堰塞湖风险动态评估模型研究与应用——浙江遂昌县苏村堰塞湖风险评估实践

浙江遂昌县苏村山体崩塌形成堰塞湖,应用堰塞湖风险静态评估模型得到的风险评估成果,难以完全满足多任务、多阶段处置需求。通过研究堰塞湖"外因→(堰塞坝?滞库洪水)→损失"的致灾机理,提出了基于堰塞湖可能灾害损失、堰塞坝与滞库洪水双致灾因子、持续时间的堰塞湖风险动态评估模型,将致溃洪水、堰塞坝、灾害损失作为堰塞湖风险评估的主因素,实现了按时间序列对堰塞湖风险度进行全面评估,其评估成果更加符合客观实际,对堰塞湖抢险处置决策更具指导意义。采用堰塞湖风险动态评估模型对苏村堰塞湖进行风险评估,其成果为该堰塞湖抢险处置决策提供了科学依据。     

堰塞湖特征参数快速获取及影响分析评估

汶川地震诱发的山体滑坡共形成了34处堰塞湖。其中唐家山堰塞湖是规模最大、危险等级最高的一个。以唐家山堰塞湖为例,介绍了空间信息技术在堰塞湖灾害监测与影响评估中的应用。结合即时获取的遥感影像与早期存在的地形资料,对堰塞湖的特征参数如水库库容曲线、淹没面积进行了分析计算。对不同水位下的堰塞体在不同垮塌方案下进行了水动力学模型计算和模拟,并根据水动力学计算结果,对下游进行了影响评估。     

唐家山堰塞湖形成机制及应急处置工程措施研究

通过唐家山堰塞湖的形成机制分析和堰塞坝物质组成研究,针对各种渍决可能及堰塞坝特点,提出了三种工程处理措施方案,根据现场施工情况及水文特性及时进行动态调整,满足了现场施工及利用水力特性溯源冲刷泄流的要求,实现了有效控制泄流过程及减少对下游影响的目的,成功解除了唐家山堰塞湖对下游人民生命财产的严重威胁,创造了堰塞湖处理的奇迹.     

堰塞坝溃决及防范

由暴雨、地震等引起的山体滑坡或泥石流堵塞山区河道形成堰塞湖和堰塞坝.所壅起的水量会淹没上游地区,且堰塞坝一旦溃决,所产生的洪峰将淹没下游地区.尽管阻止滑坡和堰塞坝的形成十分困难,但若有必要的信息资料可资利用的话,即可对溃坝及由此引发的洪水危害做出预测.     

唐家山堰塞湖应急处置技术特点与体会

四川汶川大地震造成北川附近唐家山山体大滑坡,形成一座危害程度极高的堰塞湖。为避免堰塞坝溃决而导致严重的次生灾害,由水利部组织实施了唐家山堰塞湖除险工程措施。工程应急处置方案为开挖泄流渠引流冲刷,并在实施过程对方案进行动态调整优化。唐家山堰塞湖排险施工历时17 d,成功地解除了险情,工程施工与泄流过程未造成人员伤亡。在唐家山应急除险中,充分体现行业专业优势和技术支撑作用,应急处置中采取的“因势利导、借力自然、安全可控”的技术思路,可作为其他大型堰塞湖抢险的科学指导原则。     

堰塞坝溃坝数学模型研究与应用

针对堰塞坝坝体土石料的宽级配特性,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、遮蔽作用以及细颗粒对粗颗粒的包围、填实作用,提出了一个可模拟堰塞坝漫顶溃决过程溃口发展规律与流量过程的数值模型和相应的计算方法,利用该模型对唐家山堰塞坝泄流过程进行了模拟,得出的泄流槽发展规律与洪水流量过程与实测资料接近,验证了该模型和计算方法的合理性。进一步,利用笔者建议的数学模型及数值计算方法,比较分析了唐家山堰塞坝除险过程中泄流槽断面型式对堰塞坝泄流过程的影响,发现堰塞湖在采用泄流槽引流除险时,泄流槽深度与断面型式对其泄流过程具有重要影响,增加泄流槽深度,可明显提高泄流效率,但堰塞湖下游将承受更大的风险。对于同样深度的梯形泄流槽,如果将槽底部断面减小,形成复合梯形泄流槽,不仅可减少开挖工作量,而且没有明显降低泄流效率,同时后者的泄流过程更为平缓,最大洪峰流量减小,出现的时间滞后,堰塞湖下游承受的风险也将降低。     

基于Visual Modflow的关门山沟堰塞坝渗流稳定模拟研究

为了研究堰塞湖渗流稳定性，通过钻孔资料及试验获取关门山沟堰塞坝地层结构及物理参数，采用Visual Modflow建立堰塞坝三维渗流模型，研究堰塞坝在1 705,1 710,1 715 m和1 720 m四种水位条件下的渗透特性及稳定性。根据渗流模拟成果，得出了4种水位条件下出水口平均渗透坡降和最大渗透坡降，并与堰塞坝允许坡降进行比对。结果表明：渗透坡降与水位呈正相关性，最大渗透坡降出现在下游出水口附近。当堰塞湖水位达到1 715 m时，堰塞坝部分细颗粒将被带走；当水位达到1 720 m时，坝脚处将出现较大范围的渗透破坏。根据渗透坡降变化趋势，拟定1 719 m为堰塞坝渗透破坏临界水位。     

唐家山堰塞坝溃坝可能性及冲刷形式初步分析

结合已有资料和研究成果,统计分析了堰塞坝可能的溃坝方式,分析表明,洪水漫坝和坝体渗透破坏或基础渗透破坏是造成堰塞坝溃坝的主要原因。进一步对唐家山堰塞坝堰体物质抗冲能力、突溃与渐溃可能性和堰塞坝渐溃的可能模式等逐一进行了分析。分析认为,由于该堰塞坝规模巨大,且上游坝坡较缓、下部结构较密实、整体稳定性较好,不存在整体溃决的危险,溃决过程是逐步渐变的,不会发生瞬时溃决。     

唐家山堰塞湖应急排险设计及综合整治的设想

在分析研究唐家山堰塞坝地形地质条件、物质组成、通口河段水文条件的基础上,针对堰塞坝特点及各种溃决可能,提出了三种工程处理措施方案,并根据现场施工情况及水文特性及时进行动态调整,从而满足了现场施工及利用水力特性溯源冲刷泄流的要求,实现了有效控制泄流过程及减少对下游影响的目的,成功解除了唐家山堰塞湖对下游人民生命财产的严重威胁。对泄流后的唐家山综合治理进行了进一步的专题研究,提出了综合治理的设想、技术路线。     

两种溃坝模型在唐家山堰塞湖溃决模拟中的对比

基于唐家山堰塞坝溃决的实测数据,使用BREACH模型及中国水科院DB-IWHR模型,对唐家山堰塞坝溃决过程进行了反演分析,并对两种模型进行参数敏感性分析。研究结果表明:使用针对唐家山的参数,两种模型均可较好地反演唐家山溃决洪水的过程,BREACH模型的下游坡比和孔隙率是对结果影响比较敏感的输入参数;DB-IWHR模型在冲刷参数和下游水深计算两方面做了改善,较好地解决了这一问题;DB-IWHR提供了一个Excel格式的计算软件,数值分析稳定性好,使用简洁客观,可供类似堰塞湖应急处置时参考。     

唐家山堰塞湖泄洪对通口水电站设计的全面检验及通口水库的滞洪作用

2008年5月12日四川汶川发生8.0级地震,导致通口河中上游山体垮塌,在唐家山形成特大型堰塞湖,交通中断。建于典型岩溶地段的通口水电站大坝在堰塞湖下游约23km处,为碾压混凝土高坝,泄洪消能系统采用溢流表孔+宽尾墩+戽式消力池的方式。工程建在高烈度地区,距离震中较近,在汶川特大地震中震损轻微,防渗体系完好,在唐家山堰塞湖泄洪过程中的滞洪削峰为保护下游沿岸和城市发挥了很大的作用。本文对此进行了介绍。     

地震形成堰塞湖潜在影响范围快速评估

以汶川地震诱发的唐家山堰塞湖为研究区域,以下游各水文站点的实测水文历史数据为基础,采用模拟退火智能算法训练计算了该河段的马斯京根演算方程系数,并在给定初始条件下,快速预报了下游各个重要地区的流量变化过程。结合断面的水位流量关系得到水位变化过程。最后,使用空间信息技术得到了下游潜在淹没范围。结果表明：在溃决水位为690 m的条件下,洪水将全部淹没下游北川县城。     

Upstream Cutoff and Downstream Filters to Control of Seepage in Dams

The finite element method was used in this study to investigate cutoff walls and downstream filters to control seepage, the exit hydraulic gradient, and uplift forces for dams. Experimental data was used for validating the numerical modelling. The effective parameters are the length of filter and its distance downstream from the dam, the depth of the cutoff walls, the upstream dam head, and the thickness of alluvial foundation. The results show that by increasing filter length, the exit hydraulic gradient, uplift force, and seepage are reduced. The optimum relative length of the filter is L/H?=?0.028 which results in a decrease of about 65% in the exit hydraulic gradient, a 35% decrease in seepage and 10% reduction in the uplift force at the upstream foundation and a 60% decrease in the uplift force at the downstream foundation. Increase of cutoff wall depth reduces the exit hydraulic gradient, uplift force, and seepage. Using two cutoff walls both upstream and downstream of the dam decreases seepage, hydraulic gradient, and uplift force 132%, 450% and 11% respectively. However, using an upstream cutoff and downstream filter decreases seepage, hydraulic gradient, and uplift force by 180%, 490%, and 119% respectively. Thus, based on this study, recommendations for suitable combinations of upstream cutoff and downstream filter are provided.

     

试析三洲塘水库坝体防渗处理

土坝坝体渗水是一种安全隐患,如处理不当将直接威胁大坝及下游人民生命财产的安全,因此坝体防渗处理至关重要。对此,通过分析三洲塘水库坝体渗水的成因,按照＂上截下排＂的防渗处理原则,结合工程实际,选择砼防渗墙及高压旋喷的防渗方法妥善处理三洲塘水库坝体渗水问题,保证大坝及下游人民生命财产安全。     

基于NWS BREACH的唐家山堰塞坝泄流过程模拟

NWS BREACH模型是目前国内外模拟土石坝或堰塞坝漫顶及管涌破坏最常用的数学模型。基于唐家山堰塞坝的实测资料,建立了唐家山堰塞坝漫顶泄流过程数学模型,并通过现场监测得到的流量过程和库水位变化资料验证了所建立模型的合理性。对模型中的重要参数进行了敏感性分析,研究了坝料平均粒径、冲蚀率、下游坝坡坡比3个参数对模型计算结果的影响,表明坝料冲蚀率和下游坝坡坡比对泄流过程影响显著。研究成果对堰塞坝除险和洪水风险评估具有指导意义。     

深厚覆盖层中局部强透水层对渗流的影响研究

中国西部地区的深厚覆盖层坝基中常存在局部强透水层,其孔隙比大和渗透性强等特点对坝基渗流存在不利影响,是渗流控制中的薄弱环节。基于非饱和土渗流理论,借助有限元软件Seep/w建立数值模型,得出渗流量和坝踵处渗透坡降、出逸坡降,分析强透水层深度、厚度、连续性对渗流场的影响。结果表明:当强透水层深度大于防渗墙时,渗流量和坝踵处渗透坡降随强透水层深度的增大而减小;反之,渗流量则随着强透水层深度的增加而增大,坝踵处渗透坡降先降低后增大。渗流量、坝踵处渗透坡降、出逸坡降皆随着强透水层厚度的增加而增大。渗流量和出逸坡降随着强透水层上游开口长度的增加而增大;坝踵处渗透坡降以上游开口长度50 m为分界线,先增大后降低。渗流量和坝踵处渗透坡降以下游开口长度40 m为分界线,先增大后降低;出逸坡降随强透水层下游开口长度的增加而增大。当防渗墙深度小于55 m时,渗流参数随强透水层底端开口长度的增加而显著增大;当防渗墙深度为60～100 m时,渗流参数仅有较小幅度增大;当采用全封闭式防渗墙时,渗流参数随着底端开口长度的增大反而降低。     

不同横断面泄流槽的地震堰塞湖溃决实验研究

堰塞湖的溃决问题是研究堰塞湖的核心内容之一,也是堰塞湖进行排险和处置的重要依据.本文以唐家山堰塞湖为原型,设计室内1∶250的近似模型实验,完成了堰塞湖自然溃决实验、梯形槽堰塞湖溃决实验、三角形槽堰塞湖溃决实验和复式槽堰塞湖溃决实验,通过对溃决过程中堰塞坝内部土体体积含水量变化特征、泄流槽侵蚀特征和溃决流量过程的分析,获得以下认识:(1)溃决初期以下切侵蚀为主、后期以侧蚀为主;溯源侵蚀方面,自然溃决表现最强烈,人工辅助溃决实验中溯源侵蚀由强到弱依次为:复式槽、三角形槽、梯形槽;(2)人工辅助溃决在一定程度上削减了洪峰流量,与自然溃决相比减小了7.7％ ～20.1％,表明开挖人工泄流槽降低坝前水位的措施对于降低堰塞湖溃决风险是可行的;(3)以溃决流量增长率高或到达溃决洪峰时间短为判定溃决初期排泄效率高的标准,对比3组人工槽溃决实验,排泄效率由高到低依次为:三角型横断面、复式横断面、梯形横断面.针对唐家山堰塞湖处置,可在梯形槽基础上开挖三角形槽变为复式槽来进一步提升溃决初期排泄效率.     

基于WEP模型和TRMM_PR的唐家山堰塞湖入湖径流预报

为解决缺资料地区的堰塞湖入湖径流模拟预报问题,本文以2008年5月12汶川大地震形成的唐家山堰塞湖为研究对象;采用分布式水文模型与热带降雨测量卫星的降雨数据（TRMM_PR）相结合的方法,设置了3种降水输入模式,对堰塞湖形成期内（5月12日—6月9日）的日均入湖流量进行了模拟预报,并利用监测期内（5月29日—6月9日）入湖径流实测资料与模拟结果进行了对比。结果表明：根据气象站实测降水数据对TRMM_PR数据进行修正后输入模型（模式3）,比将气象站实测数据直接输入模型（模式1）和将TRMM_PR观测数据直接输入模型（模式2）的模拟结果要好。本文的模拟结果表明,分布式水文模型可以和星载雷达测雨数据相结合可有效弥补因气象站点过于稀疏、单站控制面积过大造成的资料缺乏问题,而利用气象站点观测数据对TRMM_PR数据进行修正可以有效改善模型的降水输入,从而可以提高入湖径流预报精度。     

考虑非饱和渗流的谷幅变形对高拱坝影响分析

蓄水初期谷幅变形对拱坝当前工作性态和长期安全状况的影响是坝工界和学术界面临的新课题。针对我国锦屏一级拱坝蓄水期间出现的谷幅收缩问题,基于非饱和渗流分析理论,采用非线性有限元数值分析方法,通过对裂隙岩体吸湿曲线进行敏感性分析,研究了非饱和渗流过程中的谷幅变形规律,并分析了谷幅变形对大坝位移和应力的影响。结果表明:在非饱和渗流场作用下,两岸边坡向河谷中心变形,且上游比下游的谷幅变形值大。随着水位的升高,谷幅变形值不断增大,当渗流场达到饱和时谷幅收缩值最大。在非饱和渗流过程中坝体位移和应力的分布规律基本保持不变,但随水位的升高坝体最大顺河向位移和最大主压应力略有减小,最大主拉应力略有增加。谷幅收缩对坝体产生挤压作用,导致坝体最大顺河向位移减小,最大主拉应力由坝踵向坝肩上游侧转移,下游面高压应力区向拱冠梁中部扩展,且饱和渗流场对拱坝位移和应力的影响比非饱和渗流场明显,但渗流场作用的谷幅变形对坝体位移和应力的改变有限,不会影响坝体的整体稳定性。