不同黏性均质土坝漫顶溃决破坏试验

为了探究坝体黏土含量、外坡比不同时的坝体漫顶破坏过程,进而分析坝体溃口演变机制。在控制上游流量恒定的条件下(0.2 L·s-1),分别进行了10种工况下的水槽试验,通过观察各工况下的试验过程,总结得出:坝体呈现2种破坏模式,剪切滑塌破坏和重力倾倒破坏;外坡比相同,随着坝体黏土含量的增加,坝体溃决以及洪峰到来所需要的时间也相对延长,在外坡比为1∶1以及1∶2时,坝体黏土含量为100%的洪峰流量到达时间分别为坝体黏土含量为0时的3.6和3.8倍;黏土含量相同,坡度越缓,坝体越不易遭到破坏,洪峰出现的时间也随之延后,在外坡比为1∶2时,坝体黏土含量为0和100%的洪峰流量到达时间分别是外坡比为1∶1的1.5和1.4倍。     

粘性均质土坝漫顶溃决抢护措施

通过分析粘性均质土坝漫顶溃决的原因及其发展机理,对利用直升机投放堵口材料封堵决口这一方案进行探讨,提出了适用于粘性均质土坝漫顶溃决的关键性抢护措施,抢护措施主要有对决口堤头进行裹头处理、直升机投放材料保护跌坎和封堵决口及决口闭气。抢护措施可以提高封堵决口效率、延缓决口发展、为疏散人员和物资财产的迅速转移赢得时间。     

基于分区异步元胞自动机的土坝漫顶溃坝模拟

根据土坝漫顶溃坝特点,建立了土坝漫顶溃坝分区异步元胞自动机模型,在模型中考虑了不同分区的演化特性,提出了不同区域的径流规则、冲刷规则和坍塌规则,考虑了抗冲性能分布差异对土坝漫顶溃坝过程的影响,该模型能够更加准确地模拟土坝漫顶溃坝全过程。结果表明,溃坝初期,冲刷首先从背水坡发展,背水坡坡面上也会形成冲沟;考虑坝体纵向和横向坍塌影响后,溃坝发展过程比较快,伴随着坝体纵向和横向坍塌,坝体冲刷迅速向坝顶方向发展,直至形成溃口。     

无黏性土堤漫顶溃决口门形态变化试验

堤防溃决发展过程及口门形态变化的正确描述是及时科学地对溃口进行封堵并对决口后洪水演进过程准确预测的重要依据.考虑到堤防漫顶溃决过程与溃决时河道水力条件、堤防型式、材料组成等因素有关,就外江河道存在水流流动的无黏性土堤溃决溃口的发展过程及口门形态的变化规律进行了水槽试验探索.研究结果发现,河道洪水位或内外江水位差是影响溃口展宽发展的最重要因素.河道洪水流量在堤防溃决初期对溃口的发展影响不大,但溃口的最终宽度和深度随洪水流量的增大而增大.对于试验中采用的无黏性土堤材料,颗粒越粗,漫顶溃决初期溃口发展越快,稳定后的溃口最终宽度却越小.另外,试验还给出了无黏性土堤漫顶溃决溃口的最终形态,如内外江侧溃口宽度比、溃口顶部与底部宽度比以及溃口深度与宽度比等.     

无粘性土堤漫顶溃决过程初步研究

通过概化水槽试验针对不同的河道流量、洪水位、筑堤材料和堤防断面形式等条件,系统研究了溃口横向展宽、垂向冲刷及内外江水位变化过程、影响因素及发展规律。因溃决流量过程难以实测,基于堤防溃口附近水面变化的实测资料,采用1维非恒定溃堤水流数学模型精确模拟了溃决流量过程。研究结果表明,溃决流量变化滞后于溃口处水头变化,与溃口横向宽度以及溃口处水头密切相关,且符合侧堰溢流规律。研究成果可以为堤防减灾以及灾害评估提供初步技术依据。     

漫顶溃坝尾砂流演进模拟及避险转移方案分析

为分析尾矿库漫顶溃坝尾砂流对下游人民生命财产的影响,基于RNG k-ε湍流模型和泥沙冲刷模型构建了尾矿库漫顶溃坝水动力学数值模型,并通过室内水槽溃坝试验验证了该模型的有效性。同时以江西省永平铜矿燕仓尾矿库5号副坝为例,模拟了漫顶溃坝引起的下泄尾砂流演进过程,并从流速、泥沙淤积厚度、淹没深度、淹没范围等方面分析了下泄尾砂流对下游居民、村庄、公路和农田等可能造成的影响。在此基础上,制定了下游受灾居民的疏散、撤离和避险转移方案。结果表明：下游新岩前村基本没有受到溃坝尾砂流影响,而塘棣源村受到了溃坝尾砂流冲击或淤埋等严重影响。研究成果可为类似工程规模的尾矿库应急抢险、灾害风险防治和避险转移方案制定提供理论参考。     

无粘性土堤漫顶溃决溃口区域水力参数变化过程数模研究

结合物理模型试验建立平面二维水流数学模型,采用高分辨率有限体积格式计算漫顶溃堤洪水演进过程,并针对不同时段溃口形态建立三维几何模型进行水力参数变化规律数值模拟.研究结果发现,堤防溃决属溯源冲刷,与流速密切相关;溃决过程外江水位平稳下降,内江水位先上升后逐渐稳定,内外江水位差随溃口展宽逐渐减小;壁面剪切应力及动水压力较大区域集中在溃口内江侧与河底连接处,且随溃决过程逐渐减小.     

基于故障树的土石坝漫顶溃坝分析

借助安全评价中的故障树模式,构建土石坝漫顶溃坝的事故树模型,对造成土石坝漫顶溃坝的多种主要因素进行识别和分析。根据故障树的最小割集、最小径集计算基本事件结构重要度,得出土石坝及其配套工程的合理设计是控制其溃坝的关键因素。     

非均质结构堰塞坝溃决机理模型试验

堰塞坝是由滑坡等失稳地质体快速堆积并阻塞河道而形成的天然坝体,溃决后会对下游人民生命财产安全造成严重威胁。深入开展非均质结构对堰塞坝溃决过程的影响研究,可为堰塞坝灾害的风险评估和应急处置提供重要参考。依托自主研发的水槽试验装置,通过开展不同结构类型堰塞坝的溃决模型试验,分析了均质、竖向非均质和水平非均质结构对坝体溃决的影响。研究发现：1）堰塞坝侵蚀过程受局部区域材料性质影响严重。2）均质坝中,随着中值粒径增大,材料抗侵蚀能力增强,溃决特征先由层状冲刷变为陡坎侵蚀,再变为多级陡坎侵蚀,峰值流量逐渐减小,峰现时间逐渐推迟。3）竖向非均质坝中,坝体上部材料主要影响溃口形成阶段历时和坝前水位;中部材料主要影响溃口发展阶段的溃口下切速率;底部材料主要影响下游坡脚稳定性和残留坝体形态。受溃口加速下切和溃决流量增加彼此间相互叠加影响作用,中部及底部材料分布对峰值流量的影响最为显著。4）水平非均质坝中,坝体内部4个区域对溃口发展的影响不同。过流侧上方材料影响溃决前期的溃口下切速率;过流侧下方、对岸侧上方材料分别影响溃决中后期的溃口下切、展宽速率;对岸侧下方材料对溃口发展影响最小。泄流槽设计时,应考虑非均质结构的影响,基于坝体结构特征采用工程措施限制溃口深切、促进溃口展宽,以降低峰值流量。     

考虑较大边坡影响的漫顶溢流过程模拟

堤防漫顶后的水流运动是一种含间断的非恒定过程,常见的数学模型使用的控制方程基于静压假定推导得出,没有考虑堤防较大边坡角度引起的水流垂向运动带来的影响.基于以上不足建立了一维漫顶水流数学模型,用于模拟漫顶后的流动过程.所建立的有限体积法数学模型以HLLC近似黎曼算子为基础,使用MUSCL-Hancock格式重构界面变量以获得时空2阶精度;并利用一定的经典算例证明本方法具有较为良好的数值稳定性及复杂流态模拟能力.最后堤顶溢流的数值计算结果表明,若不考虑堤防较大的边坡角度对控制方程的影响,计算所得的漫顶流量值将明显偏大.     

堰塞坝漫顶溃决与演变水槽试验指标初探

水槽试验是研究堰塞坝体溃决机理的有效手段之一,但现有试验研究中合理的设计准则尚不多见,本文通过理论分析和水槽试验对堰塞坝漫顶溃决的试验设计进行了研究。基于总结分析,探讨了影响坝体溃决的因素以及堰塞坝漫顶溃决条件下溃口发展的一般进程。通过分析推导,提出了溃口发展过程中流深d的概念,并建立了用于确定模型试验比尺的指标d0/D。根据这一指标所确立的相似准则,本文设计并完成了模型试验;通过与原型堰塞湖溃决过程的对比,试验结果初步印证了这一指标的合理性。本文成果可以为后续的堰塞坝溃决水槽试验研究提供借鉴和参考。     

基于物理模拟的堰塞湖溢流溃决机理

受持续来流影响,在大江大河内形成的堰塞湖极易在数十天甚至数天内漫顶溢流溃决,引发非常态溃决洪水,严重威胁下游沿岸地区人民群众生命财产安全。堰塞湖溃口坍塌变形发展迅速、现场观测难度大,当前普遍难以实地观测堰塞湖溃口形态变化及水力学参数,至今未能获取溃口坍塌发展的真实数据。针对堰塞湖溃决洪水威胁及溃决机理不明等难题,基于堰塞湖溃决过程现场观察及历史堰塞湖溃决案例分析,阐明堰塞体体型、材料级配、库容及上游来水量是决定堰塞体危险性的关键。并以“11·3”白格堰塞湖为原型,分别开展了堰塞湖溃决1∶80室内和1∶20野外物理模型试验,揭示堰塞体溃口发展遵循“流速驱动、流量控制”,以获得较大流速为目标的自我演化机制;溃口坍塌发展的主要动力机制是携沙水流剪切冲刷、陡坎上游负压区涡流掏刷、陡坎下游高速水流冲刷、边坡重力坍塌;堰塞体溃决坍塌依次呈现尾部下切、陡坎溯源、全断面下切、上冲下淤4个发展阶段变化特征,溃口平面形态相应依次呈现线条型、倒喇叭型、双曲面型、近似等宽型4个变化特征。陡坎溯源是溃决前最高效的冲刷方式,也是判断堰塞体漫顶过流后是否溃决的重要标志。开展堰塞湖溢流溃决大型物理模拟试验有助于推动高危堰塞湖应急疏通排水设计和堰塞体坍塌控溃技术发展,为堰塞湖应急处置提供参考。     

尾砂库溃坝洪水演进过程模拟

为全面评价尾砂库溃坝风险,主动应对可能出现的溃坝事故灾难,以黄荆坝尾砂库为例,建立溃坝洪水演进数学模型,经过模拟分析,得出了溃口流量过程和重要区域淹没情况.结果表明,溃坝初期溃口流量不断增加,随着库水位不断降低,溃口流量随后逐渐减小;黄荆坝上游来水越大,尾矿库发生溃决的的时间越短,淹没范围和淹没水深越大.     

金沙江白格堰塞湖溃决过程数值模拟

2018年10月10日和11月3日，在我国四川省与西藏自治区交界处的白格村同一位置连续发生两次滑坡，完全堵塞了金沙江形成堰塞湖。由于“10?10”滑坡形成的堰塞湖水位抬升迅速，堰塞湖于10月12日自然漫顶溃决。“11?03”滑坡堵塞了“10?10”堰塞体溃决形成的流道，形成了更大的堰塞湖，鉴于客观条件允许，采取了开挖泄流槽降低堰塞湖溃决水位的措施，至11月12日，堰塞湖发生漫顶溃决，溃口洪水峰值流量为31000m3/s。由于“11?03”白格堰塞湖溃决案例拥有较为完整的实测资料，为堰塞湖溃决过程的研究提供了宝贵的基础数据。基于堰塞体的溃决机理，建立了可考虑堰塞湖的水动力条件、堰塞体的形态和材料特征的堰塞湖溃决过程数学模型。模型采用宽顶堰公式模拟溃口洪水流量，并根据堰塞湖入湖和溃口流量以及堰塞湖的水位-湖面面积关系曲线确定堰塞湖水位的变化；采用基于水流剪应力和堰塞体材料临界剪应力，并可考虑宽级配堰塞体材料特性的冲蚀公式模拟材料的冲蚀过程；假设溃口在纵向下切和横向展宽过程中坡角保持不变，采用极限平衡法分析溃口在发展过程中发生的边坡失稳；采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟堰塞湖溃决时的水土耦合过程。采用建立的模型对“11?03”白格堰塞湖溃决案例进行反演分析后发现，模型计算获得的溃口流量过程、堰塞湖水位变化过程、溃口发展过程与实测值基本吻合。参数敏感性分析表明，冲蚀系数对溃决过程具有重要的影响，残留坝高通过影响下泄库容也对溃决过程产生作用；另外，开挖泄流槽可降低堰塞湖溃决时的库容，从而对溃口流量过程产生影响，是降低灾害损失的有效手段。     

均质土石坝不同因素与漫顶破坏模式的内在联系

进行了均质土石坝漫顶破坏水槽试验,试验中观测到3种漫顶破坏模式:陡坎蚀退冲刷溃决模式、剪切蚀退坍塌溃决模式和浸泡剥蚀破坏模式,不同破坏模式溃口形成和发展阶段坝体破坏类型差异较大.坝高、筑坝材料、漫顶流量和坝顶抗侵蚀能力非均匀分布等因素影响坝体破坏方式,如坝顶非均匀冲刷产生的束水作用造成的"凹形"蚀退、其他条件相同情况下筑坝材料强弱导致的剪切或陡坎蚀退和坝高大小导致的陡坎蚀退或浸泡剥蚀等.这些因素通过影响不同位置侵蚀速率,共同决定了漫顶破坏模式,而后者对漫顶破坏过程和溃坝参数(破坏持续时间、最大下泄流量等)影响较大.     

溃坝及洪水演进数值模拟研究

溃坝洪水计算包括溃坝模拟及洪水演进模拟两部分。为避免复杂公式推导及求解,对溃坝模拟,采用简化模型,对二维洪水演进模拟,采用有限体积法进行求解,引入通度系数模拟计算区内部的阻水建筑物。采用GIS技术实现了洪水演进动态演示功能。     

滑坡涌浪诱发冰湖溃决灾害链过程分析与模拟

近年来滑坡诱发冰湖溃决灾害链发生频率日趋增加,对下游居民及工程设施安全造成严重威胁。为定量描述滑坡诱发冰湖溃决灾害链危害,通过系统分析该灾害链的演化过程及阶段特征,将其划分为四个子阶段：滑坡运动、涌浪传播、冰湖溃决、洪水传播;分别研究各子阶段演化的物理机理及关键因子,建立了相应的数学模型与计算方法,如滑坡运动采用Savage-Hutter模型、涌浪及洪水传播采用浅水波方程等;通过确定各子阶段之间的衔接因子,如滑坡运动特征、涌浪传播特征、坝体溃决特征等,实现了各子阶段的过程耦合与数据传递,建立了滑坡-涌浪-冰湖溃决-洪水灾害链的全过程物理模型,最终完成了该灾害链的过程模拟与危险分析。为验证所建立模型与计算方法的可行性,以四川省甘孜藏族自治州雅拉乡木格措冰湖潜在灾害链为案例,结合现场勘查与卫星影像数据,开展不同情境如暴雨或上下游级联溃决等条件下灾害链的过程模拟与危险分析,且将模拟结果与经验公式计算数据进行对比。结果表明,本文所提方法可较好的完成滑坡诱发冰湖溃决灾害链过程模拟,模型模拟数据与经验公式计算数据较为吻合,且考虑暴雨或上下游级联溃决条件时下游洪水流量呈显著增加趋势。本文研究成果提供了一种新的滑坡诱发冰湖溃决灾害链研究思路,对该灾害链的防灾减灾技术具有重要支撑作用。     

堰塞坝背水面坡度对溃决过程影响机理大尺度试验

堰塞坝溃决物理概化试验是当前研究堰塞坝溃决机理较为可行的方法,但在现有堰塞坝溃决试验中,由于试验坝体尺寸较小、试验上游库容不足,导致试验的溃决过程与实际堰塞坝溃决存在较大差异。为尽量克服库容的不足所带来的影响,本文采用了最大库容达380m3的大尺度堰塞坝溃决试验系统。本文以无粘性、宽级配砂砾料堰塞坝为对象开展了多组室内大尺度溃决试验来揭示堰塞坝溃决机理,并通过设置不同背水面坝坡来研究其对溃决过程的影响。通过试验发现堰塞坝溃决过程可以分为沿程冲刷、溯源冲刷、快速发展和溃口稳定四个阶段。在溃决过程中发现陡坎侵蚀和溃口两侧土体失稳坍塌是溃口快速发展的主要机理。不同背水面坡度下的沿程冲刷阶段冲蚀特征基本相似,而溯源冲刷阶段及快速发展阶段溃决过程差异显著,较大的背水面坡度使溯源冲刷阶段跌坎水流更容易得到发展,进而影响溃口处的垂向冲深及侧向发展,导致快速发展阶段更易形成垂向落差较大的陡坎洪水冲蚀。从溃决历时来看,坡度的增加使溃口发展更快、峰值流量出现时间更早,进而导致溃决历时缩短。坝顶溃口宽度及峰值流量也会随着坡度的增加而增加。在本试验还较好地重现了天然堰塞坝下游河道两岸的淤积现象,并根据堰塞坝溃决过程中的水流特点、泥沙运动及溃决完成后下游河道的地貌,初步分析了淤积区的形成机理。     

垂向非均质砂岩油藏周期注水机理数值模拟研究

为了给砂岩非均质油藏进一步开展周期注水矿场试验或工业性开采提供依据，利用三维三相黑油模拟器和准两层地质模型进行了垂向非均质砂岩油藏周期注水开采数值模拟研究。通过研究各种地质、开发因素对周期注水效果的影响程度，得出砂岩非均质油藏周期注水的主要作用机理：周期注水增强了层间压差及弹性力的作用，活化了毛细管力和重力的作用，使高、低渗透层之间产生了油水交渗效应，增大了水驱波及系数，提高了水驱采收率。