堰塞坝漫顶溃决离心模型试验研究

基于南京水利科学研究院400g·t溃坝离心模型试验系统,利用其高速旋转产生的超重力场的“时空放大”效应,开展离心模型试验研究了堰塞坝漫顶溃决时的溃口演化规律和溃决机理。首次通过离心模型试验研究了坝高、下游坡比、坝料级配对堰塞坝漫顶溃坝过程的影响。试验结果表明：堰塞坝漫顶溃坝过程可划分为表层冲刷、溯源冲蚀、沿程侵蚀和溃口稳定4个阶段;溃口峰值流量对坝高最为敏感,平均粒径次之;达峰时间主要受下游坡比影响,溃坝后相对残余坝高主要受平均粒径影响。     

堰塞坝漫顶溃决过程数值模拟及应用

堰塞坝作为自然形成的天然坝体,其结构不稳定性强,绝大多数的堰塞坝最终都将发生漫顶溃决,一旦溃决,将会对下游带来巨大的生命和财产损失。因此,有必要合理预测堰塞坝的溃决流量过程,为溃坝应急预案的编制提供理论与技术支撑。本文充分考虑堰塞坝的形态特征及坝料的物理力学特性,建立了一个可合理模拟堰塞坝漫顶溃坝过程的数学模型。该模型可较好地反映水动力条件下的溃口发展过程和下泄流量过程。选择西藏易贡堰塞坝溃坝案例对模型进行验证,通过计算结果与实测资料的对比发现:计算得到的溃口峰值流量、最终溃口宽度、峰值流量到达时间等参数的最大相对误差均在±15%以内;溃口流量过程与实测资料也吻合较好,有效地验证了模型的合理性;参数敏感性分析结果显示,残留坝高、冲蚀模式(单侧与两侧冲蚀)、冲蚀系数等参数对溃坝过程均有重要影响。     

土石坝漫顶溃坝过程离心模型试验与数值模拟

利用溃坝离心模型试验系统,分别对3种不同坝高均质土石坝（最大坝高达32.0 m）及坝高为16.0 m的黏土心墙坝开展了漫顶溃坝试验研究,清楚地揭示了其溃决机理、溃口发展规律。结果发现,对于均质土石坝,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;黏土心墙坝与均质坝溃决机理与溃口发展规律明显不同,随着漫坝水流对下游坝壳冲蚀程度的增加,黏土心墙发生剪断破坏,溃口洪水流量迅速增大。基于上述试验结果,分别提出了描述均质土石坝和黏土心墙坝溃坝过程和计算溃坝洪水流量过程的数学模型,并建议了相应的数值计算方法。数值模拟与试验结果的对比证明了建议溃坝数学模型的合理性。     

堰塞坝泄流槽断面型式离心模型试验研究

基于唐家山堰塞坝坝料级配曲线,针对梯形、三角形和复式断面3种泄流槽断面型式,开展了堰塞坝漫顶溢流离心模型试验研究。分析不同除险断面型式对堰塞坝的泄流过程、总泄流量以及泄流后残留坝体几何尺寸的影响规律,并从水动力学的角度,对该泄流过程中泄流槽不同部位的水流特征进行了研究。试验结果表明,复式断面泄流槽不仅在初期泄流效率高、峰值流量小,而且残留坝体较低,总下泄水量最大,流量过程曲线具有矮胖型的特征,可迅速、最大程度的降低堰塞湖水位,同时能够有效的减轻因堰塞坝泄流给下游河道造成的防洪压力,是一种相对安全、高效的堰塞坝除险处置方法。     

唐家山滑坡堵江机制及堰塞坝溃坝模式分析

 在对唐家山滑坡及其堰塞坝现场进行详尽地质调查结果基础上,结合早期(地震前)资料开展研究,结果表明,该滑坡形成及堵江过程可概括为：顺层岸坡结构地震诱发→滑坡体前缘剪切、后缘拉裂→高速下滑、形成气浪、前缘刨蚀河床、对岸阻化隆起→后缘边坡坐落下滑→堰塞堵江。对堰塞坝体地质结构、不同水位条件下堰塞坝整体及上下游部位不同工况稳定性分析表明,堰塞坝以沟槽部位表层松散体水流逐级淘刷的“溢流破坏”方式为特点,整体溃坝可能性小。     

崩滑型堰塞坝漫顶溃决机制及溃坝洪水研究进展

崩滑型堰塞坝由于坝体结构松散、稳定性差、极易产生漫顶溃决形成巨型洪水,曾一度给我国灾区人民生命财产造成严重危害.基于当前室内模型实验、现场试验和数值模拟系统地总结溃坝阶段划分依据、溃口及纵剖面演变规律、溃决流量及洪水沿程演进特点,并在此基础上深入分析溃口下切及横向扩展中坝体材料侵蚀计算公式及侵蚀机制.相比人工土石坝,堰...     

基于大型数据库的堰塞坝特征统计分析与溃决参数快速评估模型

21世纪以来地质灾害频发形成大量堰塞坝。然而由于缺乏详细的资料,现在对堰塞坝特征和溃决等方面的研究受到很大的制约。同时,绝大部分堰塞坝寿命极短且勘察条件恶劣,很难在短时间内获取详细的坝体参数,因此急需基于有限的可用数据进行堰塞坝溃决参数快速评估。收集国内外1 298例堰塞坝案例,对堰塞坝的分布、诱因、寿命、溃决模式、坝高、库容、成因等特征进行统计分析。通过对41例具有详细溃决信息的案例进行分析,建立坝体溃决参数(峰值流量、溃口尺寸、溃决时长)的快速评估模型,并将模型应用于唐家山堰塞坝的溃决分析。最后,基于大量案例数据进行堰塞坝模型和人工土石坝模型应用的对比分析,发现将人工坝模型用于堰塞坝会得到偏危险的结果,进而可能导致非常保守的决策和不必要的经济损失。该研究对于全面了解堰塞坝特征,尤其是对堰塞坝溃决参数评估和应急管控有一定的理论和实际价值。     

基于动态模拟的尾矿库漫顶溃坝模型分析

我国拥有为数众多的尾矿库,伴随而来的尾矿坝安全问题日益突出。针对尾矿库漫顶溃坝风险,构建了尾矿库漫顶溃坝的动态模型,运用流水动力学方程模拟了溃坝水流过程,利用土体稳定理论对溃口横向宽度变化和崩塌过程进行了描述,并用浅水方程对洪水演进过程进行模拟。通过数值模拟计算,结果表明所建立的模型能够很好的模拟出堤防溃口处的展宽、崩塌情况、刷深和溃口周围冲刷坑发育变化过程和水流规模等具体信息,为溃坝发生后堵口方案提供了技术支撑,同时也为预防和应对相应的次生灾害提供了分析工具。     

强夯法加固堰塞坝料的室内模型试验研究

为丰富堰塞坝开发利用理论,指导堰塞坝浅层密实加固处理工程,基于相似定律对堰塞坝料进行了不同能级的室内强夯模型试验,综合采用宏-细观方法分析了强夯能量引起的动应力发展和传播规律、内部变形规律、颗粒破碎和加固效果等。试验结果表明：随着夯击次数增加,由于堰塞坝料密实度提高、颗粒重排列、破碎及填充的叠合效应,夯锤有效加固范围内的动土压力峰值整体呈波动上升趋势。强夯过程中能量逐渐从表层传递到深层,同时强夯能量随深度具有较大的耗散,动应力峰值随深度呈现快速衰减的趋势。由于风化严重,强夯引起了明显的颗粒破碎现象。强夯对松散宽级配堰塞坝料的加固效果明显,不同能级强夯后其锥尖阻力大幅提高,但夯击能超过一定数值时,增大夯击能对加固效果提升有限。基于本次易贡堰塞坝料模型试验,最佳夯击能约为6000 kN·m。     

混凝土面板砂砾石坝漫顶溃决过程数值模拟

基于混凝土面板砂砾石坝溃决机理,提出了一种模拟其漫顶溃决过程的数值计算方法。该方法针对砂砾石料级配范围宽,最大颗粒与最小颗粒粒径相差大的特点,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、遮蔽以及细颗粒对粗颗粒的包围、填实等作用,导出了能较为合理反映砂砾石料特性的临界起动流速;建议了一个砂砾石料的冲蚀公式,给出了面板折断时间与坝体冲蚀量之间的数学表达式,较为合理地确定面板的折断时刻。利用该方法对青海省沟后水库面板砂砾石坝的溃决过程进行了模拟计算,得出的溃口发展规律与溃坝洪水流量过程与溃坝调查结果大体相符,验证了其合理性。     

大尺度土坝漫顶溃决试验工程性态测试与分析

漫顶是土坝溃决的主要原因。利用原体试验土坝(坝高9.7 m),应用渗流压力、水分、测斜、分布式光缆等传感器及数据采集系统,开展了漫顶溃决试验工程性态测试研究,获取了试验坝填筑、分阶段蓄水和溃决过程的渗流、温度和变形的测试数据及变化特征。测试结果分析表明:坝体渗流压力与库水位明显相关,坝体含水率灵敏性比渗流压力灵敏性快;坝体水平位移由向上游逐渐向下游发展,坝体最大倾度2.242°,坝顶表面最大沉降率为5.21%。测试结果为土坝灾变机理研究及溃坝早期预警提供基础数据。     

刚性桩复合地基支承路堤稳定破坏机理的离心模型试验

对上软下硬成层土地基中刚性桩复合地基支承路堤,进行了单排桩和群桩条件下路堤稳定破坏机理的离心模型试验,研究了不同桩体抗弯刚度和强度,不同桩体加固位置,不同桩间距和桩端嵌入硬土层深度条件下桩体的受力与变形性状,破坏模式以及路堤的失稳破坏机理.离心机试验结果表明,不论是在单排桩还是群桩条件下,桩身最大弯矩作用点均产生于软硬土层交界面附近;在群桩条件下,桩体越靠近路堤中心桩身弯矩越小;当桩身抗弯刚度与强度较高,桩距较大且桩下端嵌入较硬土层足够深度时,可产生桩间土体沿桩的绕流甚至因产生绕流而导致路堤失稳破坏;当桩身抗弯刚度与强度较低时,在单排桩条件下,桩体会首先在软硬土层交界面处发生弯曲破坏,并可在路堤失稳前在桩身上部发生第二次弯曲破坏,而在群桩条件下,坡脚附近部分桩体首先在软硬土层交界面附近发生弯曲破坏,并可能伴随桩体受拉破坏而使桩断为上下两段,最后由于部分桩体发生整体倾覆破坏或者再次发生弯曲破坏而导致路堤发生失稳破坏;针对路堤具体的破坏情况有针对性地增大桩身抗弯强度,减小桩间距或增加桩端嵌入硬土层深度均可提高路堤的稳定性.     

水位变化诱发粉土边坡失稳离心模型试验

粉土具有明显的非饱和土力学特性,坡内外水位变化诱发粉土边坡失稳是常见工程灾害之一。分别针对坡内和坡外水位变化诱发的粉土边坡失稳情况,开展了相应的离心模型试验研究,结合非饱和土力学相关理论分析和数值模拟,揭示了粉土边坡在两种情况下的变形及失稳模式和发生机制。结果表明：当坡内水位超过1/3坡高后,在坡内渗流作用下,粉土边坡呈现逐级侵蚀剥落、从坡脚向坡顶、由浅层向深层的多级滑坡失稳;坡外水位上升将导致松散粉土边坡发生显著湿陷变形,而坡外水位骤降将造成粉土边坡的多重浅层牵引式滑坡。粉土边坡的失稳模式和发展与粉土的非饱和土力学特性密切相关。最后根据模型试验结果提出了相应的粉土边坡渗流失稳工程控制措施。     

路堤荷载下CFG桩复合地基失稳破坏特性离心模型试验

掌握路基工程CFG桩复合地基失稳破坏特性是建立稳定分析方法的基础。针对路堤荷载作用下深厚软黏土地基,开展了3组CFG桩复合地基离心模型试验,采用自行研制的空中泄砂装置模拟路堤分层填筑过程,设计制作砂浆包裹石墨芯的模型桩监测桩体破坏时序,通过摄影测量技术获取地基土位移场云图,分析复合地基的承载与变形特性及失稳滑动形态。试验表明,随路堤荷载增加,位于坡脚附近的桩体首先发生破坏,并逐渐向路堤中心发展,呈现渐进破坏特点,复合地基发生整体失稳后滑面近似呈圆弧状;桩体破坏形态与桩周土体变形特性密切相关,地基发生隆起变形的坡脚附近桩体呈现拉弯破坏特征,承受路堤荷载较大的路肩附近桩体以压弯破坏为主;桩帽对桩土荷载分担影响显著,桩身轴力增大可提高桩体抗弯拉能力,有利于复合地基稳定性提高。     

开挖对边坡变形影响的离心模型试验研究

边坡开挖是工程中经常遇到的问题。采用清华大学土工离心机以及新开发的开挖模拟设备进行了土坡开挖的离心模型试验,测量了开挖过程中边坡位移场的变化。基于位移测量结果提出了一种确定开挖影响范围的方法,分析了开挖后边坡的变形响应。结果表明：开挖后坡体内部根据竖向应变性质的不同可分为开挖松动区、开挖压缩区和无影响区3个区域,不同区域土体的变形特性有所差别。开挖后边坡内部的潜在滑裂面在变形破坏过程中是变化的,从坡体内部向坡面方向移动。开挖条件下边坡表现出明显的渐进破坏过程。     

无黏性土滑坡型泥石流形成机理的离心机模型试验研究

采用自主研发的可视化试验装置,参照某泥石流现场试验进行了离心机模型试验,研究典型滑坡型泥石流形成的宏细观机理。根据现场试验的颗粒级配和重力比,用粉砂和细砂按比例配制土样进行20g加速度下的离心机试验。利用高清数码成像设备和细观结构分析软件Geodip分别从宏观和细观角度分析了滑坡型泥石流的形成模式和水土作用机理。研究结果表明：离心机模型试验较好地重现了现场试验现象,滑坡型泥石流的形成模式为自坡脚逐渐向上分块坍塌的倒退式块体滑动。滑坡型泥石流形成的原因是坡体中细颗粒随孔隙水迁移,引起孔隙水压力升高并形成底部渗流,造成坡体发生抗剪强度破坏形成泥石流。     

平行盾构开挖离心机模拟试验研究

通过离心模型试验模拟平行盾构隧道近接开挖施工,研究了盾构隧道近接开挖对既有隧道结构内力、管片变形和地表沉降的变化规律。结果表明:1隧道开挖引起地表沉降的大小与开挖的步骤有关,而沉降槽的范围基本不变;2既有隧道靠近新建隧道一侧受拉,这一侧弯矩出现负增量,侧向土压力也有一定的减小,且既有隧道直径水平向变大,而垂向直径基本不受影响;3由于土拱效应,新建隧道已完成开挖部分管片拱顶的土压力随开挖进程先减小后增大;4采用地层结构法可以准确模拟隧道开挖过程的隧道结构力学特性与变形规律。