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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

基于FLOW-3D的尾矿库逐渐溃坝三维数值模拟

为了分析尾矿库逐渐溃坝时溃口随时间的变化过程以及溃坝后尾砂的淹没范围,基于FLOW 3D软件建立了三维数值模型。模拟了水槽内的逐渐溃坝,将计算得出的溃口形态变化数据以及水位数据与实验数据进行对比,结果基本吻合,验证了数值模拟的精确性和可靠性。以某尾矿库为例,利用该数值模型模拟逐渐溃坝,结果表明:尾矿坝溃决时先冲刷溃口底部,而后逐渐向两侧侵蚀,坝体侵蚀断面呈U型分布,随着水量减少,泥沙慢慢沉积,最终稳定,泥沙下泄量约为总泥沙量的31.1%,随着距离的推移,泥沙淤积量沿程减少,下游房屋监测点最大水深15.44 m。     

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。     

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。     

均质黏性土坝漫顶溃决机理及溃坝过程模拟

水库大坝的溃决对下游人民生命及财产带来巨大威胁,而中国已溃大坝中有85%以上为均质黏性土坝,且50%以上为漫顶溃决,因此有必要深入研究均质黏性土坝的漫顶溃决机理,提高溃坝洪水流量过程的预测精度,为溃坝应急抢险提供理论与技术支撑。基于均质黏性土坝大尺度漫顶溃决模型试验,揭示了漫顶水流作用下溃口在3维空间的发展机理,在此基础上提出了一个模拟均质黏性土坝漫顶溃决过程的数学模型。该模型基于坝体形状和漫顶水流特征确定"陡坎"的形成位置,采用宽顶堰公式计算溃口流量;选择可考虑坝料物理力学特性的溯源冲刷公式模拟"陡坎"的移动,并通过力学分析判断"陡坎"上游坝体的坍塌;引入坝料冲蚀系数,通过分析水流剪应力与坝料临界剪应力建立坝料的冲蚀率方程,模拟坝顶与下游坡溃口的发展;采用极限平衡法模拟溃口边坡的失稳,并假设滑动面为平面。模型考虑了不完全溃坝与坝基冲蚀,以及坝体的单侧与两侧冲蚀。选择国内外3组具有实测资料的大尺度均质黏性土坝漫顶溃坝模型试验对模型进行验证,实测值与计算结果的比较表明,溃口峰值流量、溃口最终平均宽度及溃口峰值流量出现时间的相对误差均在±25%以内,并且计算获得的溃口流量过程线与实测结果基本吻合,验证了模型的合理性。     

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。     

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.     

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。     

间断洪水波高精度数值模拟与应用

基于守恒型浅水二维方程,采用三单元模板的加权本质无震荡(WENO)格式插值界面两侧守恒变量,并采用Roe方法计算界面处数值通量,建立了平面二维溃坝水流数学模型.为使模型总体精度不致因为时间离散而降低,源项采用三阶Runge-Kutta方法进行处理,时间步进采用自适应步长法.验证结果表明数学模型计算结果与精确解基本一致,间断处数值解无明显震荡,具有高分辨率和高精度.数学模型应用于坝体溃决后水流在干河床上运动、河道部分堤防溃决后水流同时在河道以及洪泛区的演进过程以及天然复杂地形条件下实际工程溃堤方案的比选等预测计算.     

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。     

桩承式路堤中土拱效应演变规律宏细观研究

基于桩承式路堤平面土拱效应研究的室内模型试验,采用PFC2D软件建立桩承式路堤颗粒流数值分析模型,通过与试验结果对比验证了该数值分析模型的正确性。首先,基于路堤自重应力荷载作用下的颗粒流数值模拟结果,验证了平面土拱效应内拱与外拱高度理论计算公式的正确性。然后从路堤中竖向应力的分布规律、应力缩减比的变化规律以及路堤中接触力的分布规律三个角度分析了路堤表面外加荷载作用下桩承式路堤中土拱效应的演变规律。研究发现：当路堤表面外加荷载由10 kPa增大至40 kPa时,桩承式路堤中的土拱效应发挥稳定;当路堤表面外加荷载由40 kPa增大至100 kPa时,桩承式路堤中的土拱结构发生了退化并有新的土拱结构形成,在宏观上表现为软土承担竖向荷载的分担比呈现增大的趋势。     

河道水流三维流速场的数值模拟研究

为了寻求一种先进的数值模拟方法来研究河段水流的流场特性,采用VOF紊流数学模型对大渡河安顺场堤防工程兴建河段建堤前后的水流流速场进行了三维数值模拟研究,模拟计算了该河段堤防兴建前后流速场内流速大小、方向、水位等的变化情况。计算表明,VOF紊流数学模型是一种处理复杂自由表面的有效方法。该法不仅具有稳定性好,灵活性强和精度高的优点,而且网格划分灵活,因此能较好地模拟不规则河道边界,很适合于天然河道三维水流流速场问题的数值模拟研究。     

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...