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。     

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。     

堰塞坝漫顶溃决离心模型试验研究

基于南京水利科学研究院400g·t溃坝离心模型试验系统，利用其高速旋转产生的超重力场的“时空放大”效应，开展离心模型试验研究了堰塞坝漫顶溃决时的溃口演化规律和溃决机理。首次通过离心模型试验研究了坝高、下游坡比、坝料级配对堰塞坝漫顶溃坝过程的影响。试验结果表明：堰塞坝漫顶溃坝过程可划分为表层冲刷、溯源冲蚀、沿程侵蚀和溃口稳定4个阶段；溃口峰值流量对坝高最为敏感，平均粒径次之；达峰时间主要受下游坡比影响，溃坝后相对残余坝高主要受平均粒径影响。     

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。     

不同底床坡度下的堰塞坝溃决过程研究

针对缺乏底床坡度对堰塞坝溃决过程影响的现状,采用7种底床坡度(1°,2°,3°,7°,9°,11°,13°)进行堰塞坝溃决试验,结果表明:不同底床坡度条件下的堰塞坝溃决过程分为3个阶段,其中第I阶段溃口发展缓慢,在背水坡形成明显的水流坡折点,第II阶段溯源侵蚀强烈,溃口快速下切和展宽,溃口类似于梯形,第III阶段水沙运动减弱并趋于平衡。峰值流量与底床坡度呈非单调关系,其随底床坡度的增大先增大后减小。当底床坡度较小时,溯源侵蚀是溃口下切的主要动力;随底床坡度逐渐增大,牵引侵蚀对溃口纵向和横向发展的作用增大。溃口宽度与深度之比随底床坡度的增大先增大后减小,且以3°为分界值。溃决后的溃口宽深比随底床坡度的增大呈先趋于1,后渐小于1的规律。     

肖家桥滑坡堵江机制及灾害链效应研究

 地震是滑坡灾害的一个重要触发因素,而这类形式的滑坡通常体积较大。以肖家桥滑坡为例,在对滑坡区进行详细的地质调查基础上,结合动力有限元分析技术,再现滑坡三维空间失稳过程。在此基础上,提出肖家桥滑坡形成及堵江的4个阶段：地震触发及岩体的累进破坏→滑体破坏、高速下滑→撞击解体、堵江形成堰塞体→震动密实。通过对堰塞体结构特征及不同工况下堰塞体的稳定性分析的成果表明：堰塞体边坡在天然状态下稳定性较好,当再次发生强地震时可能会发生局部的坍塌;最可能的破坏方式为“漫顶式”逐级冲刷破坏,由于其内部岩体结构相对较为完整,发生管涌及整体破坏的可能性较小。     

堰塞坝泄流槽断面型式离心模型试验研究

基于唐家山堰塞坝坝料级配曲线,针对梯形、三角形和复式断面3种泄流槽断面型式,开展了堰塞坝漫顶溢流离心模型试验研究。分析不同除险断面型式对堰塞坝的泄流过程、总泄流量以及泄流后残留坝体几何尺寸的影响规律,并从水动力学的角度,对该泄流过程中泄流槽不同部位的水流特征进行了研究。试验结果表明,复式断面泄流槽不仅在初期泄流效率高、峰值流量小,而且残留坝体较低,总下泄水量最大,流量过程曲线具有"矮胖型"的特征,可迅速、最大程度的降低堰塞湖水位,同时能够有效的减轻因堰塞坝泄流给下游河道造成的防洪压力,是一种相对安全、高效的堰塞坝除险处置方法。     

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。     

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。     

黏土心墙坝漫顶溃决数值模型研究

国内外针对土石坝漫顶破坏机理和溃决过程开展了大量的研究工作,但针对黏土心墙这一土石坝主要坝型溃决机理及溃决过程的研究工作却开展的很少。研究提出能合理模拟黏土心墙土石坝漫顶破坏溃口发展时变过程数值计算模型对准确模拟黏土心墙坝溃决过程,正确评价其溃决致灾后果十分必要。从黏土心墙坝结构特征出发,根据实际溃坝调查和室内、现场溃坝试验资料,分析了黏土心墙坝漫顶溃决机理,在此基础上建立了一个描述黏土心墙坝溃口发展过程的数值模型。该模型较好地考虑了漫坝水流对下游坝壳冲蚀过程中黏土心墙滑动或倾覆失稳所引起的溃口间歇性增大现象。最后利用已发生溃决心墙坝的溃坝洪水资料验证了建议数值模型的合理性。     

混凝土面板砂砾石坝漫顶溃坝模型研究

基于沟后面板砂砾石坝溃坝案例调研资料及溃坝离心模型试验的反馈分析,提出了一个可描述混凝土面板砂砾石坝漫顶溃决过程的数学模型。该模型的特点是选择可反映高速水流作用下推移质与悬移质运动的坝料输移公式描述宽级配砂砾料的运动特征,以及建立可模拟面板坝每块钢筋混凝土面板在各种变化荷载作用下破坏过程的表达式。选择沟后面板砂砾石坝溃坝案例对建立的模型进行验证,计算结果与实测结果的对比表明:溃口峰值流量、堆石体溃口的顶宽与底宽、折断的面板的数量和各面板的破坏长度、溃坝历时等输出参数的相对误差均控制在±15%以内;由于溃坝过程中面板不断折断,溃口流量过程呈锯齿状抬升。另外,参数敏感性分析的结果表明坝料的冲蚀率和级配特征对溃坝流量过程具有重要的影响。     

四川安县肖家桥堰塞湖稳定性初步评估

 四川省安县肖家桥堰塞湖是“5·12”汶川地震形成的高危堰塞湖之一,堰塞体高65～75 m,体积约250万m3,堰塞湖最大库容约2 000万m3。将三维激光扫描技术应用于堰塞湖地形测量中,迅速而准确获得堰塞坝的地形信息,为堰塞湖除险设计及稳定性评估提供重要依据。在现场利用三维激光雷达技术地形测绘和初步地质勘察的基础上,经过新旧地形图对比,指出有利于堰塞体稳定的结构性因素;通过经验与反演方法确定堰塞体的物理力学指标,经渗流计算与稳定分析,排除堰塞体坝坡失稳及管涌潜蚀两种溃决模式发生的可能性,指出肖家桥堰塞湖溃决模式可能以漫顶冲刷为主。     

唐家山堰塞体渗流稳定及溃决模式分析

 在准确获取唐家山堰塞体地质结构(从上到下依次为①层碎石土、②层块碎石和③层似层状碎裂岩3层结构)及相关渗透参数基础上,采用Visual Modflow可视化三维软件,模拟4种堰塞湖水位(710,720,730和740 m)条件下不同土层的渗流速度和渗透坡降,表明由于②,③两层颗粒粗大、渗透性好,总体表现出稳定流的渗水特点,整体坡降变化稳定,中间不会出现如低渗透黏性土的紊流状态、渗透坡降出现拐点以及管涌渗透特点。而下游侧①层碎石土由于沿第③层形成的贯通性渗流在下游侧穿越该层渗出形成的最大坡降会大于允许坡降,将导致堰塞体下游发生零散或局部渗流破坏,且临界堰塞湖水位为726 m。随堰塞湖水位抬升,整个堰塞坝体出现的溃决模式为：下游侧表层碎石土层因渗透破坏和溯源侵蚀,同时因进口段地表水流漫顶淘刷,最终导致上部第①层碎石土被侵蚀、淘刷带走。随着第①层被淘刷、水流速度加大又进而会带动第②层块碎石被逐渐冲刷下切,但不会发生整体溃决,而第③层似层状碎裂岩将保持稳定,侵蚀和淘刷的下限深度就是第③层似层状碎裂岩顶部。     

频发微小地震下顺层岩质边坡累积损伤及稳定性分析

三峡库区蓄水后诱发的高频度微小地震对边坡稳定性产生了重大影响。采用振动台模型试验和UDEC离散元数值计算方法,深入地探究了库区典型顺倾层状岩质边坡在高频次微小地震下的累积损伤和稳定性。研究表明:①地震持续作用下,边坡自振频率、阻尼比、损伤度和损伤速率依次降低、增大、累积变大和不断提升,各测点PGA响应表现为"高程效应"和"趋表效应",且PGA放大系数均呈降低趋势;②高、低动荷载振幅阶段边坡岩体非线性累积损伤模型可分别用指数函数和三次函数描述,其演化曲线分别呈初期轻微降低、中期线性递增、后期平缓微增的"S"型特征和急速增长的"陡升"型特征;③边坡累积损伤–失稳破坏呈现为起伏体爬坡–啃断–磨平、次级节理(层面)起裂–扩展–贯通、坡体沿复合破坏面发生整体滑移、失稳破坏后岩体以破碎–大型–巨型块状堆积于坡脚,且含起伏体边坡整体稳定性更优;④动荷载振幅、动荷载频率、坡高、坡角增大而层面厚度减小时,边坡临界失稳微震作用次数减小、累积永久位移增大、稳定性系数减小,且层面出露边坡更易发生失稳破坏。     

采动作用下含深大岩溶结构面坡体裂隙扩展及变形破坏规律

中国西南高陡岩溶山区崩滑灾害频发,长期地下采矿活动是该区域崩滑灾害的重要诱因之一。采动作用下,坡体后缘深大结构面扩展演化控制着高陡岩溶坡体稳定性和失稳破坏模式。在野外地质调查基础上,结合室内物理模型试验和离散元数值模拟,揭示了地下开采扰动下覆岩裂隙扩展演化规律,阐明了深大结构面对边坡稳定性的控制作用,讨论了坡体变形的破坏模式。结果表明：地下开采扰动对斜坡体稳定性的影响主要表现在地下采动卸荷引起覆岩应力重分布、山体变形诱使裂隙扩展;地下采空后,斜坡体在二维剖面上形成类似“悬臂梁结构”,坡体原有深大结构面控制坡体稳定性;下行开采条件下,采空范围在断层之前,山体高度较小,在自重作用下“悬臂梁结构”岩层向断层及采空区方向协同变形,不会产生大量离层裂隙,煤层顶板仅发生断裂坍塌并充填采空区,采空至断层后,左侧山体已发生塌落,山体应力重分布,覆岩在自重作用下形成大量张拉裂隙,直接顶塌落高度与裂隙带高度也随采空区范围增加而增加。其变形破坏演化过程可概化为：地下开采卸荷–应力重分布→覆岩断裂下沉–裂隙扩展→坡体裂隙贯通–悬臂破坏→坡中变形挤出–岩桥剪断→坡体整体失稳破坏。     

地震作用下陡岩崩塌颗粒离散元数值模拟研究

 基于江坪河水电站陡岩边坡,进行块体倾覆分析确定地震影响下潜在的破坏位置,推导地震波在颗粒介质内中传播时的边界条件设置公式,用二维颗粒离散元模拟分析地震作用下陡岩的崩塌灾害。结果表明：基于颗粒离散元的崩塌灾害分析方法可通过颗粒运动轨迹来判断边坡是否稳定,研究边坡破坏扩展过程,并可通过修改边界颗粒的属性来模拟入射地震波及透射边界,可最大限度模拟荷载–岩性–灾害发展的耦合作用;地震作用下顺坡向陡倾角卸荷裂隙发育是影响陡岩边坡稳定的控制性结构面,表层发生局部崩塌、块体失稳的可能性较大,其破坏机制为高烈度地震作用下从表层局部块体崩落开始,继而沿着节理裂隙快速扩展直至上部岩体产生崩塌,破坏规模则主要取决于顺层向裂隙的发育深度。该方法可为崩塌失稳边坡的稳定性研究及灾害预测提供理论依据。     

降雨诱发膨胀土边坡渐进破坏研究

膨胀变形是膨胀土边坡失稳破坏的重要因素之一,研究分析降雨诱发膨胀土边坡渐进破坏过程具有重要的实践意义。基于膨胀应变与基质吸力增量的线性关系,将膨胀性引入非饱和流固耦合模型当中,建立一种适用于膨胀土工程的非饱和渗流场–应力场–膨胀应变场多场耦合数值计算方法。结合应变软化模型,分析单次降雨诱发下膨胀土边坡入渗过程以及边坡渐进破坏全过程。结果表明,非饱和膨胀土边坡在单次降雨诱发后,坡体发生以坡脚为起始逐渐向坡顶扩展的破坏,具有明显的时间延后性、多层逐级后退式的特点。膨胀土的膨胀性、强度参数对坡体破坏形式具有显著的影响,膨胀土边坡破坏既保留了一般黏性土的共性也呈现出干缩湿胀的特殊性。     

锦屏I级水电站左岸坝肩边坡施工期破坏模式及稳定性分析

 由于具有复杂的地质结构,岩石高边坡的变形破坏机制和失稳模式非常复杂。首先采用底摩擦试验研究锦屏I级水电站左岸工程边坡在工程开挖过程中的变形破坏模式。试验结果表明：(1) 变形破坏模式为滑移–拉裂式;(2) 岩体被煌斑岩脉X和f42–9断层共同切割形成不稳定块体,并发生失稳破坏。在此基础上,充分利用FLAC3D软件模拟边坡开挖变形的强大功能,分析边坡在开挖过程中可能的变形失稳模式。数值结果显示,f5,f8,f42–9断层以及裂隙密集带SL44–1和煌斑岩脉X等软弱结构面控制岩体的开裂和边坡的失稳。然后,通过有限元强度折减法计算得到工程边坡在不同工况下的安全系数：天然状态下边坡安全系数为1.277;开挖工况下边坡安全系数为1.152;施加支护措施后边坡安全系数为1.385。     

堤(坝)基中浅层强透水层上覆砂层侵蚀试验与分析

堤(坝)基中往往存在局部浅层强透水层,其削减水头能力较弱,易发生管涌等侵蚀破坏,其破坏机理仍需深入探究。文中采用砂槽模拟堤(坝)基中浅层强透水层上覆砂层侵蚀情况,通过改变水位来观测堤(坝)基中砂土细颗粒流失现象,获取渗流量、渗透坡降、土体颗粒级配、锥头阻力等参数。试验表明,水位增至48 cm时浅层强透水层上覆砂层被"击穿"发生管涌破坏,破坏过程分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段、较细颗粒流失阶段、管涌破坏扩大阶段。此外还发现,随着砂土中细颗粒砂土的流失,堤(坝)基的锥头阻力降低而发生沉降;细颗粒砂土流失导致其孔隙率和渗透系数增大,渗流场和应力场发生较大变化,研究成果能为堤(坝)基中浅层强透水层情况提供理论支撑。     

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。