处宽浅的“倒梯形”溃口。     

考虑材料冲蚀性沿深度变化的堰塞体漫顶溃决模拟

合理预测堰塞体的溃决过程对于致灾后果评价和防灾减灾工作的开展具有至关重要的意义,但由于堰塞体结构和材料的复杂性,给预测工作带来了挑战。基于堰塞体的地质勘察资料和溃决机理,建立了一个可考虑材料冲蚀特性随深度变化的堰塞体漫顶溃决过程数学模型。模型主要包括水动力模块、材料冲蚀模块和溃口发展模块,并采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟堰塞体溃决时的水土耦合过程。选择拥有实测资料的白格“11·03”堰塞体溃决案例对模型进行验证,模拟结果验证了模型的合理性。参数敏感性分析结果表明,堰塞体材料冲蚀系数对溃口流量过程具有重要影响,堰塞体材料临界剪应力对溃决过程影响较小;另外,开挖泄流槽可大幅降低库容较大堰塞湖溃决时的溃口峰值流量,是一种行之有效的减灾手段。     

沟后水库溃坝原因分析

沟后水库大坝溃决后，曾引起国内外坝工专家，学者的广泛关注和讨论，有的单位还开展了专题研究。这种研究和讨论，将有助于加深对该大坝溃决原因的认识和分析，从现有资料来看，其主要原因是面板系统及坝顶趾板缝结构与施工质量问题，存在着漏水，坝体结构没有设置关键性的排水层，致使弱透水性的砂砾石坝体饱和，坝体上部首先失去静力稳定而造成大坝溃决。今后，我们应当从中认真吸取经验教训，避免类似溃坝问题再度发生。     

尾矿库漫顶溃决动态演化及溃口展宽模型试验

为研究尾矿库漫顶溃决动态演化过程与溃口发展机理及规律,通过3组相似模型试验,对溃口展宽过程和演变机理进行了系统分析,提出了尾矿坝漫顶模式下溃口展宽速率的幂函数公式,并讨论了库水位上升阶段浸润线的变化过程及溃决阶段不同浸润线埋深条件下流速、流量、溃口宽度的变化过程。研究结果表明：尾矿坝的溃决过程可分为坝面漫流与冲沟形成、坝体崩塌与溃口快速扩张及稳定泄流3个阶段;浸润线埋深对流量、流速及溃口最终宽度有较大影响,排渗失效时峰值流量及溃口最终宽度接近正常排渗时的1.5倍,峰值流速可达1.2～1.3倍;降低浸润线高度可以延缓溃决泥石流到达下游的时间,紧急撤离时间也可延长3 min左右;提出的幂函数公式计算值与实测值吻合较好。     

高面板坝土工格栅加固机制及抗震加固效果分析

现有土石坝震害调查、模型试验以及动力反应分析等研究结果表明,靠近坝顶区的上部坝坡是土石坝抗震的薄弱部位。目前强震区高土石坝抗震设计多采用土工格栅来加固上部坝坡,以提高坝顶区抗震稳定性,如何合理评价土工格栅的加固效果是国内外学者关注的焦点。本文在系统总结土工格栅加固机理的基础上,基于准黏聚力加固机理和等效复合体计算模型模拟土工格栅加固作用,从坝坡抗震稳定、坝体地震永久变形和面板防渗体系安全等方面对土工格栅加固高面板坝的加固机制及抗震加固效果进行了综合分析评价。结果表明：(1)格栅和堆石料的相互作用使得堆石料具有了一定的整体性,其刚度和强度均有一定程度的提高;(2)格栅加固可以限制堆石体侧向移动,提高坝坡整体性和稳定性,减少坝体地震永久变形,从而改善面板应力分布和减少面板接缝位移,提高防渗系统的安全性;(3)土工格栅对高面板坝具有综合的加固效果,需要采用综合性评价方法进行总体评价。     

A dam-breach erosion model: I. Formulation

This paper, Part I in a series of two, develops a mathematical model for earthern dam breach erosion. This model constitutes an extension of the Breach Erosion of Earthfill Dams (BEED) model developed by Singh and Scarlatos (1987). Two aspects are emphasized: the evolution of the dam breach, and the subsequent flood and sediment routing. Simulation of dam breach evolution is based on hydrologic, geometric and geotechnic considerations. Einstein-Brown and Bagnold equations are utilized to compute the rate of erosion in the breached section. A water routing scheme, based on a modified version of the Muskingum method to simulate flow exchange between channel and floodplains, is used to route the resulting breach hydrograph. A sediment routing scheme based on the Muskingum method, modified to simulate deposition in floodplains, and deposition and scouring in the channel, is utilized to route the breach sediment graph. In Part II, the model is tested against historical dam failures, and an analysis is made to determine its sensitivity to various parameters.     

考虑水沙相互作用的河堤溃决二维数值模型

该文建立了洪水漫堤导致河堤溃决的平面二维水沙运动数值模型,以模拟溃口扩展和堤身冲刷的过程。该模型基于有限体积法、采用显式格式求解平面二维水流运动和非平衡全沙泥沙输移方程,并考虑了边坡崩塌、底床急剧变形以及高浓度泥沙输移对水流运动的影响。溃口处的混合流场采用HLL approxim ate Riemann solver处理,非黏性土溃口边坡的崩塌采用不同干、湿静止角处理。通过对英国HR Wallingford实验室一组实验的计算,结果表明该模型能较好地模拟非黏性土堤坝溃决过程中的溃口展宽、坝体冲刷、流场分布以及溃口流量过程线。对模型参数的敏感性分析显示了水沙耦合溃决模型的非线性特征。     

基于GeoDam-BREACH与Graham法的溃坝生命损失估算

应用GeoDam-BREACH工具包模拟了超标准洪水状况下小井沟水库下游的溃坝洪水演进过程,得到水库溃坝下游淹没范围与淹没区水深分布,然后采用Graham法对溃坝导致的生命损失风险进行分析。分析结果表明,小井沟水库发生漫顶破坏时,溃坝洪水对下游产生严重影响,下游村镇有受淹风险;下游溃坝淹没区域的风险人口死亡率较高,并且随着警报时间的减小而增大,从而得出警报时间和风险人口对溃坝洪水严重性的理解程度是生命损失的重要影响因素、应当加强水库大坝的日常巡查工作和预警系统的结论。研究成果为小井沟水库的防洪调度和应急预案编制提供了有效支持,对于同类水库的防洪和安全管理亦具有参考价值。