均质土坝漫顶溃坝过程数学模型研究及应用

国内外大量模型试验表明,"陡坎"式冲蚀是均质土坝漫顶溃决的重要机理。近年来,各国学者开发了一系列的考虑"陡坎"式冲蚀的溃坝过程数学模型,但模型均采用了"陡坎"出现在下游坡脚的假设。通过大比尺均质土坝漫顶溃决模型试验发现,对于坝高较大的均质土坝,"陡坎"出现的位置与漫顶水头和下游坝坡坡比存在内在联系,且"陡坎"的移动速率与坝料的物理力学指标相关,因此初始冲坑的位置和"陡坎"移动参数的选取对于溃坝过程模拟结果的合理性具有重要意义。本文借鉴国内外的漫顶溃坝过程数学模型,提出一个可考虑均质土坝漫顶溃决过程中"陡坎"移动的数学模型。该模型通过漫顶水流特征和坝体形状参数确定下游坡初始冲坑的位置,采用能量分析方法模拟"陡坎"移动,并通过室内与现场模型试验提出可考虑坝料黏粒含量、含水率、干密度等指标的"陡坎"移动参数;利用基于水流剪应力原理的冲蚀速率公式模拟溃口纵向下切与横向扩展;采用宽顶堰流量公式计算溃口流量,通过极限平衡法分析溃坝过程中溃口边坡的稳定性,采用迭代的数值计算方法模拟整个溃坝过程。选择国内外典型的大比尺均质土坝漫顶溃坝试验和有实测资料的溃坝案例对模型进行验证,并研究了是否考虑"陡坎"冲蚀对溃坝模拟结果的影响;通过模型计算分析可以得出,本文提出的数学模型可合理模拟均质土坝的漫顶溃坝过程。     

均质土坝漫顶溃决“陡坎”移动参数确定

“陡坎”冲蚀是均质土坝漫顶溃决时的主要破坏模式,“陡坎”移动的速度与坝料的物理力学指标具有内在联系,而目前国外给出各类“陡坎”移动模型很少考虑这些联系,且参数选取方法误差较大。基于水流能量耗散原理的“陡坎”移动速度模型,考虑坝料的黏粒含量、含水率、干密度等因素,参考国内外具有实测“陡坎”移动速度资料的水槽模型试验成果,拟合出“陡坎”移动参数的表达式,并结合水槽模型试验不同坝料的特点,给出了拟合“陡坎”移动参数的上下包线。参考美国农业部农业研究中心开展的7组均质土坝漫顶溃决试验的“陡坎”移动速度实测资料,验证了建议参数的合理性,并与国外典型的“陡坎”移动参数模型计算结果进行比较,给出了参数取值的参考方法;对“陡坎”移动参数中涉及的黏粒含量、含水率、干密度等指标进行参数敏感性分析,分析研究3个指标对“陡坎”移动规律的影响,为均质土坝漫顶溃决模型“陡坎”运移参数的选取和进一步研究“陡坎”抗冲蚀能力内在机理提供参考依据。     

土坝漫顶冲蚀溃决过程和峰值流量试验研究

为探索土坝漫顶冲蚀溃决过程与溃坝峰值流量的关系,采用室内系列水槽试验的技术手段,以无黏性宽级配砂砾料土坝为研究对象,研究洪水漫顶条件下坝体（1 m高）冲蚀过程和溃口水力要素变化过程。试验表明,由于漫顶泄流方式、筑坝材料级配和密实度不同,土坝漫顶冲蚀过程可分为逐层均匀冲蚀、全线漫顶冲蚀和陡坎瀑布状水流冲蚀3种;溃坝峰值流量与冲蚀过程密切相关,坝体溃决历时愈短,溃坝洪峰流量愈大;相同条件下,陡坎瀑布状水流冲蚀峰值流量较逐层均匀冲蚀增大约40%。     

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；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，利用该试验系统对最大坝高达32m的三种不同坝高均质土石坝开展了漫顶溃坝离心模型试验，清楚揭示了其溃决机理，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。     

溃坝典型水流水力特性试验研究

黏性土坝漫顶溃决是一个水、土二相耦合逐渐发展的过程,涉及水流冲蚀主动力和坝体材料被动抗力的综合作用。立足当今世界溃坝研究的前沿理论,借鉴以往现场原型试验相关成果,对土坝溃决过程进行了宏观阶段划分,并在此基础上开展专门的水槽试验,采用PIV技术对表面冲刷水流和陡坎冲射水流的精细水流结构进行了详细研究。试验获得了两种典型水流的几何特性及相关水力特性,总结分析了各水流结构对坝体的冲蚀作用机制。相关成果的获取可从本质上对黏性土坝陡坎溯源冲蚀机理进行理解和掌握,亦可为数值模拟及其他溃坝研究工作提供技术参考。     

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。     

土石坝漫顶溃决模式与溃坝参数预测

利用黏土和黄砂混合配制试验筑坝材料,开展水槽试验,模拟均质土石坝漫顶破坏过程,研究溃坝模式对溃坝参数的影响。试验中观测到3种漫顶破坏模式:陡坎蚀退冲刷溃决模式(M1)、剪切蚀退坍塌溃决模式(M2)和浸泡剥蚀破坏模式(M3)。相同库容和坝高条件下,不同模式最大溃决流量差异较大:Q_p(M2)>Q_p(M1,M3);定义水流开始漫顶至水库内库存水流构成漫坝破坏的主要动力源的时间为漫顶临界时间T_C,则T_C(M2)<T_C(M1)<T_C(M3)。溃坝模式反映了漫顶流量、初始溃口、坝高和筑坝材料等因素对漫顶溃决的综合影响,是除坝高、库容外溃坝参数预测的重要影响因子。     

堰塞坝漫顶溃决过程及其受组成结构的影响

以四川茂县宗渠堰塞坝为原型,以几何相似比1〖DK(〗∶〖DK)〗100进行堰塞坝漫顶溃决模型试验。通过模型试验揭示了堰塞坝漫顶溃决的动力学过程,即下游坡面侵蚀、冲沟侵蚀、陡坎稳定侵蚀、陡坎加速侵蚀、陡坎减速侵蚀和常态化过程6个阶段。通过对比试验,揭示了坝体密度和级配特征对溃决速率以及溃口形式的影响机制,即坝体密度通过颗粒间剪切作用于溃决过程,密度更大的坝体溃决更慢,形成中轴线处窄浅的“矩形”溃口;坝体级配通过孤粒起动作用于溃决过程,级配更粗的坝体溃决更慢,形成中轴线处宽浅的“倒梯形”溃口。     

水位上升速度对均质土坝失稳模式 影响的试验研究

通过模型试验,研究了均质土坝坝坡失稳形态随水位上升速度的演化过程。试验中,不断改变水位上升速度,记录了试验耗时、水位高度、坝体失稳过程、失稳形态、坝顶位移等指标的变化。通过对试验数据的总结归纳,坝体失稳模式共有三种：渐进破坏、滑动破坏和漫顶冲蚀破坏;水位上升速度对均质坝破坏模式影响较大,速度低易发生渐进破坏,速度高则发生漫顶冲刷破坏,而速度中等则易发生突然滑坡破坏,这三种破坏模式间转变是一个逐渐演变的过程,而非突变过程。随着上升速度的逐渐增大,破坏水位也逐渐提高;试验所需时间呈现幂级数减小的趋势;坝顶沉降与时间基本满足三次多项式关系。研究成果可为土石坝及堰塞坝失稳模式的评估提供参考依据。     

土石坝漫顶溃坝模拟分析计算

本文对土石坝的溃坝模式进行了简述,针对土石坝漫顶溃坝模拟分析的概化数学模型编制了计算程序,并结合大洼水库溃坝的工程实例进行数值模拟,与该工程实例的实测数据进行了比较分析,进一步说明土石坝漫坝计算过程中数学模型与假设对计算结果、精度、风险分析的重要性。     

尾矿库漫顶溃决动态演化及溃口展宽模型试验

为研究尾矿库漫顶溃决动态演化过程与溃口发展机理及规律,通过3组相似模型试验,对溃口展宽过程和演变机理进行了系统分析,提出了尾矿坝漫顶模式下溃口展宽速率的幂函数公式,并讨论了库水位上升阶段浸润线的变化过程及溃决阶段不同浸润线埋深条件下流速、流量、溃口宽度的变化过程。研究结果表明：尾矿坝的溃决过程可分为坝面漫流与冲沟形成、坝体崩塌与溃口快速扩张及稳定泄流3个阶段;浸润线埋深对流量、流速及溃口最终宽度有较大影响,排渗失效时峰值流量及溃口最终宽度接近正常排渗时的1.5倍,峰值流速可达1.2～1.3倍;降低浸润线高度可以延缓溃决泥石流到达下游的时间,紧急撤离时间也可延长3 min左右;提出的幂函数公式计算值与实测值吻合较好。     

Flow hydrodynamics in embankment breach

Breaching flow occurs during the breach development of the embankment, dike, earthen dam, landslide barrier, etc. and plays an import role in the breaching erosion as the driving force. According to the previous research, the breaching process can be classified into initiation phase, breach widening phase and breach deepening phase. Based on the breaching development classifications, the breaching flow can be seen as a special compound weir flow when the breach channel is in the relatively equilibrium condition. There were five physical flow models were designed in the hypothesis of rectangular shape and trapezoidal shape for the breach channel cross sections to study the breaching flow characteristics. The distributions of water level and velocity were measured and analysed in the breaching flows in overtopping condition and emerged condition. There were two helicoidal flows above the breach channel slopes and triangular hydraulic jump in the downstream of the breach channel in the overtopping condition and emerged condition. The hydraulic energy loss was calculated according to the breaching velocity and water level distribution in the upstream and downstream of the model. It is found that the test results of the breach flow physical model can be valuable to bring insight of the breaching process of embankment and make contributions to the validations and verifications of breach numerical models.     

凌汛期堤防漫顶溃口破坏规律断面模型试验Ⅱ：非黏性土堤

为了研究凌汛期堤防漫顶破坏溃口发展规律,分别进行了洪水和冰凌条件下的均质非黏性土堤溃决模型试验。结果表明：两种条件下的溃堤过程均可划分为4个阶段：渗透过流、堤后冲刷、溃口展宽和冲淤平衡,各阶段发展速度和形式有所不同;通过分析溃堤过程、溃口宽度以及流速和水位变化过程的异同点可知,两种条件下流速和水位变化趋势基本一致,冰凌条件下峰值流速明显增大且出现时间提前,峰值流速最大可增加81.5%;同一流量下,增大堤顶宽度对流速和水位的影响不大,而减缓堤身断面的边坡能显著降低堤后水位的上升速度和溃口处峰值流速。试验结果有助于认识凌汛期堤防溃决的过程和特点,可为凌汛期非黏性土堤险情防控和抢险措施的制定提供科学的参考。     

无黏性土坝漫顶溃决过程及机理研究

以室内试验为技术手段,以无黏性非连续宽级配沙砾料土坝为研究对象,首次尝试采用"埋入式轻型冲蚀捕捉器"动态记录溃决过程。在上游恒定来流量30 L/s条件下,研究了洪水漫顶条件下坝体(1 m高)的冲蚀过程和溃口水力要素变化过程。明确提出了坝体溃决过程的4个阶段:即侵蚀沟形成发育阶段(下游坡面侵蚀缓慢渐进)→"多级跌坎"冲刷阶段(下游坡面冲蚀能力逐渐加大)→"瀑布状跌落水流"冲蚀阶段(坝体快速溃塌)→坝体冲蚀趋于稳定阶段。初步分析了坝体溃决的机理,揭示了冲蚀过程的非均衡性和溃口水力要素的强非恒定流特性。     

土石坝溃口流量过程分析

基于土石坝漫顶溃决物理过程基础上,综合水库调洪演算、溃口泥沙冲蚀计算和溃口边坡稳定性分析,构建溃口流量过程的数值计算模型。利用该模型计算分析某土石坝水库发生漫顶溃决的溃口流量过程,计算分析结果表明,模型合理,计算精度较好,能反映土石坝溃口流量过程变化特点。     

坝体土料黏粒质量分数对均质土坝漫顶溃决过程的影响

为了研究坝体土料黏粒质量分数对均质土坝漫顶溃决过程的影响,建立了描述均质土坝溃坝溃口发展规律的溃坝数值模型,对实体溃坝案例进行了反馈分析,验证了模型的合理性,并利用该模型重点研究了坝体土料黏粒质量分数对均质土坝溃口发展规律和洪水流量过程的影响。结果表明:坝体土料的黏粒质量分数对均质土坝的溃口发展规律、最终溃口形状以及溃口洪水流量过程具有明显影响,土体黏粒质量分数越高,其临界起动流速越大,冲蚀率越小,均质土坝溃口的发展速率越慢,溃口边坡的失稳坍塌临界深度越大,从而导致最终溃口形状也越小,相应地溃口洪峰流量及最大下泄水量也越小,溃口洪峰流量出现的时间越迟。     

Numerical modeling of earthen dam breach due to piping failure

Based on model tests of earthen dam breach due to piping failure,a numerical model was developed.A key difference from previous research is the assumption that the cross-section of the pipe channel is an arch,with a rectangle at the bottom and a semicircle at the top before the collapse of the pipe roof,rather than a rectangular or circular cross-section.A shear stress-based erosion rate formula was utilized,and the arched pipe tunnel was assumed to enlarge along its length and width until the overlying soil could no longer maintain stability.Orifice flow and open channel flow were adopted to calculate the breach flow discharge for pressure and free surface flows,respectively.The collapse of the pipe roof was determined by comparing the weight of the overlying soil and the cohesion of the soil on the two sidewalls of the pipe.After the collapse,overtopping failure dominated,and the limit equilibrium method was adopted to estimate the stability of the breach slope when the water flow overtopped.In addition,incomplete and base erosion,as well as one-and two-sided breaches were taken into account.The USDAARS-HERU model test P1,with detailed measured data,was used as a case study,and two artificially filled earthen dam failure cases were studied to verify the model.Feedback analysis demonstrates that the proposed model can provide satisfactory results for modeling the breach flow discharge and breach development process.Sensitivity analysis shows that the soil erodibility and initial piping position significantly affect the prediction of the breach flow discharge.Furthermore,a comparison with a well-known numerical model shows that the proposed model performs better than the NWS BREACH model.     

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。