堰塞坝溃决模拟研究综述与展望

堰塞坝几何形态、粒径级配和库容决定了其溃决机理的复杂性,而溃决过程的精细模拟和峰值流量的准确预测是应急处置的基础和关键。堰塞坝溃决过程与模拟技术是面向国家防灾减灾重大需求的前沿热点问题。在系统梳理国内外试验和数值模拟研究进展的基础上,指出以往试验研究坝体尺度小,足够大的库容基本未模拟,难以显示最终溃口形态;数学模型假设过多,物理机制不健全,均有待发展完善。提出了下阶段大尺度模型试验研究的方案与思路,重点阐明堰塞坝破坏机制与溃口演变完整规律,揭示溃口发展物理全过程。同时,建议开发能够模拟全场和溃决全过程的平面二维水沙耦合数学模型,摈弃长期以来对溃口流量、溃口形状、边坡坡度、残留坝体高程、溃决时间等的事先假设,而将其视为水沙床耦合数学模型数值解的一部分,以期提升堰塞坝溃决模拟水平和预测精度。     

考虑土体非饱和特性的斜坡降雨入渗模型及边坡稳定性分析

降雨入渗是诱发滑坡的关键因素,研究斜坡降雨入渗规律对于滑坡的预测与防范具有重要意义。传统的Green-Ampt模型及改进的Green-Ampt模型均假定入渗过程为均匀饱和入渗,忽略了入渗过程中湿润锋锋面上方非饱和区的存在。针对这一不足,首先,基于达西定律分析斜坡内基质吸力的分布规律;然后,结合非饱和土VG模型得到了斜坡内湿润区含水量沿深度变化的函数关系;最后,基于改进的Green-Ampt模型推导了考虑土体非饱和特性的斜坡降雨入渗模型,并将其引入到无限斜坡稳定性分析当中。研究结果表明:与数值解和现有模型相比,考虑土体非饱和特性的降雨入渗模型能更加准确地反映降雨入渗的过程,基于改进模型计算的稳定性系数较好地揭示了恒定降雨强度下斜坡稳定性的变化规律,证明了该方法的正确性和适用性。     

结构性黄土压缩特性的微观非连续变形分析

黄土的结构性与其形成过程密切相关,并对其物理力学性质产生重要影响。针对结构性黄土的大孔隙和胶结特性,对DDA算法进行了扩展,将结构性黄土中起主要胶结作用的黏粒胶结嵌入已有的DDA算法中;使用Monte Carlo法和DDA模拟黄土的沉积过程,该方法能够模拟颗粒下落过程中的相互碰撞及摩擦,分析结构性黄土在压缩过程中颗粒的平动和转动规律,由此构建与原状黄土孔隙比接近的微观结构模型;进一步使用扩展DDA对所生成的黄土结构模型进行不同压力下的一维压缩试验模拟,并与室内压缩试验进行对比。发现胶结试样颗粒位移比不含胶结试样颗粒位移小,但整体规律相似;每个颗粒位移的大小和方向不尽相同,但主要以竖向位移为主;在压缩过程中,不同区域的颗粒位移存在较大差异,上部颗粒位移大,越往下部颗粒的位移越小。该研究成果可为从微观认识黄土力学行为提供一条途径。     

土石坝工程领域的若干创新与发展

我国高土石坝数量居世界之首,保证高坝大库建设与长期运行安全是国家经济和公共安全保障的重大需求。系统总结了长江科学院近年来在土石坝工程领域的若干创新与发展。提出了基于“旁压模量当量密度法”的粗粒料级配相似理论试验方法;介绍了研发的系列CT三轴仪,实现了粗粒料组构要素的定量测量;提出了三轴试验中加载板与试样之间由滑动摩擦变为滚动摩擦、整体式接触变为分散式接触的减摩新方法,研发了相关减摩装置;研制了大尺寸、高压力、微摩擦、刚柔复合加载的土工真三轴仪;揭示了粗粒料真实三维应力条件下的强度与变形变化规律、湿化与蠕变变形特性;构建了粗粒料三参量非线性K-K-G剪胀模型、六参数湿化模型、九参数蠕变数学模型及相应的参数确定方法;基于当量密度法的原创思想,提出了利用旁压试验间接确定超百米级深厚覆盖层现场密度的试验方法。上述研究成果可为高土石坝工程建设提供重要科技支撑。     

高聚物布袋注浆桩成桩规律试验研究

高聚物布袋注浆桩是针对既有建筑物地基加固工程而开发的一种新型地基加固技术。为探讨该新技术对既有建筑物地基加固工程的适用性,通过不同密度及不同分层情况土体中的注浆成桩试验,研究了高聚物布袋注浆桩的施工工艺、成桩规律和加固效果等内容。试验结果表明:高聚物布袋桩挤密土体效果明显,成桩后桩径可达到2~3倍预钻孔直径;在相同注浆量的条件下,桩径随着土体密度的增大而减小,桩体密度随着土体密度的增大而增大;同时,高聚物布袋注浆桩能很好地通过硬质夹层,形成哑铃形桩体,对软土地基起到明显的加固作用。现场轻型动力触探试验结果表明,经高聚物布袋注浆桩加固处理后的土体,轻型动力触探试验的锤击数平均增加2~3次,提高了30%~50%,加固效果显著,充分论证了高聚物布袋注浆桩用于加固软弱地基的可行性。     

杭州江北主城区排涝格局优化研究

通过分析杭州江北主城区涝灾成因和区域防御总体能力,优化城区排涝格局,提出城市包围方案,为开展新一轮城市防洪排涝规划和治理工程提供决策参考。基于区域已有的杭嘉湖区域水利综合规划、杭州市城市防洪减灾规划、杭州城西科创大走廊水利专项规划等推荐的水利防洪排涝工程基础上,采用一维河网非恒定流数学模型,建立杭嘉湖东部平原防洪水利计算模型,计算城市包围方案实施效果。研究结果表明,通过北控线建闸建泵并进行优化调度,杭州江北主城区既能满足排涝标准,主动防御,又能最大程度减轻对下游地区的防洪压力,兼顾流域防洪。该研究成果对确定城市防洪排涝方案具有借鉴意义。     

基于国产卫星多光谱影像的河流水体浊度遥感联合反演研究

基于集合建模思想,在水体光谱特征分析与敏感波段选择基础上,集成多种遥感反演模型优势,构建了河流水体浊度多光谱遥感联合反演模型(Combined Model-BP,CM-BP)。选择汉江中下游典型河段为研究区,利用2012—2013年原位观测数据,以具有较高时间分辨率和空间分辨率的国产卫星数据作为多光谱遥感数据源,测试评估了CM-BP浊度遥感反演模型适用性,并与传统波段组合模型进行精度比较,基于反演结果分析了研究区浊度时空分布特征。结果表明:基于集合建模思想构建的CM-BP模型的反演精度、适应性及稳定性均高于波段组合模型;从光谱分辨率、时空分辨率等角度考虑,环境与灾害监测预报小卫星星座系统、高分一号卫星、资源三号等国产卫星多光谱遥感数据是河流水体水质反演优选数据源;国产卫星遥感数据可以满足河流水体水质高精度、实时性与大尺度等遥感反演需要,为河流水环境监测研究提供数据基础。     

SCS模型在山区小流域山洪灾害预报预警中的适用性分析

预报预警是山洪灾害防治中重要的非工程措施,是防灾减灾救灾的关键环节。选取分别代表秦巴山地水资源保护区、西南地震作用区、喀斯特地区、黄土高原超渗产流区、东南沿海台风影响区的湖北省丹江口官山河流域、四川省都江堰白沙河流域、贵州省望谟县望谟河流域、陕西省子洲县岔巴沟流域、广东省高州市马贵河流域这5个典型流域,通过构建改进的SCS模型进行历史山洪模拟,探讨该模型在小流域暴雨山洪预报预警中的广泛适用性。结果表明:基于SCS模型构建的小流域暴雨山洪预报方案中官山河、白沙河、望谟河、马贵河方案均为乙级方案,可用于正式发布预报;岔巴沟为丙级方案,可用于参考性预报。SCS模型在5个典型示范区的洪峰流量预报精度普遍在80%左右,高于我国山洪灾害洪峰流量预报平均水平(40%)。总体来说,SCS模型对各类典型流域的山洪模拟效果较好,能够用于山洪灾害预报预警业务。SCS模型结构简单,参数少,特别适用于无资料地区推广应用。