Simulation of dam breach development for emergency treatment of the Tangjiashan Quake Lake in China

The Tangjiashan Quake Lake is the largest quake lake triggered by the 5.12 Wenchuan Earthquake that happened on May 12, 2008 in China, posing high risk of catastrophic flash flood hazards to downstream human life and properties. A physics-based numerical simulation approach is proposed for real-time prediction of dam breach development of the Tangjiashan Quake Lake in the case of emergency treatment. Bed erosion and lateral development of the dam breach are represented through accounting for the underlying physics including selective sediment transport and gravitational collapse. Conceptualized breach erosion model that involves few parameters enables quick calibration based on the monitored hydrological data in emergency analysis where fully geotechnical information about the barrier dam is not available. The process of dam breach development is found to be nonlinear in cascades due to the combined effects of headcutting and bank collapse. The agreement between the simulation results and the observed data shows the applicability of the present approach for emergency analysis of quake lakes. Limitations will arise in the situation where the soil composition of barrier dam is significantly inhomogeneous. Incorporation of circular arc failure for cohesive soil and lateral seepage in bank slope will also enhance its applicability to complex situations.     

土石坝溃坝参数模型研究

土石坝溃坝参数的获取对于溃坝致灾后果的评价具有重要意义。而参数模型因其公式形式简单、计算快速常被用于溃坝参数的预测。本文对国外土石坝溃坝案例数据信息进行校验整理,并补充了相关的国内溃坝案例,形成了一个包含154个溃坝案例的基础数据库。在此基础上,针对不同坝型,对模型输入变量进行无量纲化处理,选择库容形状参数、水位比参数及坝高参数等作为自变量进行回归分析,建立了可模拟土石坝溃口峰值流量、溃口最终平均宽度和溃坝历时的数学表达式。该模型可反映坝型、溃坝方式、溃坝时库容、水位、坝高、溃口深度等参数对溃坝参数的影响。通过与国内外常用溃坝参数模型的对比发现,本文模型依据的土石坝溃坝案例数据库信息更为翔实,输入变量较易获取,在整体上具有更好的适应性、计算精度和拟合效果再选取4组典型案例,验证了本模型的合理性和优越性。     

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。     

Simulation of dam breach development for emergency treatment of the Tangjiashan Quake Lake in China

The Tangjiashan Quake Lake is the largest quake lake triggered by the 5.12 Wenchuan Earthquake that happened on May 12, 2008 in China, posing high risk of catastrophic flash flood hazards to downstream human life and properties. A physics-based numerical simulation approach is proposed for real-time prediction of dam breach development of the Tangjiashan Quake Lake in the case of emergency treatment. Bed erosion and lateral development of the dam breach are represented through accounting for the underlying physics including selective sediment transport and gravitational collapse. Conceptualized breach erosion model that involves few parameters enables quick calibration based on the monitored hydrological data in emergency analysis where fully geotechnical information about the barrier dam is not available. The process of dam breach development is found to be nonlinear in cascades due to the combined effects of headcutting and bank collapse. The agreement between the simulation results and the observed data shows the applicability of the present approach for emergency analysis of quake lakes. Limitations will arise in the situation where the soil composition of barrier dam is significantly inhomogeneous. Incorporation of circular arc failure for cohesive soil and lateral seepage in bank slope will also enhance its applicability to complex situations.

     

An approach to quick and easy evaluation of the dam breach flood

In the context of an impending dam failure, quick evaluation of dam breach flood is necessary. Previous studies provided an approach to calculate the dam breach hydrograph using an Excel spreadsheet based on the improved soil erosion model and numerical algorithm. However, calculation of the breach lateral enlargement requires the modeling of the successive collapse of the breach banks. It is time-consuming with special training, which is difficult to provide during an emergency. This study proposes that the lateral enlargement process can be modeled using a hyperbolic relationship with sufficient accuracy. Consequently, field engineers can perform the dam breach analysis along with the sensitive study for a target case within 1 h in an Excel spreadsheet which is self-tutorial. This paper presents this easy and quick approach based on only fifteen input parameters that can be determined based on the experience. This approach can also be used for the preliminary study when a dam safety planning work is undertaken.     

黏性沙级配对高速水流空化空蚀的影响

为研究黏性沙不同级配对高速水流空化空蚀的影响及机制,利用自主研发的小型循环式水洞试验装置,采用两条不同的黏性沙级配曲线进行较系统的试验研究。通过配置黏性沙小于某一粒径不同质量分数的挟沙水流,用压力动态数据采集系统实时量测水洞工作段空化区和空蚀区的压力;制作不同配合比的混凝土试件,使混凝土试件在黏性沙小于某一粒径不同质量分数工况下进行4 h的空蚀试验,以混凝土试件每小时质量损失表征空蚀量。结果表明：水洞工作段空蚀区各测点的时均压力和空化数随黏性沙小于某一粒径质量分数的减小而增大;混凝土试件空蚀量随黏性沙小于某一粒径质量分数的减小而增加;流速相同时,较高强度配合比混凝土试件的抗空蚀能力明显优于较低强度配合比的混凝土试件;较低流速下空蚀区主要位于试件前段,较高流速下则位于试件后段;试验所用黏性沙细颗粒比重越大,空蚀量越大。     

基于经验公式建立的滑坡泥石流坝溃口形式预测模型

为了预测滑坡泥石流坝溃决产生的洪峰流量和最大水深,本文的目标是建立滑坡泥石流坝在自然条件下首次溃决形式的经验公式模型,包括平均宽度bc和残留高Hd两个溃口形式的特征参数,从而为制订防灾减灾方案或应急预案提供科学依据。通过野外考察采集的数据以及溃决特征分析,选取影响滑坡泥石流坝溃口形式的主要因子,分别建立了坝高H、有效坝长B、堰塞湖库容W、坝体鞍部单宽体积V、内摩擦系数tan 以及上限粒径d90共6个因子与溃口形式（即溃口的平均宽度bc和残留高Hd）之间的经验关系公式。最后,将经验预测公式运用到实例进行检验,误差较小。     

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。     

南宁市冲积相粘性土磁效应机理及初步分区

在分析粘性土磁效应机理的基础上,根据Ⅰ、Ⅱ级阶地河流冲积相粘性土的分布及其特性和孔隙水化学特性,尤其是孔隙水中的总铁含量以及铁离子的赋存形式,将南宁市邕江Ⅰ、Ⅱ级阶地河流冲积相粘性土初步划分为磁效应强化区、磁效应较弱区两个磁效应区.随着城市附加磁场的增大,磁效应强化区粘性土的强度将大幅度增加;磁效应较弱区粘性土的强度也将有所增加,但其增加的幅度不高.     

Research on cohesive sediment erosion by flow: An overview

Erosion of cohesive sediment by flow is a very complicated phenomenon occurring worldwide. Understanding and modeling of the erosion process are important for many issues such as the breaching of embankments, riverbank stability, siltation of harbors and navigation channels, service life of reservoirs, distribution of (heavy metal) pollutants and water quality problems. In the last few decades, numerous studies have been done on the erosion of cohesive sediment by flow. Nevertheless, the factors affecting the erosion resistance of cohesive sediment are still not fully understood and the knowledge of the physics of cohesive sediment erosion is inadequate, as a result the mathematical modeling of this erosion is far from satisfactory. In this paper an overview of the studies on the erosion resistance, erosion threshold and the erosion rate of cohesive sediment by flow is presented. The outcomes achieved so far from the studies and the existing problems have been analyzed and summarized, based on which recommendations are proposed for future research. Supported by the National Key Technology R&D Program of China (Grant Nos. 2006BAC14B02 and 2006BAB05B03) and the National Basic Research Program (973 Program) of China (Grant No. 2007CB714106)     

压实填土随浸水时间增长强度降低规律研究

水利、交通、建筑等土木工程建设中,压实填土是经常遇到的建设内容,压实填土遇降雨、水浸时,含水率逐渐增大,颗粒间结合水逐渐增厚,结晶盐类逐渐溶解,压实填土粘聚力逐渐减小,土体强度逐渐降低,严重时导致工程破坏.使用不同级配土体,按各自最优含水率击实,制备多组试样,分批次在不同条件下浸水,测定土体强度随浸水时间的变化数值,分析其变化规律、土体级配与土体强度随浸水时间降低的关系、产生原因,给出了较好的压实土种类,为水利、交通、建筑工程压实填土浸水后预防工程事故提供参考.     

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.     

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。     

沟埋式矩形涵洞土压力及填土等沉面分析

填方工程中,填土在涵洞附近形成土拱,导致现有关于涵洞土压力理论计算值与实测值相差较大。为了探讨涵洞对填方工程变形的相互影响,对沟埋式涵洞顶部土压力及填土变形进行了对比分析,计算结果表明：沟埋式涵洞内土柱的竖向沉降小于外土柱的竖向沉降;沟埋式涵洞顶部土压力系数均大于1,且随沟槽宽度的增大而增大,当沟槽宽度为涵洞宽度10倍时,土压力系数已接近最大值;土压力系数随沟槽深度的增大而呈线性减小规律,当沟槽深度大于涵洞高度的2倍以上时,涵顶土压力可按上覆土重计算;涵洞侧壁受到的剪应力随着沟槽宽度的增加而增加,随着沟槽深度的增加而呈线性减小规律。     

某水库大坝混凝土面板检测及裂缝处理

根据混凝土面板坝施工的特点并综合考虑某引水工程坝址处的自然环境等因素,分别运用回弹仪、裂缝测宽仪、超声波探伤仪与地质雷达对面板混凝土强度、面板裂缝宽度、裂缝深度及堆石与面板间是否存在脱空进行了检测.根据检测结果对大坝面板混凝土表面产生裂缝的原因进行了分析,并提出了混凝土面板坝表面裂缝在不同情况下的处理方法.     

挡土墙后双层黏性土的主动土压力计算

针对挡土墙墙后为双层黏性土的情况,提出一种可靠的土压力计算方法.在平面滑裂面假设下,考虑填土黏聚力及填土与挡土墙墙背接触面上的黏着力,推导出双层填土的挡土墙主动土压力关于滑裂面倾角的计算表达式.在单层填土条件下将公式退化对比,表明该方法同样适用于单层填土的工况.通过算例将该方法的计算结果与工程实测值及分层法计算结果进行分析对比,结果表明,该方法的计算结果与实测值较符合.当填土为无黏性土时,可以采用改进分层法计算土压力;当墙后填土为黏性土时,改进分层法计算误差较大,建议采用该方法.     

Simulation of dam breach development for emergency treatment of the Tangjiashan Quake Lake in China

The Tangjiashan Quake Lake is the largest quake lake triggered by the 5.12 Wenchuan Earthquake that happened on May 12,2008 in China,posing high risk of catastrophic flash flood hazards to downstream human life and properties.A physics-based numerical simulation approach is proposed for real-time prediction of dam breach development of the Tangjiashan Quake Lake in the case of emergency treatment.Bed erosion and lateral development of the dam breach are represented through accounting for the underlying phys...     

户宋河电站——主坝填筑质量的统计特征

采用数理统计方法,对户宋河电站主坝的Ｌ 型排水体、上游坝体、下游坝体、接触粘土四个分区的填筑质量的检测指标进行统计分析．根据各分区的统计特征曲线和统计特征指标,评价该主坝的填筑质量,并对其设计控制指标进行讨论．统计分析结果表明,户宋河电站主坝的填筑质量良好,能够满足设计要求．压实度设计指标比较合理,干密度和相对密度设计指标稍低,最优含水量和渗透系数设计指标稍高,对施工质量有一定影响     

三点击实法在东湖水库围坝填筑过程中的应用

土坝填筑质量的优劣直接影响坝体的稳定和安全,对上坝土料碾压不实或不均匀,可能导致坝体局部沉陷、渗水、滑坡,甚至溃堤,采用三点击实法作为坝体填筑质量的检测方法,能快速确定填土的压实度和最优含水率与填土含水率的差值,从而保证土坝填筑质量和施工进度。     

唐家山堰塞湖泄洪问题几种模型探讨

以唐家山堰塞湖为研究对象,首先根据当时权威新闻报道数据及数字高程模型用数值积分和拟合两种方法求堰塞湖的蓄水量。在溃坝阶段,由经验公式及进出水量平衡建立模型,从而拟合出溃口的深度和宽度随时间变化的表达式。在泛洪阶段,采用静态分析,假设水流呈圆形蔓延采用先离散后整合叠加的方法建立柱体模型得到被淹面积和淹没深度,并在此基础上考虑洪水淹没区域中人口密集区域的人员撤离方案。