凌汛期堤防漫顶溃口破坏规律断面模型试验Ⅱ：非黏性土堤

为了研究凌汛期堤防漫顶破坏溃口发展规律,分别进行了洪水和冰凌条件下的均质非黏性土堤溃决模型试验。结果表明：两种条件下的溃堤过程均可划分为4个阶段：渗透过流、堤后冲刷、溃口展宽和冲淤平衡,各阶段发展速度和形式有所不同;通过分析溃堤过程、溃口宽度以及流速和水位变化过程的异同点可知,两种条件下流速和水位变化趋势基本一致,冰凌条件下峰值流速明显增大且出现时间提前,峰值流速最大可增加81.5%;同一流量下,增大堤顶宽度对流速和水位的影响不大,而减缓堤身断面的边坡能显著降低堤后水位的上升速度和溃口处峰值流速。试验结果有助于认识凌汛期堤防溃决的过程和特点,可为凌汛期非黏性土堤险情防控和抢险措施的制定提供科学的参考。     

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。     

冻土条件下均质土堤漫顶溃决试验研究

为了研究冻土条件下的溃堤机理,开展了弯道水槽概化模型试验。基于结构光的三维成像原理,提出了一种无干扰全方位的实时溃口三维参数测量方法,并结合温度传感器监测堤内温度变化,研究了冻土条件下均质土堤漫顶溃决过程中溃口形态的演变规律和溃决区域的水位、流速、流量变化特性。依据试验中溃口冲蚀特点,将溃堤过程划分为渗透过流、堤后冲蚀、横向展宽、冲淤平衡4个阶段,黏性土堤和非黏性土堤第2阶段、第3阶段分别以陡坎冲蚀和失稳坍塌为主要特征,且黏性土堤会出现明显的陡坎合并现象。试验结果还表明:冻结后土体间隙的冰晶体与土颗粒相互胶结,土体的黏聚力增大,溃口扩展速率及溃决区域的水位、流速变化率均减小,且黏性土堤受冻土深度的影响更加明显;冻土条件下堤防背水侧与堤顶的连接处薄弱易溃,应加强维护,且一旦溃堤应优先对临水侧进行封堵。     

土石坝漫顶破坏溃口发展数值模型研究

我国已溃决土石坝中由于漫顶破坏而造成的比例高达50%以上,因此,开展土石坝漫顶溃决机理和溃口发展过程研究,正确预测溃口流量过程线及溃坝致灾后果很有必要.本文首先根据现场溃坝调查资料和大型溃坝试验结果,研究分析了土石坝的溃决机理和溃决过程,在此基础上提出了一个描述土石坝漫顶破坏溃口发展过程的数值模型.该模型采用高速水流泥沙输移公式来计算溃坝水流对溃口纵横向的连续冲蚀;采用溃口边坡稳定性分析来模拟边坡失稳坍塌所引起的间歇性横向扩展;通过楔块体力的平衡计算来模拟坝体突发性崩塌所引起的溃口增大现象;通过下游坝体冲槽和坝顶溃口流量平衡来建立两者发展过程的相互影响.最后利用该模型计算分析了板桥水库土石坝发生漫顶溃决的溃口发展过程及溃口流量过程线,模拟结果与实测资料基本一致,从而证实了该模型的合理性.     

尾矿坝漫顶溃决溃口纵向演化与侵蚀试验

通过3组不同入流量下的水槽溃坝试验,对尾矿坝漫顶溃决溃口的纵向演化过程进行了系统分析,讨论了侵蚀率和切应力之间的关系。结果表明:尾矿坝漫顶溃决溃口纵向表现为陡坎侵蚀模式与支点旋转侵蚀模式;溃决流量和密度都呈先上升后下降的趋势,但水砂流密度波动较大;不同入流量影响各阶段大坝的侵蚀率,对阶段1侵蚀率的影响最小,对阶段2侵蚀率的影响最大,最大侵蚀率随上游入流量的增加而增大,但是不影响沿坝床侵蚀率的相对变化;坝体上土体的抗侵蚀能力不仅与坝体材料强度相关,还与坝体上流体的密度关系密切。     

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。