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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

极端条件下尾矿库排洪系统失效溃坝影响规律研究

为了有效减少尾矿库溃坝对周围各类设施带来的不良作用,采用MIKE 21平面二维水动力模块模拟最终堆积标高时达到漫顶情况下出现溃口且溃口逐渐扩大导致失稳对周围1 km各类设施的影响规律,溃口形状为倒梯形,溃口位置选取对下游最不利位置（尾矿库东北坝）,生成二维溃坝演进模型,分别得到溃坝范围内的流量过程、淹没高程、淹没范围等数据。研究表明：该尾矿库在正常标高且良好管理下运行时,不会发生溃坝;当水库达到最高洪水位、排洪系统全部失效、遭遇远超1000年一遇洪水、24 h入库洪水总量超出安全运行水位至坝顶之间库容时,可能产生漫顶溃坝风险;洪水漫顶溃坝和边坡局部失稳溃坝后下泄的尾矿砂对东北侧砂场的影响均大于东南侧;洪水漫顶溃坝影响范围未超过1 km;局部边坡失稳溃坝下东北侧的溃坝影响范围超过1 km,但此时溃坝已停止,泥石流不再向前移动,风险处于可控状态。     

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。     

大尺度土坝漫顶溃决试验工程性态测试与分析

漫顶是土坝溃决的主要原因。利用原体试验土坝(坝高9.7 m),应用渗流压力、水分、测斜、分布式光缆等传感器及数据采集系统,开展了漫顶溃决试验工程性态测试研究,获取了试验坝填筑、分阶段蓄水和溃决过程的渗流、温度和变形的测试数据及变化特征。测试结果分析表明:坝体渗流压力与库水位明显相关,坝体含水率灵敏性比渗流压力灵敏性快;坝体水平位移由向上游逐渐向下游发展,坝体最大倾度2.242°,坝顶表面最大沉降率为5.21%。测试结果为土坝灾变机理研究及溃坝早期预警提供基础数据。     

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.

     

土石坝管涌破坏溃口发展数值模型研究

由于坝体、坝基本身的缺陷或者穿坝建筑物的影响,渗透破坏是土石坝常见的一种破坏形式,管涌破坏在渗透破坏中占有很大比例。前人虽对土石坝管涌进行了大量的研究,但对管涌发生后的发展过程及其破坏规律还缺乏深入的研究。首先通过对可动颗粒受力情况的分析,推导出可动颗粒的临界水力梯度和管涌发展过程中土体孔隙率的变化,然后采用水流运动能量方程推导出管涌发展过程中管涌通道流量和流速的发展变化过程,得出了管涌通道流量的计算方法以及孔流转化为堰流的控制条件。在此基础上,提出了一个模拟土石坝管涌发展过程的数学模型,该模型可同时考虑土体的颗粒级配和密实度对管涌发展的影响,建立流量、流速与孔隙率的变化关系,确定管涌过程中的流量过程线,与目前国内外已有的模型相比,更为合理地考虑土石坝筑坝材料性质对溃口发展过程的影响。已有的大坝溃口实测流量过程线证实了该模型的合理性。     

考虑流变效应的高心墙堆石坝应力变形分析

采用三维有限元法对某高心墙堆石坝的应力变形进行了计算分析,数值结果表明,大坝的应力变形值在合理范围内,基本稳定期的坝体沉降约占坝高的1．07％,该心墙堆石坝的位移及应力分布符合心墙堆石坝应力变形的一般规律。     

深覆盖层上土石坝心墙与防渗墙连接型式研究

深厚覆盖层上建造的土石坝常采用封闭式防渗系统。当心墙坝防渗系统坝体采用沥青混凝土心墙、坝基采用封闭式防渗墙时,心墙混凝土基座、防渗墙与相邻土体之间将产生不均匀沉降,易引起基座混凝土断裂和坝壳及覆盖层土体剪切破坏。针对心墙坝坝体心墙与坝基防渗墙合理的连接型式问题,结合某水库工程,采用非线性有限元法,建立三维有限元模型,分析研究了心墙基座与防渗墙不同连接型式下坝体与坝基的变形和应力。通过坝体和坝基的变形协调分析以及心墙基座和防渗墙的应力分析,推荐了合理的连接型式,即深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝坝基采用封闭式防渗墙时,宜采用心墙基座与防渗墙间预留空隙的连接型式,其空隙大小与坝基覆盖层厚度及其力学特性以及防渗墙弹性模量有关,需经计算分析确定。     

Numerical analysis of nonlinear dynamic behavior of earth dams

A numerical study is conducted to investigate the dynamic behavior of earth dams. The numerical investigation employs a fully nonlinear dynamic finite difference analysis incorporating a simple elastic perfectly plastic constitutive model to describe the stress-strain response of the soil and the Rayleigh damping to increase the level of hysteretic damping. The extended Masing rules are implemented into the constitutive model to explain more accurately the soil response under general cyclic loading. The soil stiffness and hysteretic damping change with loading history. The procedures for calibrating the constructed numerical model with centrifuge test data and also a real case history are explained. For the latter, the Long Valley (LV) earth dam subjected to the 1980 Mammoth Lake earthquake as a real case-history is analyzed and the obtained numerical results are compared with the real measurements at the site in both the time and frequency domains. Relatively good agreement is observed between computed and measured quantities. It seems that the Masing rules combined with a simple elasto-plastic model gives reasonable numerical predictions. Afterwards, a comprehensive parametric study is carried out to identify the effects of dam height, input motion characteristics, soil behavior, strength of the shell materials and dam reservoir condition on the dynamic response of earth dams. Three real earthquake records with different levels and peak acceleration values (PGAs) are used as input motions. The results show that the crest acceleration decreases when the dam height increases and no amplification is observed. Further, more inelastic behavior and more earthquake energy absorption are observed in higher dams.     

紫坪铺大坝下游坝坡震后抗震加固措施大型振动台模型试验研究

紫坪铺水库面板堆石坝坝顶区下游干砌石护坡在汶川地震中遭到了较严重的震损破坏,是大坝震后抗震加固处理的重点环节。综合考虑已有高土石坝坝坡抗震加固措施在大坝震后加固中的适用性,并参考浆砌石护坡在强震中表现出的良好抗震性能,浆砌石护坡成为了紫坪铺大坝下游坝坡震后抗震加固的重要选择。针对紫坪铺大坝坝坡震后抗震加固工程,进行堆石坝坝顶区坝坡抗震加固措施(干砌石护坡和浆砌石护坡)大型振动台模型试验,研究砌石护坡的抗震加固机理并验证其抗震加固效果;同时,结合大坝地震动力反应计算和大坝振动台模型试验的研究成果,确定了大坝坝顶区浆砌石护坡的加固范围。研究表明:浆砌石护坡在强震中具有良好的整体性,干砌石护坡在强震中的局部碎、块石滑移导致护坡整体渐进破坏,浆砌石护坡对堆石坝坡的保护作用明显优于干砌石护坡;紫坪铺大坝下游坝坡震后浆砌石护坡加固范围取为3/4坝高以上坝顶区坝坡较为合理。