楞古水电站建设与防灾减灾

力丘河口－蒙古山河段内分布有唐古栋滑坡、马河变形体等特大型、巨型潜在不稳定体，在地震工况下可能失稳的总方量约为4．5亿m3，失稳后的堰塞体溃决洪水将可能对其下游电站的正常运行、下游沿河居民带来风险。建设楞古水电站能改善该区域的通讯、交通条件，设置边坡自动监测设施，有利于增强滑坡变形体的预警预报和对滑坡灾害的应急处置能力。同时，楞古水电站采用混合长引水开发方案，在滑坡影响区设置公路隧洞，在紧急情况下可以泄流，在来水小于丰水期平均流量时可以避免堰塞体溃决，在发生洪水时可以延长堰塞体的溃决时间，从而实现防灾减灾。     

基于PFC2D的岸坡覆盖层失稳堵江模拟研究

基于PFC2D颗粒流方法,建立覆盖层边坡模型,设定多个库水位的条件下,模拟覆盖层边坡破坏过程,预测形成的堰塞坝高度。结果表明,库水位越高,堰塞坝高度越高。当覆盖层中饱和土体占1/3时,破坏规模较大,形成的堰塞坝高度要高于其他水位条件下的模拟结果,即存在一个较危险的水位区域。水位低于危险区时,主要发生坡脚塌岸;危险水位区域内,整体下滑;水位高于危险水位区,主要是饱和土体发生失稳。该方法不适用于库水位升降的动态过程模拟,仅适用于静水位模拟。     

两级堰塞坝连溃过程数值模拟及溃口流量演化特征研究

在强震作用下,高山峡谷区易发生滑坡堵江形成串联的梯级堰塞坝,其中一级一旦溃决易引发梯级连溃。本文基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程、湍流重正化群模型,以及悬移质和推移质冲蚀方程,并考虑溃口边坡的失稳坍塌,采用有限体积法建立了梯级堰塞坝连溃过程数值模拟方法,用于模拟连溃过程中的水动力特征及梯级堰塞坝的溃口形态演化过程。选择典型的两级堰塞坝连溃概化模型试验作为数学模型验证案例,对比实测值和计算结果发现,上下游堰塞坝溃口洪水流量过程和溃口形态演化过程基本一致,上下游堰塞坝溃口峰值流量、区间洪水演进时间等关键参数的相对误差小于±5%;比较上下游堰塞坝溃口洪水流量过程发现,梯级堰塞坝发生连溃时,溃坝洪水存在级联放大效应。选择上下游堰塞坝距离、河道坡度和下游坝坝高等三个关键参数,研究连溃洪水的放大效应及其影响因素,参数敏感性分析结果表明：下游坝溃口峰值流量随两坝间距和下游坝坝高的减小而增大,随河道坡度的增长呈先增大后减小的趋势;上游坝溃决洪水演进至下游坝时可能产生涌浪翻越并冲蚀坝顶,导致坝顶高程降低,并对下游坝发生溃决的时间以及溃口峰值流量产生影响,因此涌浪对下游坝溃决过程的影响与涌浪翻越坝顶的水量以及坝料冲蚀特性相关。选择小岗剑上、下两级堰塞坝连溃案例,通过对比计算和实测的溃口流量以及溃口形态发现,关键溃坝参数的相对误差小于±10%,验证了模型在实际案例中应用的合理性,本文提出的数值模拟方法可为梯级堰塞坝连溃风险评估和应急处置提供重要技术支撑。     

基于DEM方法的滑坡堰塞坝几何特征分析

基于离散元法(DEM)对滑坡堰塞坝的几何特征进行了数值模拟,考虑沟道断面形态、滑坡速度以及沟床坡度三种因素的影响,共27种组合。结果表明:沟道断面形态、滑坡速度对堰塞坝横向、纵向几何形态都有影响,而沟床坡度只对堰塞坝纵向几何特征产生影响;滑坡速度增大,堰塞坝纵剖面顶宽和底宽的比值减小,堰塞坝的有效厚度减小;沟床坡度增大,堰塞坝下游坝坡内角减小,上游坝坡内角增大,两者的比值减小,堰塞坝坝坡倾角的变化规律与内角的变化规律相反。     

大渡河章古滑坡演化机制分析及稳定性评价

章古滑坡位于大渡河右岸,姑咱镇下游2.5km,体积约19 000×104 m3,属特大型滑坡,且该区属高烈度区,滑体一旦失稳,可能造成堵河和堰塞溃坝。为了分析滑坡的演化过程及发展趋势,通过野外调研、测绘、物探及室内测年等研究方法,并利用三维有限元软件(FLAC-3D)进行数值模拟分析,对滑坡的演化机制和滑坡体的稳定性进行了研究。结果表明:章古滑坡为古地震滑坡,滑坡体的形成经历了河谷卸荷松弛、大渡河侧蚀、强震滑坡和翻坝侵蚀四个阶段;目前,滑坡体整体处于稳定状态,但局部范围可能发生次级滑坡。     

堰塞坝泄流冲刷平衡形态的影响因素研究

根据模型试验观测可知,堰塞坝泄流过程大致可分为溯源冲刷、下切展宽、粗化稳定三个阶段,冲刷稳定后床面形态可分为头部粗化区、细沙落淤区、粗化床面区、推进细沙区、原河道区.分析不同入库流量、坝体级配、坝后坡度对堰塞坝泄流冲刷平衡形态的影响,结果表明:入库流量对堰塞坝泄流冲刷平衡形态影响不大,而坝体级配、坝后坡度对堰塞坝泄流冲刷平衡形态有较大影响.     

金沙江白格堰塞坝自然泄流冲刷溃决过程数值模拟

堰塞坝冲刷溃决及溃决洪水演进过程十分复杂,其溃决洪水对下游人民生命财产构成巨大威胁。利用数值分析方法对大型滑坡堰塞坝的溃决演进过程进行模拟和重演,对堰塞湖下游的避险与防灾减灾具有重要指导意义。以2018年金沙江"10·11"白格滑坡堰塞湖为例,基于无人机获取的地形数据,建立白格滑坡堰塞坝的三维数值模型,采用Flow-3D软件对堰塞坝的自然泄流冲刷溃决过程进行模拟,分析泄流槽内的流速、冲淤变化特征以及下游溃口处的洪峰流量演变过程。模拟结果表明:堰塞坝漫顶冲刷可以划分为溃决冲刷前、溃口快速拓展阶段、洪峰时刻、溃口稳定发展阶段4个时间段;溃决泄流过程中,泄流槽斜坡道上的水流流速较大,冲刷深度最大,堰塞坝下游出现明显淤积;白格堰塞湖溃决过程中出现了明显的溯源侵蚀现象,在泄流槽不断下切的过程中,泄流槽跌坎不断向上游移动。模拟结果有助于进一步深化对金沙江"10·11"白格滑坡堰塞坝冲刷溃决过程和机理的认识,对于堰塞湖应急处置措施和科学避险方案的制定具有一定的参考价值。     

金沙江上游扎马古滑坡复活特征及堵河危险性分析

随着人类工程活动不断加剧和极端天气的频繁出现,古滑坡复活堵江问题日益突出,严重威胁着山区城镇安全。以金沙江上游巴曲右岸扎马特大古滑坡为例,采用无人机航测、现场精细调查和数值模拟分析等方法,查明了古滑坡复活特征,剖析了不同重现期降雨条件下滑坡的稳定性和失稳概率,模拟研究了不同工况下滑坡运动过程、堆积范围及堵河危险性。结果表明：(1)扎马古滑坡前缘局部复活主要表现为地表变形迹象清晰,呈现牵引式渐进破坏的特点,前缘复活区体积约185万m³,存在进一步失稳滑动可能;(2)滑坡前缘在天然状态下稳定,20年一遇的月极值降雨条件下处于不稳定状态,失稳概率为87.95%,50年、100年一遇的月极值降雨条件下前缘与后部整体处于不稳定状态,失稳概率分别为58.75%、68.60%;(3)前缘失稳或前缘与后部连续失稳后,滑坡体在沟口处达到的最大速度分别为9、11 m/s,滑移距离最远可达480 m,在巴曲沟道形成高度约42~48 m的堰塞坝;(4)堵塞巴曲后形成的回水可能淹没滑坡上游德达乡段G318国道、居民建筑及场站等基础设施,涉及范围约0.81~1.02 km²,形成的堰塞湖可能在7天内发生漫坝,应引起重视。     

堰塞坝的形成机理与溃决风险

基于多座溃决堰塞坝案例的调查,对堰塞坝的形成机制、溃决风险及其影响因素进行分析总结,认为堰塞坝主要是由地震或降雨或火山喷发引起的山体滑坡、崩塌、泥石流所形成,形成方式可概括为滑坡、崩塌、泥石流以及碎屑流,其中滑坡是形成堰塞坝最主要的形式。堰塞坝的工作条件、坝体几何特征以及坝体物质组成和内部结构都与人工土石坝存在明显差别,其溃决的可能性远高于人工土石坝。指出堰塞坝的溃决风险主要取决于上游来水量、坝的拦蓄水量、坝的几何尺寸和坝的结构与物质组成,并讨论了降低堰塞坝溃决风险的应对措施。鉴于堰塞坝极高的溃决可能性与严重的致灾后果,建议今后加强堰塞坝溃决机理、溃坝过程的试验与数值模拟研究工作,提出能合理反映堰塞坝溃口发展规律、溃坝洪水流量过程的数值模型与相应计算方法,为科学预测堰塞坝溃决致灾后果,制定堰塞坝溃决应急预案提供技术支撑。     

某堰塞坝冲刷溃决数值模拟分析

堰塞坝发生溃决破坏会严重威胁下游人民的安全。为降低其对下游的威胁,文章以黑西洛沟滑坡-泥石流-堰塞湖灾害为例,通过Flow-3D软件对坝体溃决过程进行模拟,得到流速特征及溃口冲淤情况。结果表明：泄流过程中,溃口逐步扩展,坝体下游出现侵蚀破坏,随后溃口向上游发展;泄流槽末端最大流速达到17.5m/s,溃口迅速下切,冲刷深度达25.7m。坝体下游出现淤积,淤积高度达8.4m。溃决过程中,跌坎不断向上移动,发生溯源侵蚀。研究成果有助于深入分析黑西洛堰塞坝溃决过程及机理,为今后处置堰塞体提供支持。     

金沙江“10·10”白格堰塞湖溃坝洪水反演分析

准确预测堰塞湖溃坝洪水流量过程在堰塞湖应急抢险过程中极其重要。以白格堰塞湖下游水文站实测的洪水过程为依据,通过DB-IWHR溃坝洪水分析程序和GST洪水演进模型,分别采用不同冲刷侵蚀参数对"10·10"白格堰塞湖漫顶自然泄流过程进行了反演分析。结果发现:冲刷参数a=1.100 0、b=0.000 6时,叶巴滩、拉哇水文站模拟结果与实测流量结果最为接近。由此判断"10·10"白格堰塞湖溃决洪峰流量为10 882.78 m~3/s,溃决历时6.2 h到达洪峰流量,最终溃口水面宽度为99.66 m。运用DB-IWHR溃坝洪水分析程序结合基于GPU加速技术的GST洪水演进模型,计算效率得以大大提高,可以在应急抢险工作中实现快速、精准的预测。     

基于FREAD溃坝体系的堰塞湖溃决过程反演分析

为了提出适用于堰塞湖溃决模拟仿真的方法,在系统梳理FREAD溃坝洪水分析体系DWOPER、DAMBRK、BREACH和FLDWAV模型的基础上,对各模型的基本原理、适用条件及优缺点进行了汇总。基于各模型的功能特点,联合使用BREACH溃坝计算模型及FLDWAV洪水演进模型反演了尼泊尔逊克西(Sunkoshi)堰塞坝的溃决过程。结果表明:逊克西堰塞坝溃决过程历时68 min达到溃决洪峰流量1 794 m3/s,考虑到支流入流的情况,溃决洪峰历时154 min演进至下游37.9 km处的库帕瓦加特(Pachuwarghat)水文站,计算流量结果与该水文站实测数据较为一致,从而验证了联合使用BREACH和FLDWAV模型进行堰塞湖溃决计算的合理性和可行性。研究成果可以为制定类似堰塞湖溃决的应急处置方案提供参考。     

基于遗传算法的物理力学参数反演

基于遗传算法的直接随机寻优特性,首先介绍了采用实数编码遗传算法反演物理力学参数的基本步骤,然后在三维有限单元法的基础上,结合水平位移等大坝安全监测资料,提出了大坝坝体弹性模量和坝基变形模量的反演方法。并结合某重力坝8#坝段的安全监测资料,利用该方法反演得到了该大坝坝体弹性模量和坝基变形模量。算例表明,采用遗传算法—三维有限单元法反演大坝坝体及坝基的物理力学参数是可行的。     

堰塞湖溃坝快速定量风险评估方法——以2014年鲁甸地震形成的红石岩堰塞湖为例

2014年8月3日云南昭通市鲁甸县发生6.5级地震,形成高83 m,库容2.6亿m³的红石岩大型堰塞湖,严重威胁上下游生命财产安全。由于震后地质条件恶劣,道路堵塞,环境危险,且堰塞坝寿命极短,现有方法很难在有限时间内对堰塞坝进行快速且定量风险评估。本文提出一套基于最基本的堰塞坝几何参数、河道三维地形信息和人口分布数据的快速定量风险评估方法,可以实现任何堰塞坝突发区域内的溃坝、洪水演进和生命损失分析:首先采用地理信息工具快速获取坝址、上下游河道三维地形信息;然后采用统计模型和HEC-RAS软件模拟溃坝和洪水演进过程;最后采用风险分析模型计算得到下游生命损失。本文将该方法应用于红石岩堰塞湖案例分析发现:开挖泄流槽可以降低峰值流量和生命损失,但不能防止溃坝;开挖泄洪支洞后,可以避免在非汛期情况下发生溃决;但在极端洪水情况下(如百年一遇)仍会发生溃坝,并产生较大的洪水和生命损失,因此仍需要加固坝体,做好观测,并准备好应急预警和疏散预案。本方法可针对突发堰塞湖进行快速定量的风险评估,为堰塞湖的应急管理和决策提供依据。     

基于Autobank的湘江汛期某堤坝稳定性计算

堤坝稳定性一直是防汛难题,汛期高洪水位和汛退时水位陡降常导致堤坝渗透破坏和内外堤坡失稳,甚至引发溃堤。根据地质法获得汛期某已出险堤坝岩土物理力学参数,利用有限元法建模反演汛期稳定性,并通过汛期堤坝在不同水位状态下渗漏和变形失稳实测资料,对模拟计算采用参数进行校正,同时对设计加固堤坝的渗透和抗滑稳定性进行计算分析。结果表明:汛前原堤坝在设计水位、坝顶水位和水位陡降时会发生渗透破坏和堤坡失稳;加固堤坝在坝顶水位和水位陡降工况下内、外坡抗滑稳定,但在坝顶和设计水位时内、外坡脚会发生渗透破坏;调整加固方案后,抗渗和抗滑稳定性皆满足要求,调整后设计方案是可行的。     

Deformation early-warning index for heightened gravity dam during impoundment period

The mechanical parameters of materials in a dam body and dam foundation tend to change when dams are reinforced in aging processes. It is important to use an early-warning index to reflect the safety status of dams, particularly of heightened projects in the impoundment period.Herein, a new method for monitoring the safety status of heightened dams is proposed based on the deformation monitoring data of a dam structure, a statistical model, and finite-element numerical simulation. First, a fast optimization inversion method for estimation of dam mechanical parameters was developed, which used the water pressure component extracted from a statistical model, an improved inversion objective function, and a genetic optimization iterative algorithm. Then, a finite element model of a heightened concrete gravity dam was established, and the deformation behavior of the dam with rising water levels in the impoundment period was simulated. Subsequently, mechanical parameters of aged dam parts were calculated using the fast optimization inversion method with simulated deformation and the water pressure deformation component obtained by the statistical model under the same conditions of water pressure change. Finally, a new earlywarning index of dam deformation was constructed by means of the forward-simulated deformation and other components of the statistical model. The early-warning index is useful for forecasting dam deformation under different water levels, especially high water levels.     

恩子坪2#滑坡体稳定性数值模拟

恩子坪2^#滑坡体位于白鹤滩水电站下游约8.6 km处,属于典型的基岩—顺层滑坡。为了研究该滑坡体的变形破环特征,通过物理模拟试验从成因机制对其稳定性进行定性分析;同时,结合工程勘察资料,采用数值模拟方法,论述了不同工况下滑坡体的位移、应力及变形规律。结果表明:物理模拟试验与数值模拟相结合是分析滑坡成因机制的有效途径;滑坡体的位移量由基岩到滑体逐渐增大,洪水位工况下最大位移量为185 cm,其变形主要发生于滑体;最大拉应力出现在滑坡体的水下堆积物处。自然状态下,滑坡体基本稳定,安全系数为1.065 6;洪水位工况下,滑坡体安全系数降低至0.76,此时,滑坡体趋向于不稳定,滑体前缘可能出现局部失稳下滑。通过对典型滑坡稳定性的深入研究,可为类似破坏机制的滑坡稳定性分析提供参考。     

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。     

涔天河面板堆石坝施工期变形监测资料及参数反演分析

对涔天河面板堆石坝施工期变形监测资料进行了较全面分析,然后建立了堆石坝施工期有限元模型。基于实测相对沉降,采用正交设计、神经网络、遗传算法相结合的方法,反演了堆石坝的非线性材料参数。分析表明:(1)涔天河面板堆石坝坝体沉降随着大坝填筑的逐步升高而增大,当填筑到320.3 m高程后,坝体沉降变形渐趋稳定。在施工期间,该大坝经历了"5.20"洪水、"11.11"罕见冬汛等事件,但对堆石坝的变形影响小。(2)基于实测相对沉降进行的堆石坝材料参数反演结果表明,主堆石区的K和Kb较室内剪切试验参数偏小,而其他反演参数结果和室内剪切试验值较为接近,沉降值计算值与实测值的时程曲线趋势符合较好。(3)由于观测房修建滞后,沉降仪从安装埋设到首次观测期间的沉降位移缺乏过程值,建议及时修建观测房,尽早获得沉降过程值。     

冰坝溃决条件试验研究

以黄河宁蒙段凌汛期的险工险段为原型,在国内首次建立了模拟黄河上游凌情的冰坝实体模型,并通过对冰坝实体模型的多次爆破试验,获得了破除冰坝的最佳爆破点位置与实现一次爆破使其自行溃决的炸药用量。研究结果表明,一旦形成冰坝,宜在2 h内迅速使其爆破溃决,当冰坝长度小于5倍冰坝宽度时,一般可通过一次爆破作业使其自行溃决,爆破部位为距坝头1/6坝体宽度位置,冰坝爆破所用单位体积炸药当量为65 g/m3,药包应置于冰坝底部;当冰坝长度大于5倍冰坝宽度时,可通过多次爆破作业方法使其自行溃坝。研究成果可用于指导黄河冰坝爆破作业,对防凌减灾意义重大,具体参数有待在实际破除冰坝作业中作进一步验证与修正。