堰塞坝漫顶溃坝离心模型试验研究

基于唐家山堰塞坝坝料级配曲线,建立相应的物理模型,开展堰塞坝漫顶溃坝离心模型试验,并推导离心场下矩形薄壁堰堰流计算方法。详细分析了堰塞坝漫顶溃坝过程及溃决机理,同时根据试验得出的堰塞坝溃口流量及溃口顶宽发展过程曲线,对溃决机理研究结果做出进一步验证。结果表明:堰塞坝漫顶溃坝过程中,溃口横向扩展贯穿始终,由于大粒径颗粒在下游坝坡的残留,溃口下切发展停止时间较早,溃坝后期下游坝坡存在明显的粗化现象,且堰塞坝溃坝后较少出现全溃的情况,一般都存在一定的残留坝高,其最终溃口尺寸也应小于相同条件下的均质土坝。     

不同密实条件的滑坡堰塞坝漫顶溃决实验

为研究密实条件对堰塞坝漫顶侵蚀机制的影响,采用室内水槽实验对松散和密实2种状态下的滑坡堰塞坝漫顶溢流破坏过程进行了模拟。结果表明,密实条件对漫顶侵蚀过程有重要影响:松散状态下,堰塞坝的侵蚀过程主要包括面冲刷–冲沟–下蚀–侧蚀等阶段,溯源侵蚀效果不明显,溃决尾声阶段出现沙垄,溃口流量上涨和消退速度快,峰值流量和总输沙量均大于密实状态并且溃口的横向扩展模式为溃口边坡的剪切滑动;密实状态下,堰塞坝会出现陡坎、冲蚀坑等侵蚀过程,溯源侵蚀效果明显,陡坎效应导致溃口水流由非堰流形式—宽顶堰流—实用堰流转化,多级陡坎合并后,溃口水流在陡坎底部产生反向旋流,加速坝体的破坏,溃口横向扩展模式为边坡土体的重力崩塌。     

堰塞坝漫顶溃决过程数值模拟及应用

堰塞坝作为自然形成的天然坝体,其结构不稳定性强,绝大多数的堰塞坝最终都将发生漫顶溃决,一旦溃决,将会对下游带来巨大的生命和财产损失。因此,有必要合理预测堰塞坝的溃决流量过程,为溃坝应急预案的编制提供理论与技术支撑。本文充分考虑堰塞坝的形态特征及坝料的物理力学特性,建立了一个可合理模拟堰塞坝漫顶溃坝过程的数学模型。该模型可较好地反映水动力条件下的溃口发展过程和下泄流量过程。选择西藏易贡堰塞坝溃坝案例对模型进行验证,通过计算结果与实测资料的对比发现:计算得到的溃口峰值流量、最终溃口宽度、峰值流量到达时间等参数的最大相对误差均在±15%以内;溃口流量过程与实测资料也吻合较好,有效地验证了模型的合理性;参数敏感性分析结果显示,残留坝高、冲蚀模式(单侧与两侧冲蚀)、冲蚀系数等参数对溃坝过程均有重要影响。     

基于大型数据库的堰塞坝特征统计分析与溃决参数快速评估模型

21世纪以来地质灾害频发形成大量堰塞坝。然而由于缺乏详细的资料,现在对堰塞坝特征和溃决等方面的研究受到很大的制约。同时,绝大部分堰塞坝寿命极短且勘察条件恶劣,很难在短时间内获取详细的坝体参数,因此急需基于有限的可用数据进行堰塞坝溃决参数快速评估。收集国内外1 298例堰塞坝案例,对堰塞坝的分布、诱因、寿命、溃决模式、坝高、库容、成因等特征进行统计分析。通过对41例具有详细溃决信息的案例进行分析,建立坝体溃决参数(峰值流量、溃口尺寸、溃决时长)的快速评估模型,并将模型应用于唐家山堰塞坝的溃决分析。最后,基于大量案例数据进行堰塞坝模型和人工土石坝模型应用的对比分析,发现将人工坝模型用于堰塞坝会得到偏危险的结果,进而可能导致非常保守的决策和不必要的经济损失。该研究对于全面了解堰塞坝特征,尤其是对堰塞坝溃决参数评估和应急管控有一定的理论和实际价值。     

滑坡堰塞坝坝体溃决机理与溃决实验研究综述

相对于人工土石坝,天然形成的滑坡堰塞坝缺少加固、防渗及泄洪等工程措施来稳定堰塞湖水位,坝体结构不稳定、基础资料缺乏,发生的溃决现象具有突发性强、几率高、危险性大、排险处理紧迫的特点,亟需深入系统的研究.作者结合国内外堰塞坝形成及其溃决问题的研究现状,介绍了滑坡堰塞坝与人工土石坝的溃决特性、滑坡堰塞坝的溃决模式及寿命特征,以及滑坡堰塞坝溃决特性的物理模型试验研究、原型观测及大比尺现场试验研究、梯级滑坡堰塞坝溃决特性试验研究进展.最后提出了关于堰塞坝溃决机理、堰塞湖处置、溃决模式、原型及模型试验比尺效应、溃决过程原型监测预警等方面建议的研究方向.     

堰塞湖坝体动力特性及加速度分布规律大型振动台模型试验研究

 2008年汶川八级地震形成了至少257个堰塞坝,主震后发生的大量余震可能会影响堰塞坝的动力安全状态。堰塞坝体的动力特性参数(包括自振频率和阻尼比等)和加速度分布规律是堰塞坝地震安全研究的基础内容。通过大型振动台模型试验,研究在余震作用下模型堰塞坝体的动力特性参数、加速度分布规律及二者的影响因素,并根据动力相似律,计算原型坝体的动力特性参数。共进行2组不同材料的振动台模型试验,分别模拟含黏粒较多且颗粒较小(坝体I)和基本不含黏粒且颗粒较大(坝体II)的2种坝体。在不同地震波形输入、不同加速度峰值和不同水位条件下进行振动台试验。研究成果表明：(1) 模型坝体具有较稳定的X向和Z向自振频率和阻尼比。(2) 先期振动使坝体自振频率降低,阻尼比有增大趋势;坝体I的自振频率小于坝体II。水位变化对2种坝体自振频率的影响规律不一致。(3) 加速度放大倍数随高程增大而增大,最大加速度发生在坝顶处;相同高程测点加速度放大倍数最大值出现在上游或下游靠近坝坡表面处,即“表面放大”效应明显,说明坝坡表面容易受地震作用破坏。(4) 所含频谱成分与坝体自振频率接近的地震波会引起最大的加速度反应。Z向振动使坝体测点X向加速度放大倍数增大。加速度放大倍数一般随输入加速度峰值的增大而减小。     

堰塞坝稳定性评价方法及灾害链效应研究进展

堰塞坝及其溃坝问题是当前的研究热点,因坝体形成过程特殊、组成材料不均、内部结构复杂且外部形态迥异,导致其与人工土石坝存在较大差异,目前仍缺乏有效的全寿命过程分析和可靠的稳定性快速评估方法。在全面综述堰塞坝形成条件、稳定性分析、溃坝机制及灾害链效应等国内外研究进展的基础上,通过案例汇编,建立含全球1 328例堰塞坝的大型数据库,探究堰塞坝的成因、触发因素、方量分布、形态特征、寿命规律及多参数间的内在关联性。进一步地,基于逻辑回归原理,建立坝长、坝宽及堰塞湖库容三参数预测模型,提出堰塞坝稳定性快速评估方法。最后,从灾害链的视角,指出当前研究存在的主要问题和下一步重点研究方向。研究表明:堰塞坝的方量、寿命和稳定性,与其触发因素和成因密切相关;提出的三参数快速评估方法,能够较准确地预测坝体稳定性;堰塞坝灾变全寿命过程模拟与预警系统开发是未来重点发展方向。研究结果为高山峡谷地区滑坡堵江灾害链预测、堰塞坝应急抢险地质处置及区域防灾减灾规划提供有益参考。     

唐家山滑坡堵江机制及堰塞坝溃坝模式分析

 在对唐家山滑坡及其堰塞坝现场进行详尽地质调查结果基础上,结合早期(地震前)资料开展研究,结果表明,该滑坡形成及堵江过程可概括为：顺层岸坡结构地震诱发→滑坡体前缘剪切、后缘拉裂→高速下滑、形成气浪、前缘刨蚀河床、对岸阻化隆起→后缘边坡坐落下滑→堰塞堵江。对堰塞坝体地质结构、不同水位条件下堰塞坝整体及上下游部位不同工况稳定性分析表明,堰塞坝以沟槽部位表层松散体水流逐级淘刷的“溢流破坏”方式为特点,整体溃坝可能性小。     

单向侧蚀与下蚀共同作用下堰塞坝的演化特征

滑坡堰塞坝溃决破坏过程中均存在下蚀效应,但因堰塞坝的形成机制以及沟谷地形的限制,很多堰塞坝在横向存在高差,导致堰塞坝漫顶溃决过程中的侧向侵蚀方向为单向侵蚀。通过模型实验和数值分析,对堰塞坝在单向侧蚀与下蚀效应共同作用下的演化特征进行研究。实验结果表明,对于组成物质完全位于沟谷内的堰塞坝,单向侵蚀与下蚀效应导致堰塞坝漫顶侵蚀过程中的溃口边坡失稳规模逐渐增大。而对于横向高差悬殊的大型堰塞坝,在溃口水流的单向侧蚀与下蚀效应共同作用下,溃口边坡高度逐渐增大最终将导致堰塞坝发生二次滑坡,并采用数值方法对二次滑坡的形成过程进行分析。根据土力学理论,提出圆弧滑动模型对二次滑坡的滑动半径以及滑动面积进行预测,模型的计算值与理论值相差6.2%,具有一定的实用性。     

滑坡堵江成坝的形成演进机制及危险性预测方法研究进展

近年来，频发的地震活动和极端天气诱发了大量滑坡堵江，严重威胁所在流域人民生命财产和基础设施安全，而目前对滑坡堵江成坝的形成演进机制认识仍不够全面，值得进一步深化研究。梳理21世纪以来典型的滑坡堵江案例，分析其中危险性较大的堰塞坝形成的一般过程和主要特征；针对大型的岩体滑坡堵江，分别从理论分析、物理模型试验和数值模拟方法 3个方面揭示其成坝的必要条件和堵江过程的流固耦合细观机制；提出滑坡堵江危险性预测的3阶段：即堵江状态预测、堰塞坝稳定性预测和溃坝危险性预测等。通过全面梳理堵江危险性预测3阶段研究成果发现，堵江状态预测参数和标准选取尚没有统一形式，堰塞坝稳定性评价尚未考虑坝体材料和结构等特征，溃坝危险性预测的数学模型物理机制仍有待进一步揭示。基于当前研究存在的局限性，凝炼滑坡堵江研究未来应重点关注的4个问题：(1)考虑碎裂化过程的崩滑体堵江堆积结构及成坝预测模型；(2)滑坡堵江成坝演进过程的物理和数值模拟方法；(3)基于滑坡物源状态的堵江危险性评价方法与风险评估；(4)堰塞坝临灾预警因子及监测预警关键技术。研究成果为高山峡谷地区滑坡堵江灾害链预测、堰塞坝应急抢险地质处置及区域防灾减灾规划...     

土石坝漫顶溃坝过程离心模型试验与数值模拟

利用溃坝离心模型试验系统,分别对3种不同坝高均质土石坝（最大坝高达32.0 m）及坝高为16.0 m的黏土心墙坝开展了漫顶溃坝试验研究,清楚地揭示了其溃决机理、溃口发展规律。结果发现,对于均质土石坝,随着坝高的增加,溃口的纵向下切与溃口边坡的失稳坍塌速度明显加快,溃口流量过程线更为陡峭,峰值流量增大,且峰值流量出现时间更早,溃坝历时更短;黏土心墙坝与均质坝溃决机理与溃口发展规律明显不同,随着漫坝水流对下游坝壳冲蚀程度的增加,黏土心墙发生剪断破坏,溃口洪水流量迅速增大。基于上述试验结果,分别提出了描述均质土石坝和黏土心墙坝溃坝过程和计算溃坝洪水流量过程的数学模型,并建议了相应的数值计算方法。数值模拟与试验结果的对比证明了建议溃坝数学模型的合理性。     

Natural dam breaching due to overtopping: effects of initial soil moisture

Natural dams formed by landslides may produce disastrous floods after dam outbursts. How the breaching characteristics of natural dams are affected by initial soil moisture has remained insufficiently understood. In this paper, we present the results of a series of laboratory tests that assessed five different initial soil moistures (0.3, 2.4, 4.2, 7.3, and 10.3%). Under the present experimental conditions with dams composed of gravel–sand–clay mixtures, the failure of natural dams was primarily caused by the erosion of overtopping flow, and lateral mass collapse also caused breach widening. According to the test results, three stages of the breaching process of natural dams made of different initial soil moistures were observed. The results show that peak discharge increased with the increase in the initial soil moisture, while the breaching time and height of the residual dam decreased. In the process of the breach, the backward erosion was weakened gradually with the increase in the initial soil moisture. When the initial soil moisture increased, the breach deepened faster than it widened, and the ratio of the breaching width to depth after dam outburst tended to be greater than 1 at first and then less than 1. A function of the breaching width and depth is established, making it possible to calculate both variables. This function is based on a shape parameter that linearly decreases with initial soil moisture.

     

土石坝试验新技术研究与应用

研制的多功能静动力大型三轴试验系统是中国首台能够测量堆石料动态体变过程的大型三轴试验设备,构建了国内外70多座重要高土石坝筑坝堆石料静动力学性质试验数据库,揭示了静动荷载作用下堆石料的颗粒破碎规律及其影响因素、强度与剪胀(缩)非线性变化规律、地震残余变形发展规律、流变规律和饱和砂砾石料地震液化规律等。创建了高土石坝离心机振动台模型试验技术与试验结果分析方法,成功应用于高面板堆石坝与心墙堆石坝地震破坏机理和抗震加固方案有效性验证,得出的高土石坝地震加速度反应和地震残余变形定性与定量分布规律、高土石坝地震破坏机理结果得到了汶川地震后紫坪铺面板堆石坝和碧口心墙坝震害资料的证实。较好解决了目前高土石坝地面振动台模型试验与原型应力水平相差过大,常规离心机振动台模型试验因模型箱尺寸和振动台功率限制无法进行与原型应力水平一致的模型试验的难题。创建了土石坝溃坝离心模型试验技术与试验结果分析方法;研发了离心机大流量水流控制系统,实现了水流在地面普通重力场和超重力场之间的平稳过渡;研发了将模型布置和模型测量两部分有机融合为一体的专用溃坝模型箱,有效解决了管道流量计在坝体溃口流量变幅大和泥石流下无法正常工作的难题,实现了土石坝溃坝全过程溃口洪水流量的测量。上述研究成果为进一步提升高土石坝灾害预测与防控水平提供了重要技术支撑。     

提高大坝安全性能的一种方法——溢洪道维修案例分析(英文)

瑞典新的洪水设计及大坝安全指南对全国水库大坝的安全提出了更高的要求。指南对每一条河流情况进行了复核并找到了较好的解决方案,即储水和提高溢洪道泄洪能力相结合的方案。为了符合指南的要求,瑞典全国上下都在实施一个大坝安全计划,对大量的水库大坝提高其安全性能,以满足更高的洪水设计(及其它方面)的要求。技术方案包括大坝加固、溢洪道泄洪能力提升和临时储水设施。Stenkullafor 水库大坝设有一个 2 闸控制的敞开式溢洪道。该水库修改后的设计洪水将比现有溢洪道泄洪能力提高 40%。根据成本效益分析,提高溢洪道泄流能力的主要措施是降低其中一个闸门顶高程,以适应需要提高的泄洪能力。通过水工模型试验,一方面优化溢洪道顶部轮廓,另一方面降低溢洪道顶部改造和新闸门的成本。溢洪道右侧闸门底高程降低 4.3 m,并新安装一扇更高的闸门。现在,大坝的安全性能已得到提高。对水工模型试验和施工时的洪水风险,施工过程及其遇到的困难进行了介绍,并对坝体加固、上游坡新的侵蚀防护、下游消能及下游行洪渠道等工程措施进行了描述。     

土石坝竖向排水的渗流控制(英文)

水流通过坝体和坝基时存在压力和梯度,这在大坝工程设计中已视为重要因素。但是,在土石坝设计时往往会遇到抵御不利大坝安全因素的排水系统的选型和设计问题。目前,很多工程中虽存在一些效果不错的排水系统,但其缺乏渗流和浸润线位置的控制,可能会对工程安全产生威胁,或使渗流控制措施达不到经济有效的目的。为此,本文基于均质土坝实验研究取得的成果,研究出在竖向排水体中的渗流量的控制方法,采用这种方法可以对土石坝进行更好的管理。     

谷坊在泥石流防治中的作用--以云南蒋家沟2条支沟的对比为例

泥石流灾害严重威胁其影响区人民的生命和财产安全,但是泥石流灾害可以通过诸如控制侵蚀等工程措施来预防或者减轻。谷坊正是能够在泥石流形成区对泥石流灾害进行有效防治的工程措施之一。在野外实地调查的基础上,运用构造地质、工程地质、岩土力学等理论和方法,对比云南蒋家沟泥石流的2个主要支沟——门前沟(有谷坊布设)和多照沟(没有谷坊布设)在沟床纵坡降、沟谷两侧斜坡稳定性及泥石流侵蚀速率等3个方面的差异,来说明谷坊工程能够有效抬高泥石流侵蚀基准面,降低泥石流沟谷回淤段沟床纵坡及由此带来的泥石流流速的降低和能量的耗散,固定沟床、稳定岸坡、促进植被生长,最终达到防治泥石流的目的。此外,还讨论了谷坊设计时需要注意的几点问题。     

复杂地基上高拱坝开裂与稳定研究

研究复杂地基上高拱坝坝面开裂与稳定的力学机制,这些机制涉及到大坝温度变化、大坝的基础弱化、渗流影响等.首先从分析大坝坝面裂纹细观开裂扩展的主轴本构力学机制、节理岩体的宏观开裂强度条件.然后提出大坝破坏的机构条件作为大坝整体稳定的判据.最后结合复杂地基的溪洛渡拱坝,运用提到的开裂与稳定模型,分析大坝在超载工况下,裂纹从细观裂纹扩展到宏观开裂,以至大坝失稳的全过程;分析建基面的点安全度随超载变化规律以及大坝的整体稳定.结果显示提到的分析方法有较好的应用价值.     

Characterization of transient groundwater flow through a high arch dam foundation during reservoir impounding

Even though a large number of large-scale arch dams with height larger than 200 m have been built in the world, the transient groundwater flow behaviors and the seepage control effects in the dam foundations under difficult geological conditions are rarely reported. This paper presents a case study on the transient groundwater flow behaviors in the rock foundation of Jinping I double-curvature arch dam, the world’s highest dam of this type to date that has been completed. Taking into account the geological settings at the site, an inverse modeling technique utilizing the time series measurements of both hydraulic head and discharge was adopted to back-calculate the permeability of the foundation rocks,which effectively improves the uniqueness and reliability of the inverse modeling results. The transient seepage flow in the dam foundation during the reservoir impounding was then modeled with a parabolic variational inequality(PVI) method. The distribution of pore water pressure, the amount of leakage, and the performance of the seepage control system in the dam foundation during the entire impounding process were finally illustrated with the numerical results.     

混凝土面板砂砾石坝漫顶溃决过程数值模拟

基于混凝土面板砂砾石坝溃决机理,提出了一种模拟其漫顶溃决过程的数值计算方法。该方法针对砂砾石料级配范围宽,最大颗粒与最小颗粒粒径相差大的特点,引入与水流方向垂直的附加作用力来考虑粗颗粒对细颗粒的阻拦、遮蔽以及细颗粒对粗颗粒的包围、填实等作用,导出了能较为合理反映砂砾石料特性的临界起动流速;建议了一个砂砾石料的冲蚀公式,给出了面板折断时间与坝体冲蚀量之间的数学表达式,较为合理地确定面板的折断时刻。利用该方法对青海省沟后水库面板砂砾石坝的溃决过程进行了模拟计算,得出的溃口发展规律与溃坝洪水流量过程与溃坝调查结果大体相符,验证了其合理性。