土坝漫顶冲蚀溃决过程和峰值流量试验研究

为探索土坝漫顶冲蚀溃决过程与溃坝峰值流量的关系,采用室内系列水槽试验的技术手段,以无黏性宽级配砂砾料土坝为研究对象,研究洪水漫顶条件下坝体（1 m高）冲蚀过程和溃口水力要素变化过程。试验表明,由于漫顶泄流方式、筑坝材料级配和密实度不同,土坝漫顶冲蚀过程可分为逐层均匀冲蚀、全线漫顶冲蚀和陡坎瀑布状水流冲蚀3种;溃坝峰值流量与冲蚀过程密切相关,坝体溃决历时愈短,溃坝洪峰流量愈大;相同条件下,陡坎瀑布状水流冲蚀峰值流量较逐层均匀冲蚀增大约40%。     

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。     

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。     

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。     

水库逐渐溃坝洪水过程计算方法研究

根据大坝溃决发生的时间长短,溃坝可以分为瞬时溃坝和逐渐溃坝.瞬时溃坝一般发生在刚性坝体(混凝土,浆砌石等);逐渐溃坝一般发生在土坝和堆石坝等散粒体坝体.为预测水库溃坝洪水对下游的影响,按简化计算,一般按瞬时溃坝极限状况计算.但对于土坝一类的散粒体坝体.按瞬时溃坝计算的洪峰流量和洪水过程则明显不合理.基于逐渐溃坝发生发展的物理机制,提出了逐渐溃坝洪水过程线计算的数学模型,并结合具体工程实例进行了计算.     

坝体土料黏粒质量分数对均质土坝漫顶溃决过程的影响

为了研究坝体土料黏粒质量分数对均质土坝漫顶溃决过程的影响,建立了描述均质土坝溃坝溃口发展规律的溃坝数值模型,对实体溃坝案例进行了反馈分析,验证了模型的合理性,并利用该模型重点研究了坝体土料黏粒质量分数对均质土坝溃口发展规律和洪水流量过程的影响。结果表明:坝体土料的黏粒质量分数对均质土坝的溃口发展规律、最终溃口形状以及溃口洪水流量过程具有明显影响,土体黏粒质量分数越高,其临界起动流速越大,冲蚀率越小,均质土坝溃口的发展速率越慢,溃口边坡的失稳坍塌临界深度越大,从而导致最终溃口形状也越小,相应地溃口洪峰流量及最大下泄水量也越小,溃口洪峰流量出现的时间越迟。     

水库逐渐溃坝洪水过程计算方法研究

对于溃坝的形式，根据大坝溃决发生的时间长短，可以分为瞬时溃坝和逐渐渍坝。瞬时渍坝一般发生在刚性坝体（混凝土，浆砌石等）；逐渐溃坝一般发生在土坝和堆石坝等散粒体坝体。在预测水库渍坝洪水对下游的影响时，为简化计算，一般按瞬时渍坝极限状况计算，而对于土坝一类的散粒体坝体，若按此方法计算洪峰流量和洪水过程，明显不合理。基于逐渐渍坝发生、发展的物理机制，提出逐渐溃坝洪水过程线计算的数学模型，并结合具体工程实例进行计算。     

均质土坝坝内垂直砂墙的排水效果分析

均质土坝在坝体合适位置设置垂直砂墙排水,可以降低坝体浸润线高度、减小渗透压力．增加下游坝坡的抗滑稳定性。通过对胜利油田耿井水库均质土坝内8个渗流监测剖面、2年监测资料的整编和分析,研究表明坝体内部设置垂直砂墙排水可明显降低漫润线高度。砂墙排水长期运行,存在淤堵现象,渗流状态有向不利方向发展的趋势,坝内排水体设计必须保证反滤构造满足防淤堵准则。     

土石坝溃坝离心模型试验中水流控制与测量

针对目前土石坝溃坝离心模型试验中存在的问题,研发了一套伺服水阀流量控制装置,显著提高了土石坝溃坝离心模型试验上游来水条件的控制精度,有效降低了模型试验结果的不确定性;建立了土石坝溃坝离心模型试验的水流相似准则;提出了一种采用内置于模型箱端板上的薄壁矩形量水堰测量土石坝溃坝离心模型试验中溃坝洪水流量过程的方法,并通过超重力场下的放水试验,证明了薄壁矩形量水堰的流量系数与离心机加速度无关,采用内置于模型箱端板上的薄壁矩形量水堰可准确测定土石坝溃坝离心模型试验中的溃坝洪水流量过程。     

Effects of upstream and downstream slopes and clay content on levee's breaching by overtopping

The present study investigated the effects of clay content and levee's slopes on the breach formation process for levees constructed by both cohesive and non‐cohesive soils. Twelve experiments were carried out and the breach formation of levees was observed by measuring the breach discharge variations and scour topography with time. The initiation of surface erosion was analysed by comparing the estimated bed shear stress and the critical soil shear stress, and the rate of erosion during breaching was estimated by employing the erosion index. The erosion of levees due to overtopping was classified into three regimes of uniform surface erosion, erosion from the toe, and single scour formation. It was found that the upstream levee's slope had negligible effects on the breach process, whereas the downstream slope significantly increased the erosion index. The peak breach discharge increased with increasing downstream slope and it occurred earlier. Experimental results also showed that the peak breach discharge was higher in non‐cohesive levees than the cohesive embankments and it occurred much earlier. Based on dimensional analysis, empirical equations were proposed to predict the breach discharge and the topography of erosion during the breach.     

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.     

Experimental investigations of an earth dam reinforced with geotextile material elements

Conclusions The use of geotextile material as reinforcement increases the bearing capacity of a reinforced-earth dam by 7.5% compared with an unreinforced one. The character of failure of models reinforced with geotextile material and metal reinforcement is different: loss of bearing capacity of the model reinforced with metal reinforcement is accompanied by its breaking at places of maximum tensile stresses; loss of bearing capacity of the model reinforced with geotextile material is accompanied by extension of the reinforcement without its breaking, in which case the final displacements of the downstream face of the model are higher by 1.2–1.5 times. Translated from Gidrotekhnicheskoe Stroitel'stvo, No. 3, pp. 6–9, March, 1999.     

堰塞坝溃决模拟研究综述与展望

堰塞坝几何形态、粒径级配和库容决定了其溃决机理的复杂性,而溃决过程的精细模拟和峰值流量的准确预测是应急处置的基础和关键.堰塞坝溃决过程与模拟技术是面向国家防灾减灾重大需求的前沿热点问题.在系统梳理国内外试验和数值模拟研究进展的基础上,指出以往试验研究坝体尺度小,足够大的库容基本未模拟,难以显示最终溃口形态;数学模型假设...     

尾矿坝漫顶溃决溃口纵向演化与侵蚀试验

通过3组不同入流量下的水槽溃坝试验,对尾矿坝漫顶溃决溃口的纵向演化过程进行了系统分析,讨论了侵蚀率和切应力之间的关系。结果表明:尾矿坝漫顶溃决溃口纵向表现为陡坎侵蚀模式与支点旋转侵蚀模式；溃决流量和密度都呈先上升后下降的趋势,但水砂流密度波动较大；不同入流量影响各阶段大坝的侵蚀率,对阶段1侵蚀率的影响最小,对阶段2侵蚀率的影响最大,最大侵蚀率随上游入流量的增加而增大,但是不影响沿坝床侵蚀率的相对变化；坝体上土体的抗侵蚀能力不仅与坝体材料强度相关,还与坝体上流体的密度关系密切。     

尾矿库漫顶溃决动态演化及溃口展宽模型试验

为研究尾矿库漫顶溃决动态演化过程与溃口发展机理及规律,通过3组相似模型试验,对溃口展宽过程和演变机理进行了系统分析,提出了尾矿坝漫顶模式下溃口展宽速率的幂函数公式,并讨论了库水位上升阶段浸润线的变化过程及溃决阶段不同浸润线埋深条件下流速、流量、溃口宽度的变化过程。研究结果表明：尾矿坝的溃决过程可分为坝面漫流与冲沟形成、坝体崩塌与溃口快速扩张及稳定泄流3个阶段;浸润线埋深对流量、流速及溃口最终宽度有较大影响,排渗失效时峰值流量及溃口最终宽度接近正常排渗时的1.5倍,峰值流速可达1.2～1.3倍;降低浸润线高度可以延缓溃决泥石流到达下游的时间,紧急撤离时间也可延长3 min左右;提出的幂函数公式计算值与实测值吻合较好。     

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。     

Experimental study on scour and erosion of blocked dam

This paper presents new experimental data of the erosion rate and sediment transport rate during the processes of dam break caused by overtopping.In order to study the headcut migration,the erosion coe...