基于物理模型试验的堰塞坝冲刷溃决过程研究

我国是堰塞湖灾害最严重的国家之一,堰塞湖对上游淹没区和下游溃决演进区的人民生命财产安全构成巨大危险,深入掌握堰塞坝冲刷溃决过程可为应急泄流道的设计和下游应急避险措施的制定等提供重要科技依据。本文以2018年金沙江白格滑坡堰塞湖事件为研究背景,采用室内物理模型试验的手段对堰塞坝冲刷溃决过程进行了系统研究。试验结果表明：堰塞坝冲刷溃决过程一般可分为四个阶段：过流孕育阶段、溯源侵蚀阶段、溃坝发展阶段以及河床再平衡阶段,当溯源冲刷的陡坎追溯到上游坡顶,泄流槽进口断面在侵蚀作用下突然拓宽,泄流槽将连通形成底坡i>0的斜坡道,进而导致水流流速和流量突然增大,堰塞坝进入溃决快速发展的阶段。试验进一步探究了泄流槽开挖位置、开挖深度和宽度对溃决过程的影响。研究发现：当泄流槽开挖宽度不变,深度增大时,洪峰流量降低、峰现时间延迟、溃决流量过程线更为平坦;当泄流槽开挖深度不变,随宽度增大峰现时间延迟。最后,对泄流槽的优化设计提出了建议：泄流槽位置宜布置在坝顶高程最低的垭口,以减小洪峰流量,缩短溃决历时;开挖泄流槽时应优先考虑加大泄流槽深度,最大限度地降低溃决时的堰塞湖水位。     

金沙江白格堰塞湖溃决过程数值模拟

2018年10月10日和11月3日，在我国四川省与西藏自治区交界处的白格村同一位置连续发生两次滑坡，完全堵塞了金沙江形成堰塞湖。由于“10?10”滑坡形成的堰塞湖水位抬升迅速，堰塞湖于10月12日自然漫顶溃决。“11?03”滑坡堵塞了“10?10”堰塞体溃决形成的流道，形成了更大的堰塞湖，鉴于客观条件允许，采取了开挖泄流槽降低堰塞湖溃决水位的措施，至11月12日，堰塞湖发生漫顶溃决，溃口洪水峰值流量为31000m3/s。由于“11?03”白格堰塞湖溃决案例拥有较为完整的实测资料，为堰塞湖溃决过程的研究提供了宝贵的基础数据。基于堰塞体的溃决机理，建立了可考虑堰塞湖的水动力条件、堰塞体的形态和材料特征的堰塞湖溃决过程数学模型。模型采用宽顶堰公式模拟溃口洪水流量，并根据堰塞湖入湖和溃口流量以及堰塞湖的水位-湖面面积关系曲线确定堰塞湖水位的变化；采用基于水流剪应力和堰塞体材料临界剪应力，并可考虑宽级配堰塞体材料特性的冲蚀公式模拟材料的冲蚀过程；假设溃口在纵向下切和横向展宽过程中坡角保持不变，采用极限平衡法分析溃口在发展过程中发生的边坡失稳；采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟堰塞湖溃决时的水土耦合过程。采用建立的模型对“11?03”白格堰塞湖溃决案例进行反演分析后发现，模型计算获得的溃口流量过程、堰塞湖水位变化过程、溃口发展过程与实测值基本吻合。参数敏感性分析表明，冲蚀系数对溃决过程具有重要的影响，残留坝高通过影响下泄库容也对溃决过程产生作用；另外，开挖泄流槽可降低堰塞湖溃决时的库容，从而对溃口流量过程产生影响，是降低灾害损失的有效手段。     

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链发展过程机理与模拟技术研究构想（特约稿）

青藏高原区域滑坡-泥石流-堰塞湖灾害频繁发生,灾害损失巨大,与之相关的科学研究一直是国内外研究的热点和难点。我国在堰塞湖减灾领域已经积累了丰富的实践经验,但是冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害演化过程非常复杂,涉及众多的物理力学机制和学科理论,复杂气象条件下冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖的动力形成机制、溃决冲刷及洪水演进灾害链的全过程演化分析与数值模拟方面尚需进一步研究。揭示冰碛土滑坡-泥石流-堰塞坝的链生放大机制和冰碛土堰塞湖溃决演进的动力灾变机理是实现冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害有效防控的关键,结合国内外冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖形成与溃决的相关研究现状,提出了冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害需要关注的几个重要研究方面：(1) 复杂气象条件下冰碛土力学性能演化;(2) 冰碛土滑坡-泥石流动力灾变过程与运移模型;(3) 冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖形成机理与仿真模拟;(4) 冰碛土堰塞坝冲刷溃决机理与流道拓展过程;(5) 下游河道水沙互馈作用机制与洪水演进模拟。并开展了大量前期探索和研究工作,初步揭示了冰碛土滑坡-泥石流运移与多期堵江机制,构建了能考虑水流侵蚀与溃口边坡间歇性崩塌的堰塞坝溃决演化模型,并探讨了冰碛土-滑坡-泥石流-堰塞坝灾害链演化过程模拟方法。研究结果为进一步弄清冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害链过程的复杂动力学机制、构建灾害链过程的控制性理论模型、开发全过程数值模拟系统奠定了基础,以期为冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害链的成灾机理分析提供理论依据及为非工程避险与应急处置决策提供技术支撑。     

崩滑型堰塞坝危险性快速评估研究进展（特约稿）

崩滑型堰塞坝是由地震、降雨、火山喷发等自然因素诱发的崩塌、滑坡堵塞河道所形成的天然土石坝,其在世界范围内广泛分布。崩滑型堰塞坝的形成与溃决具有高突发性、突溃性和强致灾性,会严重威胁所在流域的人民生命财产安全。因此,快速开展堰塞坝危险性评估,对应急抢险救灾具有重要的现实意义。目前对堰塞坝危险性快速评估的研究主要集中在成坝可能性、稳定性、寿命和溃决洪水等四个方面。本文总结了堰塞坝成坝影响因素和成坝快速判别公式,系统阐述了堰塞坝稳定性和寿命的定义、影响因素及快速评估模型,详细归纳分析了堰塞坝溃决模式、溃坝影响因素及坝址与下游河道的洪水快速预测模型。研究表明堰塞坝的形成主要受地形条件,固体物源条件和水源条件的影响;其稳定性、寿命和溃决主要受坝体几何形态,坝体材料、结构和水文特征等方面的影响。根据影响因素所建立的评估模型在一定程度上可以快速估算堰塞坝的稳定性、寿命、溃决流量等参数,但由于信息获取不便等问题,评估结果仍然存在一定的不确定性。在此基础上,本文提出了需要进一步研究的方向：(1) 考虑不同外因（地震、降雨等）条件下滑坡、崩塌启动及运移过程大型模型试验,建立考虑关键影响因素和水土物质相互作用的成坝快速判别模型;(2) 基于物探等手段开展堰塞坝坝体材料和结构参数的快速获取研究;(3) 建立考虑能量转换与耗散的溃坝程度快速评估模型,分析残余坝体致灾危险性;(4) 构建流域堰塞坝溃决洪水演进及水库调蓄减灾分析模型,指导流域水量调度及流域范围内工程建设;(5)开展堰塞坝灾害链对全流域影响的快速动态风险评估,为堰塞坝灾害预测及应急处置提供重要参考依据。     

串珠状堰塞湖级联溃决对汶川震区河流演化的影响

"5·12"汶川地震震后3年多以来,串珠状堰塞湖群的形成和发展,对震区河流演化的影响重大。通过对汶川地震灾区岷江支流——渔子溪的耿达—映秀河段的野外考察发现,堰塞坝对河流挤压造成异岸冲刷,河道横向展宽或弯曲;多堰塞湖河段河床抬升强烈;部分堰塞坝由于未完全溃决而逐渐发育成尼克点,从而形成阶梯状河床。鉴于野外考察的局限性,通过野外水槽实验初步探索了堰塞湖级联溃决的动力学特征,堰塞湖级联溃决放大了山区河流洪水的峰值流量,从而加剧了河流沿程冲淤程度,更有利于梯级河床的形成。探索多堰塞湖河段堰塞湖级联溃决情况下的河床演化规律,旨在为地震灾区河道修复及灾后恢复重建提供科学指导。     

堰塞坝背水面坡度对溃决过程影响机理大尺度试验

堰塞坝溃决物理概化试验是当前研究堰塞坝溃决机理较为可行的方法,但在现有堰塞坝溃决试验中,由于试验坝体尺寸较小、试验上游库容不足,导致试验的溃决过程与实际堰塞坝溃决存在较大差异。为尽量克服库容的不足所带来的影响,本文采用了最大库容达380m3的大尺度堰塞坝溃决试验系统。本文以无粘性、宽级配砂砾料堰塞坝为对象开展了多组室内大尺度溃决试验来揭示堰塞坝溃决机理,并通过设置不同背水面坝坡来研究其对溃决过程的影响。通过试验发现堰塞坝溃决过程可以分为沿程冲刷、溯源冲刷、快速发展和溃口稳定四个阶段。在溃决过程中发现陡坎侵蚀和溃口两侧土体失稳坍塌是溃口快速发展的主要机理。不同背水面坡度下的沿程冲刷阶段冲蚀特征基本相似,而溯源冲刷阶段及快速发展阶段溃决过程差异显著,较大的背水面坡度使溯源冲刷阶段跌坎水流更容易得到发展,进而影响溃口处的垂向冲深及侧向发展,导致快速发展阶段更易形成垂向落差较大的陡坎洪水冲蚀。从溃决历时来看,坡度的增加使溃口发展更快、峰值流量出现时间更早,进而导致溃决历时缩短。坝顶溃口宽度及峰值流量也会随着坡度的增加而增加。在本试验还较好地重现了天然堰塞坝下游河道两岸的淤积现象,并根据堰塞坝溃决过程中的水流特点、泥沙运动及溃决完成后下游河道的地貌,初步分析了淤积区的形成机理。     

基于物理模拟的堰塞湖溢流溃决机理

受持续来流影响，在大江大河内形成的堰塞湖极易在数十天甚至数天内漫顶溢流溃决，引发非常态溃决洪水，严重威胁下游沿岸地区人民群众生命财产安全。堰塞湖溃口坍塌变形发展迅速、现场观测难度大，当前普遍难以实地观测堰塞湖溃口形态变化及水力学参数，至今未能获取溃口坍塌发展的真实数据。针对堰塞湖溃决洪水威胁及溃决机理不明等难题，基于堰塞湖溃决过程现场观察及历史堰塞湖溃决案例分析，阐明堰塞体体型、材料级配、库容及上游来水量是决定堰塞体危险性的关键。并以“11·3”白格堰塞湖为原型，分别开展了堰塞湖溃决1∶80室内和1∶20野外物理模型试验，揭示堰塞体溃口发展遵循“流速驱动、流量控制”，以获得较大流速为目标的自我演化机制；溃口坍塌发展的主要动力机制是携沙水流剪切冲刷、陡坎上游负压区涡流掏刷、陡坎下游高速水流冲刷、边坡重力坍塌；堰塞体溃决坍塌依次呈现尾部下切、陡坎溯源、全断面下切、上冲下淤4个发展阶段变化特征，溃口平面形态相应依次呈现线条型、倒喇叭型、双曲面型、近似等宽型4个变化特征。陡坎溯源是溃决前最高效的冲刷方式，也是判断堰塞体漫顶过流后是否溃决的重要标志。开展堰塞湖溢流溃决大型物理模拟试验有助于推动高危堰塞湖应急疏通排水设计和堰塞体坍塌控溃技术发展，为堰塞湖应急处置提供参考。     

堰塞湖冲刷及溃决试验研究

地震引发地震堰塞湖,对下游居民的生命安全造成很大威胁。通过建立一套以高速摄影为主,辅以桩群定位的模型试验方法,研究了堰塞湖从沿程冲刷到溯源冲刷的全过程,观测了溃决的水流和形态变化。观测发现溃口的变化是一个逐步渐变,底部为溯源冲刷,两边逐渐溃塌的过程。漫顶冲刷条件下,堰塞体呈现出全断面的溯源冲刷。随时间的推移,冲刷系数存在由大变小的规律,从空间上存在从上游往下游变小的规律。堰塞体模型的溃口不断扩大,冲积扇形状逐渐变大,向两边和上游延伸,最终形成一个上游窄下游宽、不规则的梯形冲刷沟,此结果可为堰塞湖排险、溃坝洪水研究等参考。     

堰塞体状态相关剪胀理论与坝体溃决演化规律研究构想（特约稿）

堰塞体一般在自然力作用下瞬间形成,堆积体具有空间结构复杂、坝料级配宽泛、稳定性差、易在水流冲刷下发生溃决等特点。堰塞体作为一种重大的水旱自然灾害,其安全评价和灾害预测是国内外学者关注的焦点,目前尚有很多问题需要解决,包括：（1）堆积体由天然宽级配土石料构成,表现出显著的状态相关性,缺乏正确描述这种宽级配堆石料的状态相关剪胀理论与本构模型;（2）堰塞体形成后,会受上游堰塞湖水位抬升、持续非稳定渗流、湖区滑坡涌浪、后期地震等外荷载作用的影响,缺乏稳定性评判的标准和方法;（3）堰塞体缺乏必要的洪水溢流设施,容易发生溃决,且溃决水流冲蚀过程呈明显的非线性特点,溃口水力要素指标呈强非恒定流特征,缺乏反映宽级配堰塞体材料冲蚀机理的溃决过程数学模型。为此,有必要采取现场勘查、多尺度物理模型试验、数值仿真等综合手段开展研究,揭示堰塞体外观形态、内部结构和材料宏观力学特性及其时空变异规律,提出状态相关（级配、孔隙比、应力水平）的宽级配堰塞体材料剪胀方程,建立能适应复杂应力路径的广义弹塑性本构模型与坝体极限平衡分析方法;开展大型水工模型试验和溃坝离心模型试验研究,揭示非恒定流作用下堰塞体材料的动态冲蚀特性与堰塞体溃口演化规律,建立非恒定流作用时溃口动边界条件下的挟砂水流冲蚀方程,提出考虑流固耦合的堰塞体溃决过程数学模型,实现堰塞体漫顶或渗透破坏溃坝全过程水流运动特征、坝料输移规律、溃口演化过程及结构失稳的数值模拟。综合可靠度理论与溃坝过程数值模拟方法,提出能考虑流固耦合的堰塞体渗流、变形、稳定和溃决过程的一体化数值仿真平台,构建堰塞体全生命周期安全评价与灾变模拟理论体系与方法,为提升我国堰塞体防灾减灾决策水平提供科学的理论与技术支撑。     

非均质结构堰塞坝溃决机理模型试验

堰塞坝是由滑坡等失稳地质体快速堆积并阻塞河道而形成的天然坝体，溃决后会对下游人民生命财产安全造成严重威胁。深入开展非均质结构对堰塞坝溃决过程的影响研究，可为堰塞坝灾害的风险评估和应急处置提供重要参考。依托自主研发的水槽试验装置，通过开展不同结构类型堰塞坝的溃决模型试验，分析了均质、竖向非均质和水平非均质结构对坝体溃决的影响。研究发现：1）堰塞坝侵蚀过程受局部区域材料性质影响严重。2）均质坝中，随着中值粒径增大，材料抗侵蚀能力增强，溃决特征先由层状冲刷变为陡坎侵蚀，再变为多级陡坎侵蚀，峰值流量逐渐减小，峰现时间逐渐推迟。3）竖向非均质坝中，坝体上部材料主要影响溃口形成阶段历时和坝前水位；中部材料主要影响溃口发展阶段的溃口下切速率；底部材料主要影响下游坡脚稳定性和残留坝体形态。受溃口加速下切和溃决流量增加彼此间相互叠加影响作用，中部及底部材料分布对峰值流量的影响最为显著。4）水平非均质坝中，坝体内部4个区域对溃口发展的影响不同。过流侧上方材料影响溃决前期的溃口下切速率；过流侧下方、对岸侧上方材料分别影响溃决中后期的溃口下切、展宽速率；对岸侧下方材料对溃口发展影响最小。泄流槽设计时，应考虑非均质结构的影响，基于坝体结构特征采用工程措施限制溃口深切、促进溃口展宽，以降低峰值流量。     

基于经验公式建立的滑坡泥石流坝溃口形式预测模型

为了预测滑坡泥石流坝溃决产生的洪峰流量和最大水深,本文的目标是建立滑坡泥石流坝在自然条件下首次溃决形式的经验公式模型,包括平均宽度bc和残留高Hd两个溃口形式的特征参数,从而为制订防灾减灾方案或应急预案提供科学依据。通过野外考察采集的数据以及溃决特征分析,选取影响滑坡泥石流坝溃口形式的主要因子,分别建立了坝高H、有效坝长B、堰塞湖库容W、坝体鞍部单宽体积V、内摩擦系数tan 以及上限粒径d90共6个因子与溃口形式（即溃口的平均宽度bc和残留高Hd）之间的经验关系公式。最后,将经验预测公式运用到实例进行检验,误差较小。     

金沙江上游超大古堰塞湖及其相关问题

历史大型堵江滑坡研究不仅是认识区域构造背景和河流演变规律的重要工作,而且对山区河流工程安全亦有十分重要的意义。以金沙江上游河段的王大龙古滑坡为研究对象,基于野外调查与资料分析,对其成因与演变过程进行了分析。主要结论如下：（1）王大龙滑坡位于金沙江缝合带,源区基岩主要为三叠系中心绒群下段板岩 (T1-2zh1),其次为二叠系嘎金雪山群下段石英砂岩 (Pgj1),滑坡总体上为王大龙断裂与中心绒群板理面切割形成的楔形体,前缘受雄松-苏洼龙活动断裂切割,方量约4.0×108m3;（2）诱发滑坡的内动力为地震,外动力为河流凹岸侵蚀,滑坡时间应为晚更新世大理冰期;（3）堰塞坝长约1700m,宽约3000m,高度超过450m,形态右高左低,右岸高程约2770m,左岸垭口高程约2735m;（4）堰塞湖规模约266×108m3,干流库尾到达叶巴滩水电站坝址的降曲河口,长度约176 km;（5）堰塞坝发生过3次溃决,溃口底面高程分别为2460m、2400m和2358m（现河面高程）;（6）第一次溃决极有可能雄松-苏洼龙断裂错动导致的,时间早于1900 a BP,估算溃口流量21.0~39.8×104m3/s,远远大于长江历史洪水记录。     

山区小流域暴雨山洪灾害分区预警研究

受水沙耦合致灾作用，暴雨山洪灾害一般表现为山洪洪水灾害、山洪水沙灾害及山洪泥石流灾害三种模式，不同灾害模式的成灾特点、灾害规模、致灾指标及阈值常存在显著差异。传统暴雨山洪灾害防治预警技术的研究思路主要以“雨量-径流-成灾水位”雨水情分析为主，缺乏“雨-水-沙”变化系统研究，未充分考虑洪水泥沙耦合作用下山洪灾害易灾区的成灾特征，造成泥沙超量补给的“沟床淤积-水位陡增”型山洪灾害极易漏警。结合金沙江支流中都河小流域和岷江支流白沙河小流域山洪灾害实地调查及分析，初步表明流域内山体滑坡形成的松散体是流域水沙运动的重要泥沙补给源，从而极易诱发暴雨山洪水沙灾害和山洪泥石流灾害。采用TRIGRS模型分析中都河小流域和白沙河小流域的滑坡易发性，将滑坡低风险区划为暴雨山洪洪水灾害预警区，对具有丰富固体物源的滑坡中、高风险区，根据陡缓衔接河段泥沙易灾区判别法划分为山洪水沙灾害和山洪泥石流灾害预警区。结合4种暴雨山洪洪水灾害预警方法即洪水水位上涨率判定法、实时累积雨量法、水位-流量反推法及简易雨量站广播预警法，计算中都河小流域典型暴雨山洪灾害预警区的预警指标，以基于河床冲淤变化的洪水位上涨率法确定白沙河小流域暴雨条件下山洪水沙灾害预警区的预警水位。结果表明：TRIGRS模型划分的滑坡风险区与中都河小流域和白沙河小流域滑坡、泥石流灾害调查较为吻合；中都河小流域滑坡风险较低，沿河村落均可划为山洪洪水灾害预警区；白沙河小流域下游滑坡风险较低的沿河村落可划为山洪洪水灾害区，中、上游为滑坡中、高风险区，其中沟床陡缓坡衔接段划为山洪水沙灾害预警区、陡坡段划为山洪泥石流预警区。中都河小流域暴雨山洪灾害预警分析表明水位-流量反推法和简易雨量站广播预警法预警效果较差；洪水上涨率判定法与实时累积雨量法精度较高，对暴雨山洪洪水致灾时刻能够提前捕捉，而且能够显著提高预警处置时效性。此外，采用河床冲淤变化的水位上涨率法，白沙河小流域暴雨山洪水沙灾害预警效果较好。因此，本文构建的山区小流域暴雨山洪灾害分区预警方法具有较好的可靠性，可为山洪灾害预警提供技术支持。     

金沙江上游白格滑坡黏土化蚀变岩的灾变力学行为研究

金沙江构造结合带是典型的板块碰撞作用形成的构造混杂岩带,不仅地质结构复杂,而且发育了工程特性极差的特殊岩土体。在金沙江上游白格滑坡成因机理调查与分析过程中,新发现了巨型滑坡体后缘滑壁发育厚度较大、分布较连续的黏土化蚀变岩,是构成滑动带的重要组分。基于相关样品的原位测试和室内系统的物质组成、耐崩解、环形剪切、动三轴等物理力学试验研究,揭示了黏土化蚀变岩的灾变力学特性及其在白格滑坡形成演化中的作用。主要结论如下：（1）白格滑坡黏土化蚀变岩是金沙江构造结合带中蛇绿岩蚀变的产物,蚀变程度高,蚀变系数介于0.64～0.86之间,黏土矿物成分以伊利石为主、伊/蒙混层矿物次之,遇水极易崩解,崩解指数达50%以上;（2）黏土化蚀变岩中工程性质最差的是蚀变黏土,水和振动荷载作用下强度弱化显著,含水率由10%增至20%后剪切强度降幅达34%,动强度远小于其静强度,并随着振动次数的增加不断降低,是促进斜坡岩体结构面贯通、破坏的重要因素;（3）白格滑坡滑动面的形成受节理结构面与黏土化蚀变岩联合控制,整体上可分为2种模式：黏土化蚀变岩厚层软弱夹层型和充填节理裂隙贯通型;（4）金沙江上游发育的不少巨型高位滑坡与黏土化蚀变岩不良工程特性具有密切的关系,岩体结构与特殊岩性的组合是值得关注的区域性易滑地质结构。相关认识对于青藏高原东缘大江大河岸坡稳定性分析和防灾减灾具有较好的启示意义。     

金沙江白格滑坡残留体失稳堵江风险分析

2018年10月10日和11月3日,金沙江上游白格滑坡两次滑动形成堰塞湖,对下游造成了巨大破坏。目前其滑源区边界外仍存在K1、K2和K3等3处规模较大的残留体,有再次失稳堵江的可能性,对下游4座在建水电站构成威胁。受滑坡区自然地理地质条件制约,对白格滑坡残留体的规模、可能的失稳模式、一次失稳体积等方面的研究工作较少,不能为金沙江上游相关建设风险管理提供支撑。针对上述问题,2019年对滑坡残留体开展了精细地形测量、变形现象详细调查、深部结构探测等工作,系统分析了三处残留体的体积、失稳方式、可能的失稳组合;在考虑失稳体的铲刮效应、运动轨迹、松方系数等基础上对残留体入江规模进行了分析;根据河谷地形数据,基于PFC3D软件模拟和“10·10”、“11·3”两次白格堰塞体的形态特征,对不同失稳规模进行了堰塞体堆积形态预测。结果表明,三处残留变形体体积分别为159.3×104m3、460×104m3、142×104m3;滑坡残留体存在小规模坍塌、大范围卸荷变形、一定规模岩土滑移失稳三种变形破坏形式;最危险失稳工况以1-4、2-1、3-1、3-2四个亚区同时失稳可能性最大,失稳总体积达271×104m3;白格滑坡残留体不同失稳工况下,沿主滑槽入江堆积最大堆积高度47.5m,堆积高程2937.5m。沿白格滑坡凹槽上游斜坡入江堆积最大堆积高度28.7m,堆积高程2923.7m。     

滑坡涌浪诱发冰湖溃决灾害链过程分析与模拟

近年来滑坡诱发冰湖溃决灾害链发生频率日趋增加,对下游居民及工程设施安全造成严重威胁。为定量描述滑坡诱发冰湖溃决灾害链危害,通过系统分析该灾害链的演化过程及阶段特征,将其划分为四个子阶段：滑坡运动、涌浪传播、冰湖溃决、洪水传播;分别研究各子阶段演化的物理机理及关键因子,建立了相应的数学模型与计算方法,如滑坡运动采用Savage-Hutter模型、涌浪及洪水传播采用浅水波方程等;通过确定各子阶段之间的衔接因子,如滑坡运动特征、涌浪传播特征、坝体溃决特征等,实现了各子阶段的过程耦合与数据传递,建立了滑坡-涌浪-冰湖溃决-洪水灾害链的全过程物理模型,最终完成了该灾害链的过程模拟与危险分析。为验证所建立模型与计算方法的可行性,以四川省甘孜藏族自治州雅拉乡木格措冰湖潜在灾害链为案例,结合现场勘查与卫星影像数据,开展不同情境如暴雨或上下游级联溃决等条件下灾害链的过程模拟与危险分析,且将模拟结果与经验公式计算数据进行对比。结果表明,本文所提方法可较好的完成滑坡诱发冰湖溃决灾害链过程模拟,模型模拟数据与经验公式计算数据较为吻合,且考虑暴雨或上下游级联溃决条件时下游洪水流量呈显著增加趋势。本文研究成果提供了一种新的滑坡诱发冰湖溃决灾害链研究思路,对该灾害链的防灾减灾技术具有重要支撑作用。     

滑坡–堵江–涌浪灾害链模拟的DEM–CFD耦合分析方法及其应用

滑坡-堵江-涌浪灾害链的演化过程涉及复杂的滑坡-河流相互作用。为了真实再现这一演进过程，本文提出了一种扩展的离散元法（DEM）与计算流体动力学（CFD）耦合数值方法，通过在局部平均DEM-CFD耦合方法中引入流体体积法（VOF）建立了一套能够描述河流自由水面演化的扩展DEM-CFD耦合数值框架，实现了对滑坡涌浪形成及传播过程的追踪；并提出了一种新的局部孔隙率计算方法即虚拟球模型，来克服网格颗粒临界尺寸比的限制，从而实现复杂地形建模要求；进一步通过多个典型算例验证其准确性和有效性。在此基础上，开展了滑坡-堵江-涌浪灾害链演化模拟，并应用至白格滑坡坝形成过程复演，深入分析了滑坡-河流动态演化过程及耦合作用机理。结果表明：所提出的方法能够准确模拟滑坡-河流相互作用；滑坡-河流-河谷地形的耦合作用驱动了灾害演化，滑坡体驱动了涌浪的传播，而河流则增加了滑坡体的动能耗散，且对其沉积过程在河流流向上产生相反影响；模拟得到的白格滑坡运移路径、沉积形态及涌浪侵蚀面积与实地调查结果吻合度较高，成功再现了2018年10月11日白格滑坡堵江事件。本文所提出的扩展DEM-CFD耦合数值方法为深入研究滑坡-堵江-涌浪灾害链演化机制提供了有力的数值工具，对于灾害预测及防灾减灾策略的制定具有一定的参考价值。     

湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性DEM-PFV耦合模拟研究

我国西南地区多为高山峡谷地貌,易发生滑坡堵江事件,形成堰塞湖。堰塞湖水位壅高过程中,堰塞体为常剪应力路径,即剪应力保持不变,孔隙水压力不断增大。但已有的研究主要集中于固结排水剪和固结不排水剪,与堰塞湖水位壅高过程中的实际应力路径有别,因此开展常剪应力路径下堰塞体材料的变形特性研究,是深入分析湖水位壅高过程中堰塞体动态响应的有效途径。鉴于此,本文以2018年10月11日白格堰塞湖为例,以堰塞体的实际高度、漫顶前的最高堰塞湖水位及湖水位壅高过程中的实际应力路径为基础,基于细观尺度的离散元（DEM）—孔隙有限体积法（PFV）流固耦合方法,从敏感性分析的角度出发,开展了不同围压、不同初始应力条件下堰塞体土料的常剪应力剪数值模拟试验,并从材料的应力应变关系（宏观）及内部接触力（微观）的分布规律等角度出发,揭示了湖水位壅高过程中堰塞体不同位置的变形响应及其微观力学机理。研究表明,湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性受到土料位置、强度和湖水位壅高程度的联合影响。处于堰塞体不同位置的土料,围压与初始应力比条件不同,并且在堰塞体漫顶之前所遭遇的最大孔隙水压力也不同,从而导致在堰塞湖水位壅高过程中,不同位置的堰塞体土料呈现出不同的变形特性,一般呈现由里及外变形逐渐增大的规律。在相同围压条件下,靠近堰塞体上游外缘的土料,初始应力比相对较高,且遭遇的最大孔隙水压力也相对较高,从而在堰塞湖水位壅高过程中其应力路径会穿越失稳线,导致颗粒之间的接触力减弱,从而产生较大的变形,且大变形区的厚度与范围受到初始应力比及最高湖水位的限制。堰塞体内部初始应力比相对外缘较少,在湖水位壅高过程中应力状态穿过失稳线的可能性降低,从而变形也相对较小。