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.     

堰塞坝漫顶溃决过程及其受组成结构的影响

以四川茂县宗渠堰塞坝为原型,以几何相似比1〖DK(〗∶〖DK)〗100进行堰塞坝漫顶溃决模型试验。通过模型试验揭示了堰塞坝漫顶溃决的动力学过程,即下游坡面侵蚀、冲沟侵蚀、陡坎稳定侵蚀、陡坎加速侵蚀、陡坎减速侵蚀和常态化过程6个阶段。通过对比试验,揭示了坝体密度和级配特征对溃决速率以及溃口形式的影响机制,即坝体密度通过颗粒间剪切作用于溃决过程,密度更大的坝体溃决更慢,形成中轴线处窄浅的“矩形”溃口;坝体级配通过孤粒起动作用于溃决过程,级配更粗的坝体溃决更慢,形成中轴线处宽浅的“倒梯形”溃口。     

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。     

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。     

堰塞坝溃决机理试验研究

通过水槽模型试验研究了考虑渗流情况下非黏性堰塞坝体的漫顶溃决侵蚀机理.结合试验数据,分析了溃坝过程的同阶段水流条件及坝体侵蚀的相互关系.结果表明:堰塞坝溃决过程分为:Ⅰ渗流侵蚀、Ⅱ初始溃决点形成、Ⅲ溯源蚀退、Ⅳ溃口展宽下切(洪峰过程)以及Ⅴ粗化再平衡5个阶段,溃决发展主要集中于阶段Ⅲ—Ⅳ;溃决洪峰过程与坝顶长度和入库流量相关,坝体长度越短,入库流量越大,洪峰越早越“尖瘦”;溃决流量变化与溃口展宽、下切速率相关,溃口展宽与下切同时存在阶段,展宽速率对流量变化的影响更大.另外,对溃决发展过程中展宽和下切的机理的初步探讨表明,斜坡泥沙起动这一机理能够很好地解释观察到的试验现象.     

堵塞坝溃决对上游来流及堵塞模式的响应

“5·12”汶川地震诱发了大量山体滑坡,导致山区沟道内形成大量松散堵塞坝,其在山洪作用下可能发生溃决,而上游来流及堵塞坝形态对堵塞坝的溃决模式具有重要影响。通过水槽实验研究了不同上游来流条件及堵塞坝形态条件下堵塞坝的溃决过程,将堵塞坝的溃决模式概括为4种：正常溢流、洪水过坝冲刷、无爬高侧蚀以及爬高和侧蚀。研究了不同溃决模式下,堵塞坝的坝体溃决过程和机理,分析了不同溃决模式下溃口流量、溃决历时及溃口发展规律之间的差异。在前人研究成果的基础上,分析了正常溢流模式和无爬高侧蚀模式的溃口发展数值计算模型,借助于Meyer-Peter与Müller泥沙输移公式,计算了洪水过坝冲刷模式下,坝体溃决过程中单宽冲刷率的变化规律,并与实测值比较吻合良好。由于水流与堵塞坝相互作用的复杂性,目前对单个堵塞坝的溃决机制及沟道内多个堵塞坝级联溃决机制等问题的研究仍然不够深入,需要开展大量的研究工作。     

坝体溃决过程与溃坝洪水演进耦合数值模拟

研究坝体的溃决过程与溃坝洪水演进对于处置由溃坝引起的洪水灾害、提升水利安全具有重要的意义。鉴于目前大多模型均将坝体溃决过程与溃坝洪水演进分别进行模拟,不能反映土体与水流相互耦合的特点,模拟结果精度有限。基于对土体有限抗冲能力的考虑,选取双曲线型冲蚀速率表达式描述坝体冲蚀、采用简化Bishop法搜索临界滑裂面描述溃口边坡坍塌和具有总变差不增特性的MacCormack有限体积法离散控制方程,建立了坝体溃决过程与溃坝洪水演进耦合的平面二维数值模型。实际算例表明模型合理地模拟了溃口的发展过程与洪水演进过程,在溃口急缓流转换区展现了较强稳定性,守恒性良好,可作为溃坝洪水风险评估与洪灾预报的有力工具。     

堵塞坝溃决对上游来流及堵塞模式的响应

“5.12”汶川地震诱发了大量山体滑坡，导致山区沟道内形大量松散堵塞坝，在山洪作用下可能发生溃决，而上游来流及堵塞坝形态对堵塞坝的溃决模式具有重要影响。本文通过水槽实验研究不同上游来流条件及堵塞坝形态条件下堵塞坝的溃决过程，将堵塞坝的溃决模式概括为四种：正常溢流、洪水过坝冲刷、无爬高侧蚀以及爬高和侧蚀。研究了不同溃决模式下，堵塞坝的坝体溃决过程和机理，分析了不同溃决模式下溃口流量、溃决历时及溃口发展规律之间的差异。在前人研究成果的基础上，分析了正常溢流模式和无爬高侧蚀模式的溃口发展数值计算模型，借助于Meyer-Peter与Müller泥沙输移公式，计算了洪水过坝冲刷模式下，坝体溃决过程中单宽冲刷率的变化规律，并与实测值比较吻合良好。由于水流与堵塞坝相互作用的复杂性，目前对单个堵塞坝的溃决机制及沟道内多个堵塞坝级联溃决机制等问题的研究仍然不够深入，需要开展大量的研究工作。     

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;数学模型假设过多,物理机制不健全,均有待发展完善。提出了下阶段大尺度模型试验研究的方案与思路,重点阐明堰塞坝破坏机制与溃口演变完整规律,揭示溃口发展物理全过程。同时,建议开发能够模拟全场和溃决全过程的平面二维水沙耦合数学模型,摈弃长期以来对溃口流量、溃口形状、边坡坡度、残留坝体高程、溃决时间等的事先假设,而将其视为水沙床耦合数学模型数值解的一部分,以期提升堰塞坝溃决模拟水平和预测精度。     

尾矿库水位变化下的溃坝试验研究

使用自行设计的尾矿库溃坝模拟实验装置,开展了在库水位变动下的尾矿库漫顶溃坝实验,观测了尾矿库的漫顶溃坝过程和溃口的形态发展过程,并对坝体的溃决模式进行了探讨。研究结果表明:在库内水位的上升过程中,坝体下沉密实,坝体自重增加,降低了尾矿砂的强度和尾矿坝的稳定性。在溃坝过程中,溃口的发展主要包括由水流冲刷引起的连续下切加深和溃口边坡失稳坍塌形成的横向展宽。在库内水流漫顶前,坝体因浸润线过高而出现尾砂渗流现象,并且局部出现失稳垮塌,形成溯源冲刷型破坏模式。库内水流漫顶后,水流漫过坝顶不断冲刷坝体而导致坝体溃决,类似于溢流冲刷型破坏模式。研究成果可以为我们对尾矿库溃坝提供更多的认识。     

土石坝溃口流量过程分析

基于土石坝漫顶溃决物理过程基础上,综合水库调洪演算、溃口泥沙冲蚀计算和溃口边坡稳定性分析,构建溃口流量过程的数值计算模型。利用该模型计算分析某土石坝水库发生漫顶溃决的溃口流量过程,计算分析结果表明,模型合理,计算精度较好,能反映土石坝溃口流量过程变化特点。     

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。     

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。     

无黏性土坝漫顶溃决过程及机理研究

以室内试验为技术手段,以无黏性非连续宽级配沙砾料土坝为研究对象,首次尝试采用"埋入式轻型冲蚀捕捉器"动态记录溃决过程。在上游恒定来流量30 L/s条件下,研究了洪水漫顶条件下坝体(1 m高)的冲蚀过程和溃口水力要素变化过程。明确提出了坝体溃决过程的4个阶段:即侵蚀沟形成发育阶段(下游坡面侵蚀缓慢渐进)→"多级跌坎"冲刷阶段(下游坡面冲蚀能力逐渐加大)→"瀑布状跌落水流"冲蚀阶段(坝体快速溃塌)→坝体冲蚀趋于稳定阶段。初步分析了坝体溃决的机理,揭示了冲蚀过程的非均衡性和溃口水力要素的强非恒定流特性。     

混凝土坝不同溃决方式下溃口水力学试验研究

混凝土坝溃决一般在极短时间内发生,以往研究很少考虑其溃决过程和溃决方式。根据混凝土坝结构特征和受力特点,假定了滑动式、倾倒式、开门式3种可能的溃决方式,通过物理模型试验研究了3种溃决方式的溃口水力学特征,并同经验瞬溃计算结果进行了比较。成果表明:溃口峰值流量试验值一般比计算值要小,3种溃决方式中,滑动式溃口峰值流量最大,危害最大。试验考虑了混凝土的溃决过程和溃决方式对溃口水流特征的作用,可为经验公式修订和溃坝机理研究提供指导。     

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。     

堰塞坝漫顶溃口流量变化过程的数值模拟

根据一般滑坡堰塞坝特点和实际观测到的堰塞坝溃口发展规律建立了一个溃口扩展模式,并将溃口扩展过程归纳为溃口垂直下切、横向扩展和坝坡溯源冲刷3种主要表现形式,采用通过试验资料建立的高强度泥沙冲刷计算公式将这3种表现方式联系在一起,建立了堰塞坝逐渐溃决数学模型,并利用实测溃坝资料验证了模型的可靠性.考虑到溃坝洪水计算的极大不确定性,本文对计算模型中的关键参数给定一定变幅范围进行计算,研究了其对计算结果的影响.研究结果表明,堰塞坝残留坝体高度和坝体物质抗冲性是影响溃坝流量的最重要因素,库容特性的影响相对较小.     

基于HEC-RAS的面板坝溃口模拟研究

介绍了HEC-RAS软件的功能,着重分析了面板坝的溃决过程,并对溃口处流量、水位的变化规律进行了初步归纳。通过对面板坝溃决过程的分析研究,提出了一种基于HEC-RAS软件面板坝一维溃决的溃口发展模拟方法。拟定了基于传统方法和此溃口方法对大桥水库进行溃坝模拟,得到两种方法下溃口处的水位流量过程数据,对模拟结果进行了对比。结果表明,此溃口模拟方法更适合于面板坝的溃决过程模拟。     

定量计算混凝土拱坝溃口范围可靠度方法研究与应用

溃坝洪水突发性强、危害巨大,计算既有工程溃坝洪水时的溃口范围至今都是假定,不能反映复杂坝体结构在不同荷载作用下溃决的实际。为了较合理定量判定溃口范围,在研究拱坝结构体系和溃口特点的基础上提出了单元组概念,采用可靠度来表征单元和单元组是否安全可靠,给出了单元组和整个结构体系可靠度计算方法;提出和采用贯穿坝体的单元组失效概率,来评估溃口发生部位、范围,并根据结构承载能力可靠度（失效概率）评价指标定量确定溃口几何尺寸;找到了采用可靠度（或失效概率）评价指标定量确定溃口范围的一种新方法。并对招徕河碾压混凝土双曲拱