土石坝和堰塞坝溃决机理与溃坝数学模型研究进展

土石坝溃坝机理与溃坝数学模型研究对于预测溃坝洪水致灾过程和致灾后果具有重要的意义。为此,概要介绍了国内外在土石坝溃决机理与溃坝过程数学模型方面的研究进展,特别是笔者研究团队近年来在该领域的最新研究成果,表明以笔者研究团队为代表的国内专家学者,在高土石坝溃坝离心模型试验技术,高心墙坝、面板坝及堰塞坝溃决机理和溃坝过程模拟理论研究方面走在了世界前列。但在土石坝溃坝过程模拟计算机软件的通用性以及溃坝致灾过程的可视化技术方面与欧美国家相比,仍有相当大的差距。建议今后应加大精细模拟高心墙坝、高面板坝溃坝过程数学模型的研究力度,注重可视化技术在溃坝过程模拟中的应用,加快研制通用性友好,能精细模拟土石坝溃坝及其致灾过程的可视化计算机软件。     

堰塞坝的形成机理与溃决风险

基于多座溃决堰塞坝案例的调查,对堰塞坝的形成机制、溃决风险及其影响因素进行分析总结,认为堰塞坝主要是由地震或降雨或火山喷发引起的山体滑坡、崩塌、泥石流所形成,形成方式可概括为滑坡、崩塌、泥石流以及碎屑流,其中滑坡是形成堰塞坝最主要的形式。堰塞坝的工作条件、坝体几何特征以及坝体物质组成和内部结构都与人工土石坝存在明显差别,其溃决的可能性远高于人工土石坝。指出堰塞坝的溃决风险主要取决于上游来水量、坝的拦蓄水量、坝的几何尺寸和坝的结构与物质组成,并讨论了降低堰塞坝溃决风险的应对措施。鉴于堰塞坝极高的溃决可能性与严重的致灾后果,建议今后加强堰塞坝溃决机理、溃坝过程的试验与数值模拟研究工作,提出能合理反映堰塞坝溃口发展规律、溃坝洪水流量过程的数值模型与相应计算方法,为科学预测堰塞坝溃决致灾后果,制定堰塞坝溃决应急预案提供技术支撑。     

尾矿库溃坝研究综述

尾矿库溃坝研究主要包括尾矿坝坝体失稳和泥石流的演进两部分.首先对尾矿库坝体失稳原因、机理和计算模型进行了综述,目前尾矿坝失稳计算模型研究主要集中在尾矿坝静力抗滑稳定和地震作用下尾矿砂的液化判别,而对渗透变形和洪水漫顶导致的尾矿坝渐近失稳模型研究较少,同时对地震作用下尾矿砂液化后流滑变形稳定分析的研究也较少;其次,对尾矿坝失稳后泥石流的物理性质、流变模型、演进计算模型进行了综述,目前尾矿库溃坝泥石流演进计算模型中存在大量的假设,包括对溃坝范围、溃坝过程、溃口大小的假设等,这对泥石流演进分析带来一定的偏差.总之,尾矿库溃坝计算模型还不完善,需要借助土力学、水力学和泥沙动力学等学科的交叉进一步研究.     

尾矿库坝体溃决演进规律的模型试验研究

本文结合实际工程,在自主研发的尾矿库模型试验平台上完成了尾矿库模型的搭建,进行了由于坝体排渗系统失效致使浸润线持续升高而诱发的尾矿库溃坝模型试验。利用坝体位移跟踪测量系统对尾矿库坝体溃决的演进过程进行了观测,总结了整个试验过程中的溃决模式及破坏形式。结果表明,坝体整体呈逆流牵引型溃决模式,溃决破坏形式大致经历三个阶段:坝面沼泽化诱发张拉裂缝、流土与局部塌落、较大范围崩塌与滑坡,其中前两个阶段是崩塌与滑坡的诱发阶段。在流土破坏出现前会出现堆积坝局部渗水、坝体裂缝等现象,此时若采取有效措施迅速降低浸润线,可避免发生大范围流土破坏。崩塌与滑坡过程溃决量大、持续时间短,一般难以防范。将模型试验结果与数值模拟结果和尾矿库溃坝原型资料对比,三者吻合良好。本文提出的模型试验方法可以预测尾矿库溃坝过程以及对尾矿库溃坝事故进行反演分析。     

尾矿库溃坝研究进展

总结分析了近年来国内外尾矿库溃坝致灾机理、尾砂力学性质及溃坝流体性质、溃坝影响范围和预警及防治措施等领域的研究进展。总体而言,尾矿库溃坝研究方面已积累了一定的基础和经验,然而在许多领域有待进一步深入系统的研究;尾砂不同于常规土料,相关研究目前多针对具体工程,尾砂的力学性质的系统研究有助于提升尾矿库溃坝安全评价水平;物理模型试验法和数值模拟方法是目前预测尾矿库溃坝影响范围的主要手段。指出了当前尾矿库溃坝研究及灾害防治方面的几个关键问题,建议从新试验技术、尾砂及溃坝流体性质和筑坝工艺等方面突破研究。     

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。     

排渗失效下尾矿库溃坝三维模型试验研究

针对尾矿库渗透破坏模式,为克服二维试验槽边壁效应对模型渗流走向及溃决位置的影响,本文以某尾矿库为原型,基于自主设计的三维尾矿库溃坝模型试验平台,进行了排渗设施失效诱发的尾矿库溃坝模型试验研究,揭示了该尾矿库的溃决模式及溃决机理。结果表明：(1)排渗失效导致的溃坝呈现局部流土破坏-坝体累计变形-深层滑动面发展贯通-整体突发失稳的渐进伴突发型溃决演化模式;(2)坝体孔隙水压力骤变是坝体发生滑动破坏的关键响应指标,预示着坝体将在短时间内由滑动体前后缘局部散浸软化、流土、塌陷转变为大范围溃决,可作为坝体溃决事故的前兆信息;(3)排渗失效导致的尾矿库溃坝过程具有渐进性和突发性的特点,发生散浸与流土破坏的过程时间较长,发生深层滑动和溃决的时间短暂,该特征可为尾矿库渗透破坏隐患治理及坝体溃决应急响应提供参考。研究结果对尾矿库溃坝的灾害预防具有重要的现实意义。     

基于动力离心模型试验的弱透水夹层尾矿库地震响应研究

尾矿库是具有高势能的泥石流灾害源,一旦发生溃坝会对下游人员和设施造成极大威胁。本文基于离心机振动台,针对含弱透水夹层的上游法堆石尾矿坝开展了动力离心模型试验,模拟了典型尾矿库在地震作用下的破坏过程。重点探究了尾矿库内部孔隙水压力变化规律、地震作用下尾矿液化的形成和发展规律以及库内弱透水层对液化破坏过程的影响。试验结果表明:尾矿坝受地震荷载作用时,初期坝的安全程度较高,不易发生破坏,溃坝则主要是由于尾矿库内部孔压升高造成局部发生液化,进而导致尾矿坝发生变形和破坏。尾矿坝发生变形前期,主要以尾矿水平向下游流动为主,未发生液化的部分则以相对完整的整体发生位移;尾矿库内部的弱透水层会影响内部孔压积累的过程,同时会加速附近土体的液化过程。     

土石坝溃决过程数值模拟研究进

土石坝的溃决将对淹没区的人民生命财产带来巨大灾难,因此土石坝溃决过程的研究对溃坝致灾后果的评价具有重要意义。首先对大坝的溃决原因进行了分析,并依据常用的土石坝溃决数学模型的分类标准,着重介绍了土石坝溃决参数模型、土石坝溃决过程简化模型和土石坝溃决过程精细化模型的研究进展,对现有成果的优缺点进行了分析总结,并对今后研究的重点提出了相关建议。     

土石坝溃决过程数值模拟研究进展

土石坝的溃决将对淹没区的人民生命财产带来巨大灾难,因此土石坝溃决过程的研究对溃坝致灾后果的评价具有重要意义。首先对大坝的溃决原因进行了分析,并依据常用的土石坝溃决数学模型的分类标准,着重介绍了土石坝溃决参数模型、土石坝溃决过程简化模型和土石坝溃决过程精细化模型的研究进展,对现有成果的优缺点进行了分析总结,并对今后研究的重点提出了相关建议。     

基于渗流理论的尾矿坝坝体稳定性分析研究

尾矿坝安全现状令人堪忧,尤其以渗流引起的坝体失稳事件屡屡出现,为了获取尾矿坝因渗流引起失稳的相关技术参数,对尾矿坝坝体稳定性进行了分析研究;在总结尾矿坝溃坝原因的基础上,分析了浸润线的影响因素并给出了计算方法,以山东玲珑尾矿坝为例,采用瑞典圆弧法和毕肖普法,对尾矿坝的整体稳定性进行计算;得到了玲珑尾矿坝相关的力学参数及计算成果,并从设计和管理两个方面讨论了尾矿坝安全稳定的防范措施;分析结果对于尾矿坝今后的设计和安全监测管理有重要的借鉴意义。     

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.     

尾矿库溃坝风险指标体系及风险评价模型研究

尾矿库风险评价应研究坝及其附属构筑物的安全状况，评价尾矿库运行期的安全等级。因此，加强尾矿库风险管理，建立尾矿库溃坝风险指标体系和风险评价模型，对于减少和防止尾矿库溃坝事故的发生，确保尾矿库的安全运行，使之更好地为矿山安全生产服务，为国民经济健康持续快速发展服务等方面都具有重要意义。本文基于理论分析、相关性计算方法，建立了尾矿库溃坝风险指标体系，并应用多层模糊模式识别理论建立了尾矿库溃坝风险评价模型，并提出了尾矿库运行期安全等级的划分方法。建立的风险指标体系和风险评价模型，可同国家安全监管总局尾矿库普查和管理系统结合，用于尾矿库运行期安全等级的划分。     

小型水库大坝溃坝风险识别研究

小型水库遭破坏的危险主要是溃坝风险,为了给小型水库大坝安全提供资料,对小型水库大坝溃坝历史资料进行统计,分析泰安市岱岳区18座小型水库安全鉴定资料,并利用事件树法分析了小型水库大坝的主要溃坝模式和溃坝路径。结果表明,小型水库主要的溃坝原因是漫顶和坝体施工质量,在3 339座溃坝事故中,漫顶1 737座,占50.2%,由坝体施工质量引起的溃坝1 205座,占34.8%。溃坝模式和溃坝路径的提出,为小型水库大坝溃坝概率的确定以及溃坝风险分析评价奠定基础,并为其除险加固提供依据。     

土坝溃决跌坎水流水动力特性数值模拟

黏性土坝漫顶溃决涉及多学科交叉,过程极其复杂,尽管国内外大量物理模型试验成果表明其溃决多以“跌坎式”溯源冲蚀为主要特征,然而对该冲蚀发展形式下的水流-坝体微观作用机制尚不清晰。水流作为漫顶溃决的冲刷主动力,对坝体溃决发展起着主导性作用,采用RNG k-ε紊流模型和VOF自由液面捕捉技术针对黏性土坝漫顶溃决代表性水流结构——溃决跌坎水流开展了三维数值模拟研究,对跌坎水流的水流结构、流态、水力特性指标等进行了细致分析,揭示了不同工况下坝体跌坎上的剪切应力、流速分布规律,进而从水动力学的角度对坝面进行受力分析,初步推断了黏性土坝漫顶溃决过程中各级跌坎的主要合并方式为“台阶水平面刷深下切”。研究成果为进一步掌握黏性土坝漫顶溃决发展演变机理提供了理论基础。     

土石坝溃坝离心模型试验系统研制及应用

研制成功了一套土石坝离心模型溃坝试验系统,采用旋转接水环,确保了高加速度条件下溃坝试验过程中能持续提供足够的对坝体进行冲蚀的水量;采用先进的数据量测方法和图像采集系统能多角度捕捉和摄取土石坝的溃坝全过程,且该系统在高加速度和泥石流条件下能正常工作。利用该离心试验系统以32cm坝高的模型对最大坝高达32m 的3 种不同坝高均质土石坝进行了漫顶溃坝模型试验,研究了坝高对均质坝溃口发展规律和溃坝洪水流量过程的影响。结果发现：随着坝高的增加,溃口的纵向下切与溃口边坡的失稳坍塌速度明显加快,溃口流量过程线更为陡峭,峰值流量增大,且峰值流量出现时间更早,溃坝历时更短,因此,溃坝致灾后果将更为严重。     

沟后面板坝溃决的研究

文中介绍了沟后面板坝的工程概况、蓄水运行和溃坝的情形。提出了面板砂砾坝溃决过程的阶段划分、各阶段的破坏机理、破坏形式及其产生的原因。并为今后建此类坝提出了６点建议。     

震区加高扩容尾矿坝的渗流稳定分析

早期建设的尾矿坝大多已达到或接近最初设计高度而需要加高扩容,加高扩容后尾矿坝的渗流稳定是人们最为关心的问题。重点分析了尾矿坝与普通土坝的不同地震反应特征,采用简化的常量动态分布系数确定尾矿坝坝体的地震惯性力。详细给出了震区的一座拟加高扩容尾矿坝的渗流与稳定分析,并对该尾矿坝的加高扩容提出了建议。     

浅析面板对土石坝溃坝过程的影响

国内主要大坝形式多为土石坝,其中采用混凝土面板防渗型式的土石坝,是近年来发展较快的坝型,通过对土石坝有无混凝土面板防渗的溃决过程分析,发现面板对大坝溃决过程产生影响,导致产生不同的溃决方式,以此为出发点,拟总结面板对土石坝溃决产生的影响。