均质黏性土坝漫顶溃决机理及溃坝过程模拟

水库大坝的溃决对下游人民生命及财产带来巨大威胁,而中国已溃大坝中有85%以上为均质黏性土坝,且50%以上为漫顶溃决,因此有必要深入研究均质黏性土坝的漫顶溃决机理,提高溃坝洪水流量过程的预测精度,为溃坝应急抢险提供理论与技术支撑。基于均质黏性土坝大尺度漫顶溃决模型试验,揭示了漫顶水流作用下溃口在3维空间的发展机理,在此基础上提出了一个模拟均质黏性土坝漫顶溃决过程的数学模型。该模型基于坝体形状和漫顶水流特征确定"陡坎"的形成位置,采用宽顶堰公式计算溃口流量;选择可考虑坝料物理力学特性的溯源冲刷公式模拟"陡坎"的移动,并通过力学分析判断"陡坎"上游坝体的坍塌;引入坝料冲蚀系数,通过分析水流剪应力与坝料临界剪应力建立坝料的冲蚀率方程,模拟坝顶与下游坡溃口的发展;采用极限平衡法模拟溃口边坡的失稳,并假设滑动面为平面。模型考虑了不完全溃坝与坝基冲蚀,以及坝体的单侧与两侧冲蚀。选择国内外3组具有实测资料的大尺度均质黏性土坝漫顶溃坝模型试验对模型进行验证,实测值与计算结果的比较表明,溃口峰值流量、溃口最终平均宽度及溃口峰值流量出现时间的相对误差均在±25%以内,并且计算获得的溃口流量过程线与实测结果基本吻合,验证了模型的合理性。     

土石坝溃坝参数模型研究

土石坝溃坝参数的获取对于溃坝致灾后果的评价具有重要意义。而参数模型因其公式形式简单、计算快速常被用于溃坝参数的预测。本文对国外土石坝溃坝案例数据信息进行校验整理,并补充了相关的国内溃坝案例,形成了一个包含154个溃坝案例的基础数据库。在此基础上,针对不同坝型,对模型输入变量进行无量纲化处理,选择库容形状参数、水位比参数及坝高参数等作为自变量进行回归分析,建立了可模拟土石坝溃口峰值流量、溃口最终平均宽度和溃坝历时的数学表达式。该模型可反映坝型、溃坝方式、溃坝时库容、水位、坝高、溃口深度等参数对溃坝参数的影响。通过与国内外常用溃坝参数模型的对比发现,本文模型依据的土石坝溃坝案例数据库信息更为翔实,输入变量较易获取,在整体上具有更好的适应性、计算精度和拟合效果再选取4组典型案例,验证了本模型的合理性和优越性。     

级配特征和水力梯度对砂砾料渗透性影响研究

为探索砂砾料渗透性的规律,开展了室内垂直向上渗透试验,结果表明,砂砾料渗透性随着孔隙比的增大而增强,随着细粒含量的增高而减弱。对特征粒径进行了进一步推导,给出了连续级配的特征粒径计算方法,通过量纲分析和参数拟合,得到砂砾料渗透系数的经验公式。通过渗透变形试验,将水力梯度对砂砾料渗透性的影响进行了分析,结果表明:细粒含量高,则渗透系数随水力梯度的增大而增大;细粒含量低,则渗透系数随水力梯度的增大而减小。结合细粒含量、孔隙比的影响,给出了考虑水力梯度的渗透系数计算公式,并对试验结果进行验证,结果表明,该公式可较好地反映各参数,尤其是水力梯度对渗透性的影响,拟合效果较好。     

尾矿库排渗系统反滤设计研究进展

水平排渗管、辐射井为当前典型的尾矿库排渗系统,无纺土工布为排渗管(辐射管)主要反滤材料,但其反滤层缺乏严格的反滤设计,反滤特性差异较大。通过总结典型反滤层结构及各组成部分对反滤性能的影响、现有反滤准则及反滤试验技术、反滤层耐久性研究进展,总结了尾矿料统计特征、土工布特征参数、土工布反滤层反滤过程等方面的研究进展,指出了尾矿库排渗系统反滤设计领域今后的几个研究方向:尾矿料物理力学特性对反滤层的影响研究,土工布特征表征方法研究,土工布特征参数测量方法研究,长期反滤试验方法与试验设备研究,土工布反滤层反滤过程数值研究,为尾矿库排渗系统反滤设计研究提供参考。     

土石坝溃决过程数值模拟研究进

土石坝的溃决将对淹没区的人民生命财产带来巨大灾难,因此土石坝溃决过程的研究对溃坝致灾后果的评价具有重要意义。首先对大坝的溃决原因进行了分析,并依据常用的土石坝溃决数学模型的分类标准,着重介绍了土石坝溃决参数模型、土石坝溃决过程简化模型和土石坝溃决过程精细化模型的研究进展,对现有成果的优缺点进行了分析总结,并对今后研究的重点提出了相关建议。     

大石峡砂砾石坝料渗透特性及其影响因素研究

利用试样截面尺寸为1000 mm×1000 mm的超大型渗透仪和Φ300 mm的常规大型渗透仪,针对大石峡面板坝筑坝砂砾石料的渗透特性开展了较为系统的试验研究。结果表明:砂砾石料小于5 mm细粒含量对其渗透系数、抗渗透破坏能力及其破坏模式均具有重要影响;经过缩尺的砂砾石料渗透特性试验结果将高估原型料的排水性能和抗渗透破坏能力;试样尺寸越大,在振动压实制样过程中,砂砾石料中细颗粒离析至试样表面的现象越严重,为提高试验结果的可靠性,利用超大尺寸渗透仪开展试验时,应模拟现场砂砾石料实际振动碾压过程进行制样;大石峡高面板坝筑坝砂砾石料小于5 mm细颗粒含量较高,渗透系数偏小,有必要在垫层区和主堆砂砾料区之间设置过渡反滤区,以提高垫层区料的抗渗透破坏能力。     

均质土坝漫顶溃决“陡坎”移动参数确定

“陡坎”冲蚀是均质土坝漫顶溃决时的主要破坏模式,“陡坎”移动的速度与坝料的物理力学指标具有内在联系,而目前国外给出各类“陡坎”移动模型很少考虑这些联系,且参数选取方法误差较大。基于水流能量耗散原理的“陡坎”移动速度模型,考虑坝料的黏粒含量、含水率、干密度等因素,参考国内外具有实测“陡坎”移动速度资料的水槽模型试验成果,拟合出“陡坎”移动参数的表达式,并结合水槽模型试验不同坝料的特点,给出了拟合“陡坎”移动参数的上下包线。参考美国农业部农业研究中心开展的7组均质土坝漫顶溃决试验的“陡坎”移动速度实测资料,验证了建议参数的合理性,并与国外典型的“陡坎”移动参数模型计算结果进行比较,给出了参数取值的参考方法;对“陡坎”移动参数中涉及的黏粒含量、含水率、干密度等指标进行参数敏感性分析,分析研究3个指标对“陡坎”移动规律的影响,为均质土坝漫顶溃决模型“陡坎”运移参数的选取和进一步研究“陡坎”抗冲蚀能力内在机理提供参考依据。     

土石坝溃坝参数模型研究

通过对国外土石坝文献中溃坝案例数据信息进行校验整理,并补充收集到的相关国内溃坝案例,形成了一个包含154个溃坝案例的基础数据库。在此基础上,针对均质坝和心墙坝两种坝型,对模型输入变量进行无量纲化处理,选择库容形状参数、水位比参数及坝高参数等作为自变量进行回归分析,建立了可模拟土石坝溃口峰值流量、溃口最终平均宽度和溃坝历时的数学表达式。该溃坝参数经验模型可反映坝型、溃坝方式、溃坝时库容、水位、坝高、溃口深度等参数对溃口峰值流量、溃口最终平均宽度和溃坝历时的影响。此外,通过对国内外常用的溃坝参数经验模型的统计分析发现,本文模型相较于已有的模型,依据的土石坝溃坝案例数据库信息更为翔实,输入变量较易获取,对溃坝参数的影响因素考虑更加全面,特别是能更好地反映坝体特征和当前水力条件对溃坝参数的影响。针对数据库中的相关案例,使用本文模型与常用经验模型进行计算验证,通过整体均方根误差和可决系数的计算,发现本文模型在整体上具有更好的适应性、计算精度和拟合效果。再基于不同的坝型和溃坝方式,选取4组国内外典型案例进行分析,发现本文模型在整体上计算结果较为准确,进一步验证了本模型的合理性和优越性。