土石坝溃坝离心模型试验系统研制及应用

研制成功了一套土石坝离心模型溃坝试验系统,采用旋转接水环,确保了高加速度条件下溃坝试验过程中能持续提供足够的对坝体进行冲蚀的水量;采用先进的数据量测方法和图像采集系统能多角度捕捉和摄取土石坝的溃坝全过程,且该系统在高加速度和泥石流条件下能正常工作。利用该离心试验系统以32cm坝高的模型对最大坝高达32m 的3 种不同坝高均质土石坝进行了漫顶溃坝模型试验,研究了坝高对均质坝溃口发展规律和溃坝洪水流量过程的影响。结果发现：随着坝高的增加,溃口的纵向下切与溃口边坡的失稳坍塌速度明显加快,溃口流量过程线更为陡峭,峰值流量增大,且峰值流量出现时间更早,溃坝历时更短,因此,溃坝致灾后果将更为严重。     

土石坝溃坝离心模型试验系统研制及应用

研制成功了一套土石坝离心模型溃坝试验系统，采用旋转接水环，确保了高加速度条件下溃坝试验过程中能持续提供足够的对坝体进行冲蚀的水量；先进的数据量测方法和图像采集系统能多角度捕捉和摄取土石坝的溃坝全过程，且该系统在高加速度和泥石流条件下能正常工作，利用该试验系统对最大坝高达32m的三种不同坝高均质土石坝开展了漫顶溃坝离心模型试验，清楚揭示了其溃决机理，研究了坝高对均质坝溃口发展规律和溃坝洪水流量过程的影响，结果发现：随着坝高的增加，溃口的纵向下切与溃口边坡的失稳坍塌速度明显加快，溃口流量过程线更为陡峭，峰值流量增大，且峰值流量出现时间更早，溃坝历时更短，因此，溃坝致灾后果将更为严重。     

土石坝和堰塞坝溃决机理与溃坝数学模型研究进展

土石坝溃坝机理与溃坝数学模型研究对于预测溃坝洪水致灾过程和致灾后果具有重要的意义。为此,概要介绍了国内外在土石坝溃决机理与溃坝过程数学模型方面的研究进展,特别是笔者研究团队近年来在该领域的最新研究成果,表明以笔者研究团队为代表的国内专家学者,在高土石坝溃坝离心模型试验技术,高心墙坝、面板坝及堰塞坝溃决机理和溃坝过程模拟理论研究方面走在了世界前列。但在土石坝溃坝过程模拟计算机软件的通用性以及溃坝致灾过程的可视化技术方面与欧美国家相比,仍有相当大的差距。建议今后应加大精细模拟高心墙坝、高面板坝溃坝过程数学模型的研究力度,注重可视化技术在溃坝过程模拟中的应用,加快研制通用性友好,能精细模拟土石坝溃坝及其致灾过程的可视化计算机软件。     

均质土坝漫顶溃坝模型相似准则研究

由于土石坝溃坝过程具有强非线性,溃坝机理非常复杂,土石坝溃坝模型试验相似理论研究有较大的难度。基于近年来南京水利科学研究院开展的5次国内外最高黏性土均质坝漫顶溃坝实体试验及20多组室内漫顶溃坝试验,"陡坎"式侵蚀被认为是土石坝漫顶溃坝的重要机理之一。从这一机理出发,该文推导获得了均质土坝漫顶溃坝过程模型试验的两个重要相似准则:"陡坎"移动速度相似比尺λR及溃口流量过程时间比尺λt。两次现场大尺度溃坝试验数据验证表明,该文获得的溃坝模型相似率能够较好的反演均质土坝漫顶溃坝过程,有较好的参考价值。     

土石坝漫顶破坏溃口发展数值模型研究

我国已溃决土石坝中由于漫顶破坏而造成的比例高达50%以上,因此,开展土石坝漫顶溃决机理和溃口发展过程研究,正确预测溃口流量过程线及溃坝致灾后果很有必要.本文首先根据现场溃坝调查资料和大型溃坝试验结果,研究分析了土石坝的溃决机理和溃决过程,在此基础上提出了一个描述土石坝漫顶破坏溃口发展过程的数值模型.该模型采用高速水流泥沙输移公式来计算溃坝水流对溃口纵横向的连续冲蚀;采用溃口边坡稳定性分析来模拟边坡失稳坍塌所引起的间歇性横向扩展;通过楔块体力的平衡计算来模拟坝体突发性崩塌所引起的溃口增大现象;通过下游坝体冲槽和坝顶溃口流量平衡来建立两者发展过程的相互影响.最后利用该模型计算分析了板桥水库土石坝发生漫顶溃决的溃口发展过程及溃口流量过程线,模拟结果与实测资料基本一致,从而证实了该模型的合理性.     

有软弱通道土坝变形及溃决的离心模型试验研究

土石坝稳定分析和溃坝机理研究具有重要的工程意义。离心模型试验通过离心力模拟重力,实现了模型试验应力与原型应力相等,是研究土石坝变形破坏过程的重要手段。围绕小型土坝在管涌工况下变形及溃决的特征和影响因素开展研究。在改进原有的溃坝离心模型试验设备的基础上,进行了一系列有软弱通道土坝溃决的离心模型试验。试验结果表明有软弱通道坝体的溃决过程为:首先管涌通道形成并逐渐贯通,然后下部坝体逐渐冲蚀,同时上部坝体塌陷或塌落,最后整个坝体溃决。管涌通道贯通是坝体发生溃决的重要影响因素,甚至可能是其发生的先决条件。     

溃坝洪水的统一二维数学模型

本文通过资料分析，在前人已有工作基础上，提出了通过统一的二维模型替代以往一维和二维模型嵌套方法的理论基础，探讨了基于此新的概念模式进行数值计算的网格剖分。利用作者以往的洪水冲刷试验研究成果模拟土石坝溃坝发展过程中的逐渐溃模式，探讨了土石坝逐渐溃的溃坝模式数值描述方法，溃坝洪水过程的数值模拟等。文中还介绍了一个实例计算。     

土石坝溃坝洪水分析:原理和计算程序

准确预测土石坝溃决洪水过程直接影响应急处置方案的制定与实施。本文详细介绍了DB-IWHR溃坝洪水分析软件的原理与应用,提出了双曲线冲刷侵蚀模型,侧向扩展模型改进为双曲线形式,并且将敏感性较低的淹没系数m简化。同时,对比了双曲线冲刷侵蚀模型和线型冲刷侵蚀模型的计算结果,验证了双曲线冲刷侵蚀模型的合理性。DB-IWHR溃坝洪水分析软件可快速进行土石坝溃决洪水的计算,其程序使用简单,计算快速、准确,鲁棒性强。     

判别分析法在土石坝稳定性快速判别中的应用

为了在超标准洪水来临发生漫坝溢流时对土石坝坝体的稳定性进行快速判别,基于判别分析法,采用27座土石坝溃坝资料建立了坝体在超标准洪水条件下的稳定性快速判别模型。实际应用结果表明:所建模型交叉验证正确率最高可达96.3%;与现有的各种坝体稳定性判别方法相比,判别分析法是相对有效的坝体稳定性判别方法,可很好地应用于超标准洪水条件下土石坝稳定性的快速判别。     

Breach模型与River2D模型在土石坝溃坝中的耦合分析

Breach是一个用于对土石坝进行溃坝分析以获取时间和流量关系的模型,River2D是一个用于模拟下游洪泛区内溃坝洪水演进以获取全要素风险信息的模型。两个模型的耦合分析在保护水库的安全及管理水库的运行方面有着预防的作用。     

Flow hydrodynamics in embankment breach

Breaching flow occurs during the breach development of the embankment, dike, earthen dam, landslide barrier, etc. and plays an import role in the breaching erosion as the driving force. According to the previous research, the breaching process can be classified into initiation phase, breach widening phase and breach deepening phase. Based on the breaching development classifications, the breaching flow can be seen as a special compound weir flow when the breach channel is in the relatively equilibrium condition. There were five physical flow models were designed in the hypothesis of rectangular shape and trapezoidal shape for the breach channel cross sections to study the breaching flow characteristics. The distributions of water level and velocity were measured and analysed in the breaching flows in overtopping condition and emerged condition. There were two helicoidal flows above the breach channel slopes and triangular hydraulic jump in the downstream of the breach channel in the overtopping condition and emerged condition. The hydraulic energy loss was calculated according to the breaching velocity and water level distribution in the upstream and downstream of the model. It is found that the test results of the breach flow physical model can be valuable to bring insight of the breaching process of embankment and make contributions to the validations and verifications of breach numerical models.     

考虑水沙相互作用的河堤溃决二维数值模型

该文建立了洪水漫堤导致河堤溃决的平面二维水沙运动数值模型,以模拟溃口扩展和堤身冲刷的过程。该模型基于有限体积法、采用显式格式求解平面二维水流运动和非平衡全沙泥沙输移方程,并考虑了边坡崩塌、底床急剧变形以及高浓度泥沙输移对水流运动的影响。溃口处的混合流场采用HLL approxim ate Riemann solver处理,非黏性土溃口边坡的崩塌采用不同干、湿静止角处理。通过对英国HR Wallingford实验室一组实验的计算,结果表明该模型能较好地模拟非黏性土堤坝溃决过程中的溃口展宽、坝体冲刷、流场分布以及溃口流量过程线。对模型参数的敏感性分析显示了水沙耦合溃决模型的非线性特征。     

均质土坝漫顶溃坝过程数学模型研究及应用

国内外大量模型试验表明,"陡坎"式冲蚀是均质土坝漫顶溃决的重要机理。近年来,各国学者开发了一系列的考虑"陡坎"式冲蚀的溃坝过程数学模型,但模型均采用了"陡坎"出现在下游坡脚的假设。通过大比尺均质土坝漫顶溃决模型试验发现,对于坝高较大的均质土坝,"陡坎"出现的位置与漫顶水头和下游坝坡坡比存在内在联系,且"陡坎"的移动速率与坝料的物理力学指标相关,因此初始冲坑的位置和"陡坎"移动参数的选取对于溃坝过程模拟结果的合理性具有重要意义。本文借鉴国内外的漫顶溃坝过程数学模型,提出一个可考虑均质土坝漫顶溃决过程中"陡坎"移动的数学模型。该模型通过漫顶水流特征和坝体形状参数确定下游坡初始冲坑的位置,采用能量分析方法模拟"陡坎"移动,并通过室内与现场模型试验提出可考虑坝料黏粒含量、含水率、干密度等指标的"陡坎"移动参数;利用基于水流剪应力原理的冲蚀速率公式模拟溃口纵向下切与横向扩展;采用宽顶堰流量公式计算溃口流量,通过极限平衡法分析溃坝过程中溃口边坡的稳定性,采用迭代的数值计算方法模拟整个溃坝过程。选择国内外典型的大比尺均质土坝漫顶溃坝试验和有实测资料的溃坝案例对模型进行验证,并研究了是否考虑"陡坎"冲蚀对溃坝模拟结果的影响;通过模型计算分析可以得出,本文提出的数学模型可合理模拟均质土坝的漫顶溃坝过程。     

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。     

堰塞坝漫顶溃决试验及相关数学模型研究

针对当前堰塞坝溃决试验粒径取值偏低和粒径相差不大的现状,采用两组粒径差别明显的砂样进行了堰塞坝垭口漫顶溃决试验。试验表明,同条件下粗、细两种颗粒坝体的溃决现象有着较明显的不同。垭口挡板提起后,细颗粒坝体以下切侵蚀为主,冲刷强度比较剧烈,坝体较容易发生溃决;而粗颗粒坝体则是以渗流出流形成的溯源冲刷为主,冲刷强度较低,溯源面逐渐向上发展,只有当其发展到垭口下端附近时坝体才有可能迅速发生溃决。试验还发现,下游坝坡对溃决过程的影响比较显著,坝坡越陡,坝体越易溃决,溃口的平均展宽速率也越大。此外以deVries输沙率公式为基础建立了具有物理意义的概念性溃口出流计算模型,并采用试验实测数据对该模型进行了验证,结果表明该模型具有良好的适用性。     

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。     

加筋无黏性土石坝漫顶溃坝试验研究

研制了封闭式循环供水土石坝溃坝模型试验装置,并应用该装置开展了室内模型试验,对加筋无黏性均质土坝的溃坝过程进行了系统研究,探讨了坝体加筋对溃坝流量过程线的影响规律。研究结果表明:在水泵出水口设置消能弯管和挡水隔板可保证模型上游供水的稳定性,在试验装置侧面设置连接上下游的U型测流弯管,把明渠流转化为满管管流,在U型弯管下侧平直段安装电磁式流量计量测溃口流量,可有效提高流量过程线的测量精度;加筋无黏性均质土坝的漫顶溃坝过程可分为坝体下游未加筋区域、加筋嵌固区和上游未加筋区域破坏3个阶段;随着加筋体埋深的增加,峰值流量呈现先增大、后减小,再增大的变化规律,在坝高的35%~50%范围内埋设加筋体,能够降低溃坝峰值流量;减小加筋体竖向间距能有效延滞溃坝峰现时间。     

土石坝漫顶溃决过程数值模拟研究

针对水动力条件变化复杂、水土耦合作用强烈的土石坝溃决过程,结合水库调洪演算、清水冲刷以及溃口冲刷侵蚀机理,在Breach模型基础上建立了土石坝漫顶溃口流量过程计算物理模型。结果表明:模型对JP水库大坝溃决过程的模拟,很好地再现了溃决洪水流量过程线、溃口展宽和下切过程,验证了模型的合理性和应用潜力。