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%。     

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。     

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。     

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。     

土石坝漫顶过程水力特性分析

土石坝漫顶过程极其复杂,溃决过程研究成果存在诸多争议。采用标准k~ε紊流模型和VOF方法对土石坝水流漫顶过程进行了水气两相流数值模拟,对漫顶过程水流流态、流速分布等进行了详细分析,揭示了坝面切应力分布规律。该规律的发现可以用于解释笔者先前提出的"落点冲蚀"猜想及"剪剥式"冲蚀理论,即漫顶条件下最先发生冲蚀的部位可能在坝坡中上部,漫顶冲蚀以台阶式冲蚀为溃决的主要特征。     

粘性均质土坝漫顶溃决抢护措施

通过分析粘性均质土坝漫顶溃决的原因及其发展机理,对利用直升机投放堵口材料封堵决口这一方案进行探讨,提出了适用于粘性均质土坝漫顶溃决的关键性抢护措施,抢护措施主要有对决口堤头进行裹头处理、直升机投放材料保护跌坎和封堵决口及决口闭气。抢护措施可以提高封堵决口效率、延缓决口发展、为疏散人员和物资财产的迅速转移赢得时间。     

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。     

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。     

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。     

土石坝漫顶溃决过程数值模拟研究

针对水动力条件变化复杂、水土耦合作用强烈的土石坝溃决过程,结合水库调洪演算、清水冲刷以及溃口冲刷侵蚀机理,在Breach模型基础上建立了土石坝漫顶溃口流量过程计算物理模型。结果表明:模型对JP水库大坝溃决过程的模拟,很好地再现了溃决洪水流量过程线、溃口展宽和下切过程,验证了模型的合理性和应用潜力。     

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。     

Experimental study on scour and erosion of blocked dam

This paper presents new experimental data of the erosion rate and sediment transport rate during the processes of dam break caused by overtopping.In order to study the headcut migration,the erosion coe...     

松散及弱固结堰塞体溃坝形式与流量过程

为了研究弱固结与松散堰塞体的不同破坏形式,在四川汶川地震灾区分别进行了松散及弱固结堰塞体在自然溢流条件下的破坏试验。通过对堰塞体溃决流量过程与溃决形式进行分析,发现与松散堰塞体相比,弱固结堰塞体溃坝流量的波动性更弱,溃决流量更小;松散堰塞体的溃口形式为宽深型,弱固结堰塞体的溃口形式为窄深型。侵蚀堰塞体并形成溃口的作用力主要包括因流速分布不均形成的剪应力τv和因水流在跌坎旋流运动时形成的陡坎剪应力τe,其中陡坎剪应力起主要作用,当陡坎剪应力与堰塞体临界剪应力达到平衡时,堰塞体达到侵蚀平衡,破坏停止。