压实黄土淤地坝“陡坎”冲蚀特性研究

近年来短时强降雨导致我国黄土高原地区淤地坝水毁灾害频发,鉴于该领域研究基础薄弱,不同因素影响下压实黄土冲蚀特性和“陡坎”冲蚀机制尚不明晰。开展黄土材料微观孔隙结构的定性和定量测试,以及14组压实黄土“陡坎”冲蚀水槽试验,重点研究初始含水率和压实度对“陡坎”冲蚀过程的影响,揭示压实黄土微观孔隙结构对“陡坎”冲蚀模式和冲蚀速率的影响机制。试验结果表明：压实黄土持水状态是影响“陡坎”冲蚀模式和冲蚀速率的重要因素,水分子通过影响黄土的微观孔隙结构进而改变土体的宏观冲蚀规律;土体在低含水率状态下,“陡坎”以层状冲蚀为主,由基质吸力提供的“假黏聚力”对冲蚀速率影响较小;随着土体含水率提高,“陡坎”冲蚀模式发生转变,以间歇性块体失稳的形式向上游溯源冲蚀;压实度的改变不影响“陡坎”冲蚀模式,而是通过调整颗粒骨架、颗粒接触面积影响“陡坎”冲蚀速率,其量值提高能够显著增强黄土的抗冲蚀能力。研究成果可为压实性黄土淤地坝溃坝机制研究及灾害预测提供理论支撑。     

基于贝叶斯网络的堰塞坝稳定性快速评价模型

为了科学、合理地评价堰塞坝稳定性,收集了国内外313个已溃和未溃堰塞坝的基础信息,建立了案例数据库;考虑堰塞坝形态特征、物质组成以及堰塞湖水动力条件包含的8个影响参数,基于贝叶斯网络提出了两种新的堰塞坝稳定性快速评价模型,分别为节点缺失条件下的简化模型和节点完整条件下的精细化模型。这两种新模型与国内外典型的堰塞坝稳定性快速评价模型的对比结果表明：基于贝叶斯网络的简化模型的绝对准确率和保守准确率分别为83.33%和94.44%,精细化模型的绝对准确率和保守准确率分别为80.77%和96.15%,验证了贝叶斯网络模型的可靠性和科学性,且贝叶斯网络模型可以实时输入和更新样本集,从而不断提高模型预测精度。     

考虑材料冲蚀性沿深度变化的堰塞体漫顶溃决模拟

合理预测堰塞体的溃决过程对于致灾后果评价和防灾减灾工作的开展具有至关重要的意义,但由于堰塞体结构和材料的复杂性,给预测工作带来了挑战。基于堰塞体的地质勘察资料和溃决机理,建立了一个可考虑材料冲蚀特性随深度变化的堰塞体漫顶溃决过程数学模型。模型主要包括水动力模块、材料冲蚀模块和溃口发展模块,并采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟堰塞体溃决时的水土耦合过程。选择拥有实测资料的白格“11·03”堰塞体溃决案例对模型进行验证,模拟结果验证了模型的合理性。参数敏感性分析结果表明,堰塞体材料冲蚀系数对溃口流量过程具有重要影响,堰塞体材料临界剪应力对溃决过程影响较小;另外,开挖泄流槽可大幅降低库容较大堰塞湖溃决时的溃口峰值流量,是一种行之有效的减灾手段。     

堰塞坝稳定性快速评价方法对比

由降雨、地震等灾害产生的堰塞坝坝体寿命短、溃决后危害大,其稳定性一直是学术界和工程界关注的热点,国内外学者已经提出了一系列基于地貌学指标的堰塞坝稳定性快速评价方法。为了对比分析各评价方法的优劣,通过收集世界各地具有实测参数的堰塞坝案例(共421例),分别采用错判率F、绝对准确率R、保守准确率R_c,以及基于3种准确率的综合准确率R_r对国内外常用的堰塞坝稳定性快速评价方法进行了对比分析。综合分析结果表明:DBI和L_s(AHV)的准确率较其他评价方法更高,且模型计算参数较易获取,具有更好的适应性和可靠性;但是堰塞坝稳定性的影响因素较多,前人提出的快速评价方法大多仅考虑坝体形态、流域面积、堰塞湖体积等地貌学因素,具有一定的局限性,今后应在地貌学指标的基础上,通过先进的测量手段快速获取堰塞坝的坝料特性和堰塞湖的水动力学参数,进一步提升堰塞坝稳定性快速评价方法的合理性。     

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。