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.     

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。     

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。     

溃坝水流三维计算模型比较

选取土石坝漫顶冲决过程中假定的溃口形状,采用FLOW-3D及FLUENT计算流体力学软件分别对固定溃口形状下漫坝水流进行全三维湍流数值模拟,对比研究溃坝水流的三维流动及水流对坝体的作用.结果表明,两者较为一致地反映了土石坝漫顶冲决过程中水流的流动及坝面应力分布,主要差异发生在坝体表面、水流自由液面附近以及水流掺混较为剧烈区域.理论上,FLOW-3D采用Tru-VOF方法捕捉自由液面所得水面附近结果应较为准确;FLUENT采用适应性较强的非结构化网格,所得壁面区域计算结果则更为合理.同时计算得到了较为精细的溃坝水流湍流结构和坝面壁面剪切应力分布,这将有助于深入理解大坝溃决的物理机理,进而促进溃坝洪水数学模型的发展及应用.     

堰塞体状态相关剪胀理论与坝体溃决演化规律研究构想（特约稿）

堰塞体一般在自然力作用下瞬间形成,堆积体具有空间结构复杂、坝料级配宽泛、稳定性差、易在水流冲刷下发生溃决等特点。堰塞体作为一种重大的水旱自然灾害,其安全评价和灾害预测是国内外学者关注的焦点,目前尚有很多问题需要解决,包括：（1）堆积体由天然宽级配土石料构成,表现出显著的状态相关性,缺乏正确描述这种宽级配堆石料的状态相关剪胀理论与本构模型;（2）堰塞体形成后,会受上游堰塞湖水位抬升、持续非稳定渗流、湖区滑坡涌浪、后期地震等外荷载作用的影响,缺乏稳定性评判的标准和方法;（3）堰塞体缺乏必要的洪水溢流设施,容易发生溃决,且溃决水流冲蚀过程呈明显的非线性特点,溃口水力要素指标呈强非恒定流特征,缺乏反映宽级配堰塞体材料冲蚀机理的溃决过程数学模型。为此,有必要采取现场勘查、多尺度物理模型试验、数值仿真等综合手段开展研究,揭示堰塞体外观形态、内部结构和材料宏观力学特性及其时空变异规律,提出状态相关（级配、孔隙比、应力水平）的宽级配堰塞体材料剪胀方程,建立能适应复杂应力路径的广义弹塑性本构模型与坝体极限平衡分析方法;开展大型水工模型试验和溃坝离心模型试验研究,揭示非恒定流作用下堰塞体材料的动态冲蚀特性与堰塞体溃口演化规律,建立非恒定流作用时溃口动边界条件下的挟砂水流冲蚀方程,提出考虑流固耦合的堰塞体溃决过程数学模型,实现堰塞体漫顶或渗透破坏溃坝全过程水流运动特征、坝料输移规律、溃口演化过程及结构失稳的数值模拟。综合可靠度理论与溃坝过程数值模拟方法,提出能考虑流固耦合的堰塞体渗流、变形、稳定和溃决过程的一体化数值仿真平台,构建堰塞体全生命周期安全评价与灾变模拟理论体系与方法,为提升我国堰塞体防灾减灾决策水平提供科学的理论与技术支撑。     

基于线性冲蚀公式的二维非黏性土石坝溃决模型

基于线性冲蚀公式建立二维非黏性土石坝溃决模型. 所建模型利用线性冲蚀公式建立床面冲刷率与水流切应力的关系以计算坝体变形,无须应用输沙率公式和求解泥沙输移方程. 与现有精细物理模型相比,所建模型更简单,计算效率更高. 利用2个不同形式的算例,验证边坡坍塌算法的有效性;将所建模型分别应用于一维和二维非黏性土石坝漫顶实验,模型计算的坝顶高程、溃口最终宽度和峰值流量等关键指标值与测量值吻合良好,表明该模型能够较为准确地模拟非黏性土石坝溃坝. 对模型关键参数进行敏感性分析,分析不同参数对计算结果的影响.     

溃坝水流三维湍流的试验与数值分析

采用假定溃口形状,选取临界漫顶及坝体完全淹没2组不同流量,进行定床物理模型试验,测量了溃口内部水流的垂线流速分布.采用CFD软件FLUENT对2组三维溃坝水流进行全流场湍流数值模拟,其结果与试验值吻合较好,同时较为精细地捕捉到了坝前水位稳定后溃坝水流三维流场、湍动能和壁面剪切应力.结果表明:高强度壁面剪切应力可能为坝体侵蚀主要因素,在坝顶及溃口与坝面的连接处壁面剪切应力及湍动能出现极大值,强湍动能将使得侵蚀的泥沙迅速扩散到水体当中,随着水流的运动向下游输移.三维流动的存在,使得泥沙向下游输运的过程中先向溃口内部集中,到达下游河道后再逐渐扩散到整个河道中.小流量情况下,这一趋势不太明显,随着漫顶流量的增大这一趋势明显增强.以上水力条件可能为溃口迅速展宽、降低的主要因素.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

震后泥石流沟内滑坡堰塞坝的侵蚀特征分析——以银洞子堰塞坝为例

强烈地震后的沟内滑坡堰塞坝是泥石流地质灾害的重要物质来源,由于季节性降雨的间歇性和沟道地形的特殊性,泥石流沟内滑坡堰塞坝的侵蚀破坏过程与堵河型滑坡堰塞坝有明显区别,本文以银洞子滑坡堰塞坝为例,对此类堰塞坝的侵蚀破坏特征进行了研究。通过多年的现场地质调查和理论分析,主要得出以下结果:1)银洞子堰塞坝受到的侵蚀效应包括降雨导致的坡面汇流冲刷,溃口水流或泥石流的下切侵蚀、侧向侵蚀和溯源陡坎侵蚀;2)横向巨大高差导致该堰塞坝漫顶溃决时的初始溃口位于坝体侧面,水流或泥石流对溃口边坡的侧向侵蚀过程为单向侵蚀,在这种侧向侵蚀和下切侵蚀共同作用下,堰塞坝的溃口边坡越来越高,堰塞坝的稳定性降低;3)银洞子沟上、下游土体强度不同导致堰塞坝的坡面侵蚀效果不同,下游一侧坝体强度较弱,坡面汇流冲刷导致堰塞坝表面被两道大型拉槽分割,堰塞坝的整体性受到影响;4)银洞子堰塞坝特殊的物质结构导致溯源侵蚀陡坎向上游的发展速度缓慢,堰塞坝的侵蚀过程不一致。在多种侵蚀效应的共同作用下,银洞子沟滑坡堰塞坝下游部分的溃口边坡高度大、完整性差,很可能失稳形成二次滑坡,将导致大量松散物质进入新形成的沟道内,从而为泥石流活动提供物源储备。     

纵向增强体土石坝新坝型及其安全运行性能分析

在总结大量水库大坝加固实践的基础上提出一种新坝型—纵向增强体土石坝,即以常规土石坝为依托,在其内部"插入"集防渗与受力为一体的刚性结构体(纵向增强体)。增强体既起到防渗体系作用,又起到结构体作用,力求克服传统土石坝(如均质坝、土质心斜墙坝等)在漫顶、渗漏、裂缝等原发性病险,以及滑坡、变形、白蚁等次生性灾害,特别针对传统土石坝存在的洪水漫顶溃坝、损毁、失效等灾难提出了尽可能的解决方案。从理论上简要分析了纵向增强体土石坝相对于常规土石坝抵御洪水漫顶破坏的安全程度,初步阐述这一新坝型安全运行的机理,分析洪水漫顶造成下游堆石料被冲刷流失,形成坝体冲坑等水力学过程,冲坑的逐步形成将恶化增强体的受力条件,最终导致增强体上游侧受力而下游侧临空的受力状态,从而影响到整个坝体是否溃决。计算表明,增强体作为刚性结构体延缓了坝体的溃决,并为工程抢险和下游群众转移争取到足够的时间。纵向增强体土石坝在工程建设投资与工期、施工工艺与材料选取方面均有一定优势,对今后建坝或对已建成土石坝的除险加固有着十分重要的意义和广阔的应用前景。     

堰塞坝溃口下切过程试验研究

针对堰塞坝溃口下切过程和不同因素对过程影响的问题,开展室内水槽试验。结果表明:溃口下切过程分3个阶段:Ⅰ为溃口缓慢发展阶段,即水流缓慢溢出溃口阶段,侵蚀速率较小,泥沙输移主要以悬移质运动为主,溃口下切缓慢;Ⅱ为溃口迅速发展阶段,表现为溯源侵蚀强烈,溃口底部变化迅速,推移质运动占主导地位;Ⅲ为稳定河床形成阶段,水流速度和流深减小,水流携沙力减弱,河床形成粗化层,最终达到新的水沙平衡。溃口流量与侵蚀的关系表现为:来水流量的加大增加了相应时刻的溃决流量,增大了侵蚀率,缩短了溃决时间,溃口底部趋于平滑;来水流量的加大提高侵蚀率曲线斜率,使侵蚀率曲线向瘦高型发展;随背水坡坡度的增加,溃决流量增大,侵蚀率增加,坝体残留高度降低。另外,因背水坡坡度增加导致坡面土颗粒稳定性的降低可采用水槽坡度与背水坡坡度之和正切值的3次方这一因子反映。考虑堰塞坝材料性质差异性的溃决过程是下一步研究的重点。     

梯级大坝溃决洪水渐进增强机制数值模拟

采用一维浅水动力学模型进行梯级大坝溃决洪水的模拟.首先通过水槽实验对模型进行检验,然后将其应用于系列梯级大坝溃决洪水工况的数值模拟.系统考虑了坝高和坝间距对梯级大坝溃决洪水的影响.计算结果表明梯级大坝溃决洪水与单个坝溃决洪水相比,峰值水位显著增加或到达下游断面时间显著提前或两者都有,即显示梯级大坝溃决洪水渐进增强机制.坝高和坝间距会改变溃坝洪水的流量(水位)峰值或传播时间,但不会改变梯级大坝溃决洪水渐进增强机制.研究结果为流域防洪管理和梯级大坝防洪设计提供了理论依据.     

堰塞坝溃口下切过程实验研究

针对堰塞坝溃口下切过程和不同因素对过程影响的问题,开展了室内水槽实验。结果表明：溃口下切过程分3个阶段,Ⅰ为溃口缓慢发展阶段：为水流缓慢溢出溃口阶段,侵蚀速率较小,泥沙输移主要以悬移质运动为主,溃口下切缓慢;Ⅱ为溃口迅速发展阶段：表现为溯源侵蚀强烈,溃口底部变化迅速,推移质运动占主导地位;Ⅲ为稳定河床形成阶段：水流速度和流深减小,水流携沙力减弱,河床形成粗化层,最终达到新的水沙平衡。溃口流量与侵蚀的关系表现为：来水流量的加大增加了相应时刻的溃决流量,增大了侵蚀率,缩短了溃决时间,溃口底部趋于平滑。来水流量的加大提高侵蚀率曲线斜率,使侵蚀率曲线向瘦高型发展。随背水坡坡度的增加,溃决流量增大,侵蚀率增加,坝体残留高度降低。另外,因背水坡坡度增加导致坡面土颗粒稳定性的降低可采用水槽坡度与背水坡坡度之和的正切值的三次方这一因子反应。最后指出,考虑堰塞坝材料性质差异性的溃决过程是下一步研究的重点。     

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.