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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.