堰塞坝溃口下切过程试验研究

针对堰塞坝溃口下切过程和不同因素对过程影响的问题,开展室内水槽试验。结果表明:溃口下切过程分3个阶段:Ⅰ为溃口缓慢发展阶段,即水流缓慢溢出溃口阶段,侵蚀速率较小,泥沙输移主要以悬移质运动为主,溃口下切缓慢;Ⅱ为溃口迅速发展阶段,表现为溯源侵蚀强烈,溃口底部变化迅速,推移质运动占主导地位;Ⅲ为稳定河床形成阶段,水流速度和流深减小,水流携沙力减弱,河床形成粗化层,最终达到新的水沙平衡。溃口流量与侵蚀的关系表现为:来水流量的加大增加了相应时刻的溃决流量,增大了侵蚀率,缩短了溃决时间,溃口底部趋于平滑;来水流量的加大提高侵蚀率曲线斜率,使侵蚀率曲线向瘦高型发展;随背水坡坡度的增加,溃决流量增大,侵蚀率增加,坝体残留高度降低。另外,因背水坡坡度增加导致坡面土颗粒稳定性的降低可采用水槽坡度与背水坡坡度之和正切值的3次方这一因子反映。考虑堰塞坝材料性质差异性的溃决过程是下一步研究的重点。     

堰塞坝背水面坡度对溃决过程影响机理大尺度试验

堰塞坝溃决物理概化试验是当前研究堰塞坝溃决机理较为可行的方法,但在现有堰塞坝溃决试验中,由于试验坝体尺寸较小、试验上游库容不足,导致试验的溃决过程与实际堰塞坝溃决存在较大差异。为尽量克服库容的不足所带来的影响,本文采用了最大库容达380m3的大尺度堰塞坝溃决试验系统。本文以无粘性、宽级配砂砾料堰塞坝为对象开展了多组室内大尺度溃决试验来揭示堰塞坝溃决机理,并通过设置不同背水面坝坡来研究其对溃决过程的影响。通过试验发现堰塞坝溃决过程可以分为沿程冲刷、溯源冲刷、快速发展和溃口稳定四个阶段。在溃决过程中发现陡坎侵蚀和溃口两侧土体失稳坍塌是溃口快速发展的主要机理。不同背水面坡度下的沿程冲刷阶段冲蚀特征基本相似,而溯源冲刷阶段及快速发展阶段溃决过程差异显著,较大的背水面坡度使溯源冲刷阶段跌坎水流更容易得到发展,进而影响溃口处的垂向冲深及侧向发展,导致快速发展阶段更易形成垂向落差较大的陡坎洪水冲蚀。从溃决历时来看,坡度的增加使溃口发展更快、峰值流量出现时间更早,进而导致溃决历时缩短。坝顶溃口宽度及峰值流量也会随着坡度的增加而增加。在本试验还较好地重现了天然堰塞坝下游河道两岸的淤积现象,并根据堰塞坝溃决过程中的水流特点、泥沙运动及溃决完成后下游河道的地貌,初步分析了淤积区的形成机理。     

非均质结构堰塞坝溃决机理模型试验

堰塞坝是由滑坡等失稳地质体快速堆积并阻塞河道而形成的天然坝体,溃决后会对下游人民生命财产安全造成严重威胁。深入开展非均质结构对堰塞坝溃决过程的影响研究,可为堰塞坝灾害的风险评估和应急处置提供重要参考。依托自主研发的水槽试验装置,通过开展不同结构类型堰塞坝的溃决模型试验,分析了均质、竖向非均质和水平非均质结构对坝体溃决的影响。研究发现：1）堰塞坝侵蚀过程受局部区域材料性质影响严重。2）均质坝中,随着中值粒径增大,材料抗侵蚀能力增强,溃决特征先由层状冲刷变为陡坎侵蚀,再变为多级陡坎侵蚀,峰值流量逐渐减小,峰现时间逐渐推迟。3）竖向非均质坝中,坝体上部材料主要影响溃口形成阶段历时和坝前水位;中部材料主要影响溃口发展阶段的溃口下切速率;底部材料主要影响下游坡脚稳定性和残留坝体形态。受溃口加速下切和溃决流量增加彼此间相互叠加影响作用,中部及底部材料分布对峰值流量的影响最为显著。4）水平非均质坝中,坝体内部4个区域对溃口发展的影响不同。过流侧上方材料影响溃决前期的溃口下切速率;过流侧下方、对岸侧上方材料分别影响溃决中后期的溃口下切、展宽速率;对岸侧下方材料对溃口发展影响最小。泄流槽设计时,应考虑非均质结构的影响,基于坝体结构特征采用工程措施限制溃口深切、促进溃口展宽,以降低峰值流量。     

震后泥石流沟内滑坡堰塞坝的侵蚀特征分析——以银洞子堰塞坝为例

强烈地震后的沟内滑坡堰塞坝是泥石流地质灾害的重要物质来源,由于季节性降雨的间歇性和沟道地形的特殊性,泥石流沟内滑坡堰塞坝的侵蚀破坏过程与堵河型滑坡堰塞坝有明显区别,本文以银洞子滑坡堰塞坝为例,对此类堰塞坝的侵蚀破坏特征进行了研究。通过多年的现场地质调查和理论分析,主要得出以下结果:1)银洞子堰塞坝受到的侵蚀效应包括降雨导致的坡面汇流冲刷,溃口水流或泥石流的下切侵蚀、侧向侵蚀和溯源陡坎侵蚀;2)横向巨大高差导致该堰塞坝漫顶溃决时的初始溃口位于坝体侧面,水流或泥石流对溃口边坡的侧向侵蚀过程为单向侵蚀,在这种侧向侵蚀和下切侵蚀共同作用下,堰塞坝的溃口边坡越来越高,堰塞坝的稳定性降低;3)银洞子沟上、下游土体强度不同导致堰塞坝的坡面侵蚀效果不同,下游一侧坝体强度较弱,坡面汇流冲刷导致堰塞坝表面被两道大型拉槽分割,堰塞坝的整体性受到影响;4)银洞子堰塞坝特殊的物质结构导致溯源侵蚀陡坎向上游的发展速度缓慢,堰塞坝的侵蚀过程不一致。在多种侵蚀效应的共同作用下,银洞子沟滑坡堰塞坝下游部分的溃口边坡高度大、完整性差,很可能失稳形成二次滑坡,将导致大量松散物质进入新形成的沟道内,从而为泥石流活动提供物源储备。     

堰塞坝漫顶溃决与演变水槽试验指标初探

水槽试验是研究堰塞坝体溃决机理的有效手段之一,但现有试验研究中合理的设计准则尚不多见,本文通过理论分析和水槽试验对堰塞坝漫顶溃决的试验设计进行了研究。基于总结分析,探讨了影响坝体溃决的因素以及堰塞坝漫顶溃决条件下溃口发展的一般进程。通过分析推导,提出了溃口发展过程中流深d的概念,并建立了用于确定模型试验比尺的指标d0/D。根据这一指标所确立的相似准则,本文设计并完成了模型试验;通过与原型堰塞湖溃决过程的对比,试验结果初步印证了这一指标的合理性。本文成果可以为后续的堰塞坝溃决水槽试验研究提供借鉴和参考。     

基于物理模拟的堰塞湖溢流溃决机理

受持续来流影响,在大江大河内形成的堰塞湖极易在数十天甚至数天内漫顶溢流溃决,引发非常态溃决洪水,严重威胁下游沿岸地区人民群众生命财产安全。堰塞湖溃口坍塌变形发展迅速、现场观测难度大,当前普遍难以实地观测堰塞湖溃口形态变化及水力学参数,至今未能获取溃口坍塌发展的真实数据。针对堰塞湖溃决洪水威胁及溃决机理不明等难题,基于堰塞湖溃决过程现场观察及历史堰塞湖溃决案例分析,阐明堰塞体体型、材料级配、库容及上游来水量是决定堰塞体危险性的关键。并以“11·3”白格堰塞湖为原型,分别开展了堰塞湖溃决1∶80室内和1∶20野外物理模型试验,揭示堰塞体溃口发展遵循“流速驱动、流量控制”,以获得较大流速为目标的自我演化机制;溃口坍塌发展的主要动力机制是携沙水流剪切冲刷、陡坎上游负压区涡流掏刷、陡坎下游高速水流冲刷、边坡重力坍塌;堰塞体溃决坍塌依次呈现尾部下切、陡坎溯源、全断面下切、上冲下淤4个发展阶段变化特征,溃口平面形态相应依次呈现线条型、倒喇叭型、双曲面型、近似等宽型4个变化特征。陡坎溯源是溃决前最高效的冲刷方式,也是判断堰塞体漫顶过流后是否溃决的重要标志。开展堰塞湖溢流溃决大型物理模拟试验有助于推动高危堰塞湖应急疏通排水设计和堰塞体坍塌控溃技术发展,为堰塞湖应急处置提供参考。     

基于物理模型试验的堰塞坝冲刷溃决过程研究

我国是堰塞湖灾害最严重的国家之一,堰塞湖对上游淹没区和下游溃决演进区的人民生命财产安全构成巨大危险,深入掌握堰塞坝冲刷溃决过程可为应急泄流道的设计和下游应急避险措施的制定等提供重要科技依据。本文以2018年金沙江白格滑坡堰塞湖事件为研究背景,采用室内物理模型试验的手段对堰塞坝冲刷溃决过程进行了系统研究。试验结果表明：堰塞坝冲刷溃决过程一般可分为四个阶段：过流孕育阶段、溯源侵蚀阶段、溃坝发展阶段以及河床再平衡阶段,当溯源冲刷的陡坎追溯到上游坡顶,泄流槽进口断面在侵蚀作用下突然拓宽,泄流槽将连通形成底坡i>0的斜坡道,进而导致水流流速和流量突然增大,堰塞坝进入溃决快速发展的阶段。试验进一步探究了泄流槽开挖位置、开挖深度和宽度对溃决过程的影响。研究发现：当泄流槽开挖宽度不变,深度增大时,洪峰流量降低、峰现时间延迟、溃决流量过程线更为平坦;当泄流槽开挖深度不变,随宽度增大峰现时间延迟。最后,对泄流槽的优化设计提出了建议：泄流槽位置宜布置在坝顶高程最低的垭口,以减小洪峰流量,缩短溃决历时;开挖泄流槽时应优先考虑加大泄流槽深度,最大限度地降低溃决时的堰塞湖水位。     

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。     

堰塞坝泄流冲刷试验研究

考虑到堰塞坝不同内坡坡度和不同坝体级配对溃坝过程的影响,设计了11组溃坝试验进行研究,根据对溃坝过程的摄影记录,观测到溃坝过程的四个阶段,其中阶段Ⅲ的坝体侵蚀最为剧烈,阶段Ⅰ内坡被侵蚀,阶段Ⅱ溃口顶部被侵蚀,阶段Ⅲ外坡被侵蚀,阶段Ⅳ坝体形态达到稳定,库区水位逐渐达到恒定值;运用WYG-Ⅱ型水位测量系统,得到整个溃坝过程水库的实时水位数据,试验结果表明:内坡坡度越大,溃坝洪峰流量越大;不均匀系数越大,溃坝洪峰流量由于绕流掀沙现象的存在反而增大,而后随着粗沙越多,细沙隐蔽作用突出,溃坝洪峰流量减小.     

无粘性土堤漫顶溃决过程初步研究

通过概化水槽试验针对不同的河道流量、洪水位、筑堤材料和堤防断面形式等条件,系统研究了溃口横向展宽、垂向冲刷及内外江水位变化过程、影响因素及发展规律。因溃决流量过程难以实测,基于堤防溃口附近水面变化的实测资料,采用1维非恒定溃堤水流数学模型精确模拟了溃决流量过程。研究结果表明,溃决流量变化滞后于溃口处水头变化,与溃口横向宽度以及溃口处水头密切相关,且符合侧堰溢流规律。研究成果可以为堤防减灾以及灾害评估提供初步技术依据。     

气蚀磨蚀机理的探讨

通过对抗气蚀材料表面显微结构和影响气蚀因素的分析,从材料的机械性能、冶金学参数和流体力学条件出发,综述多项流体介质作用下气蚀磨蚀的机理,从而为计算气蚀磨蚀速率提供参考。     

Research on cohesive sediment erosion by flow: An overview

Erosion of cohesive sediment by flow is a very complicated phenomenon occurring worldwide. Understanding and modeling of the erosion process are important for many issues such as the breaching of embankments, riverbank stability, siltation of harbors and navigation channels, service life of reservoirs, distribution of (heavy metal) pollutants and water quality problems. In the last few decades, numerous studies have been done on the erosion of cohesive sediment by flow. Nevertheless, the factors affecting the erosion resistance of cohesive sediment are still not fully understood and the knowledge of the physics of cohesive sediment erosion is inadequate, as a result the mathematical modeling of this erosion is far from satisfactory. In this paper an overview of the studies on the erosion resistance, erosion threshold and the erosion rate of cohesive sediment by flow is presented. The outcomes achieved so far from the studies and the existing problems have been analyzed and summarized, based on which recommendations are proposed for future research. Supported by the National Key Technology R&D Program of China (Grant Nos. 2006BAC14B02 and 2006BAB05B03) and the National Basic Research Program (973 Program) of China (Grant No. 2007CB714106)     

飞灰冲刷角度变化对锅炉常用钢材磨损影响的试验研究

在试验研究和理论分析的基础上,本文定义了一个无固次角度系数,并用于定量反映塑性材料的冲蚀磨损率随飞灰冲刷角度变化的规律,同时建立了无因次角度系数计算式,可供工程实际应用.     

松嫩平原土壤侵蚀现状与治理措施的研究

通过对黑龙江省松嫩平原土壤侵蚀现状的调查研究,得出了该区土壤侵蚀现状（2013年）为：水力侵蚀面积45220 km2,风力侵蚀面积8687 km2;侵蚀沟65754条,面积533.26 km2,长度24937 km。对治理措施进行了考查研究,总结提出治理措施：风蚀有2种,水蚀有4种,可供治理土壤侵蚀时参考。     

水闸下游冲刷及对策

分析了产生闸下出流冲刷破坏的流态及原因,提出了防止冲刷破坏的对策.     

通南巴地区地层剥蚀时间及剥蚀厚度研究

剥蚀厚度和高强度剥蚀时期的确定对烃源岩生烃模拟和成熟演化影响较大,依据测井、地震及实验测试资料对川东北通南巴地区剥蚀厚度和剥蚀时刻进行研究.结果表明:在晚白垩世末期川东北地区开始隆升剥蚀的时间为距今75 Ma;晚白垩时期燕山-喜山隆升运动致使研究区侏罗系和白垩系地层存在大面积高强度的剥蚀,在平面上剥蚀强度差异较大,剥蚀厚度一般为700~6 000 m,总体上看呈北东强,南西弱的特征;盆地边缘的米仓山、大巴山隆起地区剥蚀强度最大,达到了6 000 m,而在盆地内部的通南巴及龙4井背斜带剥蚀强度次之,剥蚀量为250~3 000 m,而在盆地内部剑阁、苍溪、川复56井等的洼陷区则剥蚀相对弱些,剥蚀量一般为700~1 500 m.     

辽东湾海岸侵蚀病害模式及其等级分布

为查清辽东湾海岸侵蚀的发育类型及等级分布规律,选择辽东湾典型海岸段为重点研究区域,结合现场调查及相关资料,对辽东湾海岸侵蚀情况进行了细致研究,结果表明,辽东湾海岸侵蚀按病害模式来分,可分为冲磨蚀型、浪坎坍塌型、块状崩落型、岩溶凹陷型、界面滑移型5种类型;按蚀淤程度划分,可分为严重侵蚀、强侵蚀、侵蚀、微侵蚀、稳定5种等级。其中,沙质海岸侵蚀模式以浪坎坍塌型为主,基岩海岸侵蚀模式主要表现为块状崩落型和岩溶凹陷型,粉沙淤泥质海岸侵蚀模式以冲磨蚀型为主。这有助于辽东湾海岸带减灾、防灾目标的实现,为海岸侵蚀灾害的进一步研究打下基础。     

扎兰屯市土壤侵蚀类型及水土流失分区

本文阐述了扎兰屯市土壤分布规律和土壤养分状况，分析了土壤侵蚀类型及其成因，并根据水土流失分区指标，提出水土流失分区。     

土楼夯土风雨侵蚀机理及侵蚀损耗量研究

针对夯土墙侵蚀及侵蚀计量问题,采用现场实测和借鉴水土流失统计的方法,研究夯土风雨侵蚀损耗规律,并提出损耗计量公式,揭示了夯土风雨侵蚀损耗机理、雨水浸润墙体弱化材料性能及风驱雨撞击夯土产生材料颗粒的溅蚀和剥蚀,并量化证实了雨滴撞击荷载是侵蚀损耗的直接动力.结合当地风、雨气象数据,计算出近年来夯土的年侵蚀量,可用于预测夯土墙剩余寿命,为土楼保护提供适用性的科学依据.     

三江源地区土壤侵蚀类型研究

全球气候变暖导致三江源地区雪线上升,冰川后移,降水和径流减少,草场退化,土壤沙化,使本来就十分脆弱的生态环境更加恶化。根据三江源地区当前所处的实际情况,在分析三江源地区土壤侵蚀环境背景以及土壤侵蚀营力作用的基础上,归纳总结了三江源地区土壤侵蚀类型与特征,重点研究了冻融侵蚀分布范围和强度、分布规律以及评价指标体系。结果表明:三江源地区各种土壤侵蚀类型中,冻融侵蚀分布范围最广;不同强度的冻融侵蚀空间分布差异显著。