堰塞坝溃决机理与溃决过程模拟技术研究综述∗

堰塞坝是自然作用的产物,在世界范围内广泛分布,具有坝体形态不规则、结构和材料组成复杂且高度非均匀等特点,在上游来流冲刷、渗流潜蚀等外荷载作用下极易发生溃决,对下游人民生命财产安全造成极大的威胁。 为了对堰塞坝开展风险评估和应急处置,学者们围绕堰塞坝溃决机理与溃决过程模拟技术开展了大量的研究工作。通过梳理国内外的研究进展,基于物理模型试验总结了堰塞坝溃决过程的不同阶段,分析了坝体形态、颗粒组成、上游来流量、涌浪等因素对溃决过程的影响;从参数模型、基于溃决机理的简化和精细化数学模型等 3 个方面综述了堰塞坝溃决过程数值模拟技术的研究进展,并介绍了国际上常用的溃坝模拟商业软件;探讨了目前在试验设计、数据收集和软件开发方面存在的问题,建议了未来研究的方向和重点。总体来说,对于堰塞坝溃决机理与溃决过程的模拟还处于起步阶段,目前的物理模型试验和数值分析技术均存在较多简化或假设,未来应充分考虑堰塞坝材料的宽级配和随机特性,以及坝体结构的分层特征。     

堰塞体逐渐溃决数学模型研究

堰塞体是高位岸坡在地震作用下滑坡导致正常河道被堵塞而形成的天然堆石体。根据堰塞体溃决的特点采用有底坡明渠出流形式,结合冲刷率与速度平方成正比的关系建立堰塞体逐渐溃决数学模型。对"10·10"白格堰塞体溃决过程计算分析,结果表明:当冲刷系数α=0.0007～0.0009,糙率n=0.030～0.035时,溃决洪峰流量为8813.04～14087.49m~3/s之间,与实测值相比,洪峰流量误差在32%之内。当采用冲刷率与流速的平方成正比的冲刷方式时,建议冲刷模型系数α在0.0007～0.0009之间选取,可降低计算结果误差。增大泄流槽的糙率n,减少冲刷系数α,可以减少溃决洪峰流量,延缓洪峰流量出现时间。边坡角度θ对于洪峰出现时间、断面最大流速、洪峰流量大小影响都较小。     

泥石流堵塞坝溃决模式实验

为了研究泥石流堵塞坝溃决的模式,采用模型实验对堵塞坝溃决的过程进行模拟,实验历时2个月,共13组.实验中,通过改变主沟的水力参数和坝体参数研究泥石流堵塞坝溃决的全过程,并作了相关记录.通过对理论和实验数据的分析,泥石流堵塞坝的溃决形式有3种:冲刷溃决、有表面流的泥石流堆积体水力再启动、没有表面流的泥石流堆积体重力再启动.讨论了冲刷溃决中颗粒启动和有面流泥石流水力再启动的临界条件,并分析了启动流速u0和颗粒粒径D之间的关系;分析了泥石流重力再启动时堵塞坝坡面破坏的一般形式和特征;通过实验数据对不同溃决形式的溃决条件进行了验证,结果比较吻合.     

古滑坡堰塞坝链生灾害演化过程分析——以巴塘措纳学错堰塞坝为例∗

沟谷型滑坡-堰塞湖-溃决洪水灾害链的影响是工程地质领域一直关注的热点,而其运动过程则主要体现在滑坡堵江形成的堰塞坝地貌形态上。通过野外调查、无人机航拍和模型分析深入探讨了四川省巴塘县措纳学错堰塞坝的形成过程和灾害链运动特征。研究结果表明,研究区空间分布的复杂微地貌反映了滑坡体不同的运动特征,2#滑坡运动区与堆积区交界处滑坡物质由于左旋或右旋剪切运动形成滑坡垄;在堆积区2#III-1由于拉伸运动形成了滑坡台地;同时,在2#III-1边缘由于压缩运动形成了滑坡脊;在与1#滑坡接触碰撞下,滑坡物质发生翻转并倾覆至坝体中央,形成巨型块石组成的甲壳相;在堆积区末端2#III-3子区,滑坡体的径向扩展运动形成滑坡丘。同时通过现场调查分析了堰塞湖回水淹没过程,结果表明,回水淹没77.2 d后堰塞湖面由海拔3 298 m上涨到4 410 m,此时堰塞坝发生溃决。最后,计算了堰塞湖溃决洪水运动参数并对下游演进过程进行了分析,计算得到峰值流量约为27 392 m3/s。     

Attabad滑坡堵江次生灾害对中巴公路的影响

结合Attabad滑坡堰塞坝现场调查、堰塞湖上游来水来沙数据分析结果,利用人工库区泥沙淤积平衡经验关系,分析了滑坡堰塞湖库区泥沙回淤长度与泥沙上延距离;运用溃决峰值流量计算公式,计算了堰塞湖溃口峰值流量,研究了堰塞湖溃决洪水流量沿程变化规律。结果表明:Attabad堰塞湖上游来流中泥沙平均含量约为1.63 g/L,各干支中,干流Hunza河携带的固体颗粒物质是Attabad堰塞湖淤积的主要物质来源,占整个淤积量的77.64%;在堰塞湖水深81.3m情况下,Attabad堰塞湖的回水长度约为18.03 km,因泥沙淤积而导致回水上延4.48 km;利用肖克列奇溃口坝址最大流量经验公式,评估了Attabad堰塞坝1/4溃决、1/3溃决、1/2溃决情景模式下溃决峰值流量,分别为27923 m~3/s、12523 m~3/s、6936 m~3/s。本研究可为堰塞湖库区公路选线设计及下游地区溃决洪水的风险评估提供参考。     

一种滑坡堰塞坝稳定性的快速评估模型

通过搜集110个国内外滑坡堰塞湖的几何形态参数和溃决时间,运用相关性分析、偏相关性分析和正态分布检验,得到87组相关系数小于0.6的自变量组合。基于Fisher判别分析,通过特征值和交叉验证选择出分类能力较强的4组自变量组合。在此基础上,对这4组组合分别建立Fisher判别模型和逻辑回归模型,绘制ROC曲线,选择出最佳的稳定性评估模型。结果显示:影响堰塞坝稳定性的几何形态参数依次为堰塞坝坝高、体积、堰塞湖库容和湖水面积。采用唐家山堰塞坝、红石岩堰塞坝和木鱼镇堰塞坝3个实际案例,验证了评估模型的有效性。该研究可为滑坡堰塞坝应急抢险提供一定的实践指导。     

历史上的一次溃决洪水--1482年沁河流域大洪水

据沁河流域九女台洪水题刻水位及相关历史文献记载,沁河流域1482年洪水洪峰流量极大,历时甚长,与该流域一般洪水过程的差异迥然.通过地貌调查,并利用14C测年等方法,对沁河九女台河段进行了详细研究,发现其1482年高洪水位是梯沟口泥石流-崩塌堆积物堰塞沁河主河道的结果.当年由于降雨,使梯沟流域发生泥石流,并导致沟口右岸岩壁崩塌,形成堰塞坝,造成沁河河道阻塞,过水断面减小,九女台附近河段水位壅高,并保持了近40天的时间,堰塞坝最终溃决,导致沁河下游怀庆府发生严重的洪水灾害.     

泥石流梁式格栅坝泥砂粒径调节试验研究∗

梁式格栅坝是泥石流防治工程中一种常见的透过型拦砂坝，具有拦粗排细的独特功效。通过室内水槽模型试验，探究了梁式格栅坝对泥石流泥砂粒径的调节特性。研究表明，梁式格栅坝在试验工况下均表现出一定的粒径调节作用，但在不同条件下差异明显，对于水石难分的高容重泥石流难以达到较好的粒径调节效果。分析认为，透过型拦砂坝的粒径调节可能是其容重调节的原因，坝体拦截了大部分粗颗粒物质，使泥石流体的结构变化，导致泥石流浆体能悬浮和输移的最大颗粒粒径变小。其次，提出了一种可用于透过型拦砂坝泥砂粒径调节效率的评价方法，并对比分析了该方法与现有常用评价方法的优势与合理性；基于模拟试验结果，通过多元非线性拟合，得到了新评价方法下考虑泥石流性质、过坝前运动状态和坝体尺寸的影响因素的泥砂粒径调节效率计算公式，可为梁式格栅坝设计中粒径调节效率的预测评估提供参考。此外，试验发现，梁式格栅坝泥砂粒径调节效果还受其拦截泥石流时的闭塞表现的影响。     

高拱坝强震开裂及气幕隔震效果研究

为了研究不同地震强度下气幕的隔震及防裂效果,在气幕隔震控制的气-液-固三相耦合数值模型中考虑了坝体混凝土的开裂行为,以某300m级高拱坝为研究对象,在坝基底部输入3种不同强度的地震波,采用有限元法分别模拟坝体含气幕及无气幕工况下的动力响应。结果表明,气幕可以显著降低拱坝上游坝面的动水压力及加速度响应,并使坝体开裂范围减小;随着地震强度的增大,气幕对动水压力和坝体加速度的削减作用均有所增加;气幕厚度为1m时,上游坝面动水压力极值削减幅度超过70%,上游坝面坝顶拱冠梁处加速度极值削减幅度超过50%。     

考虑上游洪水因素下土石坝溃决流量研究

当土石坝坝体上游遭遇超标准洪水时,坝体往往会发生漫顶溃决灾害。为了预测溃口溃决流量,采用逐渐溃决方式和水量平衡原理的方法,对宁夏市旗眼山水库进行模拟。计算结果表明:当溃口扩展到第84 min时,溃口流量达到最大值,为3 284. 75 m3/s,对应的坝前水位1 189. 76 m,总的下泄流量亦达到最大值,为3 404. 75 m3/s;计算得出的土石坝溃口处流量值处于二分之一溃坝和全溃理论计算值之间,较符合土石坝的溃决情况,可以为水库下游防洪预警方案的制定提供参考。适当的增加溢洪道和泄洪洞的泄流能力,可以有效地消减溃坝洪水的峰值流量,并且减少洪峰流量对下游城市的淹没风险。     

考虑流固耦合效应的辽宁葠窝水库溢流坝段抗震性能分析

针对辽宁葠窝水库混凝土重力坝抗震问题,采用耦合的拉格朗日-欧拉有限元分析技术,建立了可考虑库水-坝体-基岩动力耦合效应的典型溢流坝段抗震分析数值模型。模型中,采用等效一致粘弹性边界模拟基岩的人工截断边界;采用混凝土弥散裂缝本构模型模拟混凝土的动力特性。根据烈度与地震动之间的关系,确定了水库坝体抗震设计的输入加速度峰值。据此,分析了在不同季节水位变化条件下坝体地震反应的基本特性。研究表明:完好的辽宁葠窝水库混凝土重力坝溢流坝段能满足8度的抗震设防烈度要求。地震下溢流坝段峰值位移出现在胖坝和瘦坝的坝顶迎水面位置处,胖坝的动位移较瘦坝动位移大。胖坝在闸墩与溢流堰交接处出现了拉应力最大值。有库水条件下,瘦坝峰值拉应力出现在坝趾处,无库水条件下,瘦坝最大拉应力出现在溢流堰与闸墩交接处。     

堤基非稳定水压力传递滞后效应研究

洪水灾害过程中,堤防上游水头快速变化,作用在堤基土体上的水压力是非稳定的。选取常见的堤基砂土作为试验材料,利用自行设计的试验装置,研究洪水灾害时非稳定水头条件下,堤基无黏性土渗径长度、孔隙比、渗透系数以及颗粒粒径等因素对水压力传递滞后效应的影响规律。研究结果表明:土体颗粒粒径越大水压力传递滞后效应越弱,直径>2 mm的细砾土中水压力传递滞后效应基本可以忽略;上游水头水力梯度提升的越快,下游水压力启动和稳定滞后时间越短,但下游水压力恢复滞后时间越长;水压力传递滞后时间与土体孔隙比呈反比关系;下游水压力启动和稳定滞后时间与渗透系数呈对数关系。     

加筋土石坝小型振动台模型试验分析

土石坝振动台模型试验是认识坝体地震破坏过程和检验抗震措施效果的重要手段之一。针对2种坝体材料,利用小型振动台,开展了一系列不同加载工况、不同加筋方式的土石坝小型振动台模型试验。试验结果表明:①2种坝体材料的初始破坏都首先从坝顶开始,表明坝顶是抗震的关键部位,与已有研究成果基本一致;②相同加载条件下,级配较差的碎石料模型坝的抗震性能优于砂砾石料,表明相对于级配,堆石料自身的性质对土石坝抗震性能的影响更大;③由细铁丝网和纱布组成并在坝坡采取包裹处理的复合加筋的抗震措施,抗震效果优于平铺纱布、平铺纱布且在坝坡包裹处理、平铺细铁丝网等的抗震措施。研究成果可供进一步开展土石坝大型振动台模型试验的材料选择、抗震措施设计等参考。     

土石坝振动台模型试验颗粒流数值模拟分析

目前一般采用振动台试验、离心振动台试验和有限元动力分析来获得土石坝在设计地震荷载作用下的形态和抗震性能。本文结合孔宪京等的土石坝振动台试验结果开展了颗粒流细观数值模拟研究,克服了传统连续介质力学的宏观连续性假设,形象而直观地表现出坝体在动力荷载作用下的破坏特征。数值模拟规律与振动台试验规律基本一致。同时还分析了坝体颗粒粘结强度和地震峰值加速度变化对坝体破坏特征的影响。数值结果表明,当颗粒间粘结强度较低时,表现为坝体表面颗粒的滑动破坏,粘结强度稍大时,会出现局部的小块颗粒团整体滑动破坏;随着峰值加速度的增大,坝顶沉降量在增大,坝体破坏特征不变。     

透水型拦挡坝排泄孔开口参数对坝体应力场影响规律研究

基于混凝土塑性损伤模型,建立了透水型拦挡坝三维数值计算模型,根据单因素理论,通过数值计算,揭示了拦挡坝排泄孔及坝趾附近最大拉应力及Mises等效应力随排泄孔高宽比、开孔数量、开孔率及开孔位置的变化规律;并对排泄孔不同开孔率条件下拦挡坝承受的极限冲击荷载进行了研究。结果表明:(1)最大拉应力随高宽比增大先减小后增大,随开孔率及开孔数目的增大基本保持不变,随垂直距离的增大而减小。Mises等效应力随高宽比的增大先减小后增大,随垂直距离的增大而减小,随着开孔率的增大而增大,随开孔数目的增大基本保持不变;(2)开孔会降低坝体抗拉强度且随着开孔率的提高,拦挡坝坝体承受的泥石流冲击力最大值呈降低趋势。该研究成果可为透水型拦挡坝结构设计与优化提供理论指导。     

梳子坝淤砂形态特征试验研究

通过室内水槽试验,探讨梳子坝淤砂的形态特征、淤砂长度和回淤坡度等,初步得到:(1)梳子坝在全闭塞时,淤砂形态与实体坝相似,在淤砂区的前部,淤砂高度大致等于坝体高度,在淤砂区的尾部,都有一个明显的陡坎;梳子坝在部分闭塞时,淤砂形态与不闭塞情况下淤砂形态相似,在淤砂区的前部,都有一个缓坡。不闭塞时形成的缓坡坡度稍大于部分闭塞时的缓坡坡度,但都明显小于水下休止角,表明梳子坝淤砂形态异于狭缝坝。(2)梳子坝淤砂长度与切口宽度有关,大致有随着切口宽度的增大而减短的趋势;切口密度和泥石流浓度对淤砂长度有影响,淤砂长度有大致随切口密度的增大而堆积长度减短的趋势。(3)在相同试验条件下,梳子坝回淤坡度与实体坝相比大致相近,波动范围很小;在相同的切口宽度条件下,切口密度对回淤坡度有一定的影响,同时证明沟床坡度和泥石流的物质级配、容重及规模对回淤坡度也有一定影响。     

非塑性细粒粒径与含量对饱和砂类土强度的影响∗

松散状态下的饱和砂类土受剪切后出现静态液化现象,且受到细粒含量、颗粒级配、固结围压等因素的影响。而目前对于中密状态下砂类土的相关研究鲜有报道,特别对于细粒粒径的影响研究尚少。采用福建标准砂与三种不同粒径的石英粉进行混合,开展了一系列三轴不排水压缩试验。试验中保持所有土样的相对密度相同,相对密度控制为 50%,同时还考虑了细粒含量(FC = 10%,20%,30%)、围压(50,100,200 kPa)等因素的影响。试验结果表明:相同细粒含量下随着标准砂平均粒径与石英粉平均粒径比 R_d的增大(Rd = 10~65.76),最大孔隙比和最小孔隙比均有增大趋势;在细粒含量较低时(FC = 10% 和 20%),峰值偏应力随着 R_d的增大呈现近似线性递减关系,而在细粒含量较高时(FC =30%),峰值偏应力在 R_d达到某个临界值迅速下降,而后基本保持不变或者缓慢下降;中等密实状态的砂类土在高细粒含量的情况下可发生静态液化,且平均粒径比 R_d越大静态液化越容易发生,因此,评估饱和砂类土的强度需要考虑非塑性细粒粒径的不利影响。     

玻璃球模拟堆石料强度和变形特性试验研究北大核心CSCD

堆石料具有显著的颗粒破碎和三维形状特性,该特性对材料的整体强度和变形特性的影响不容忽视。为剥离颗粒破碎和三维形状特性对堆石料强度和变形特性的影响,采用玻璃球来近似模拟堆石料,基于中型三轴仪器分析了颗粒组构对强度和变形特性的影响。结果表明:在颗粒破碎不明显的工况下,玻璃球能够近似模拟堆石料的强度和变形特征,颗粒破碎对试样的强度影响要低于其对体积应变的影响;材料的峰值强度随着颗粒直径的增大而增大,体积应变随着颗粒直径的增大而减小;在孔隙比相近的情况下,颗粒级配的变化对材料的强度影响较小,对体积应变影响较大,小颗粒掺入有助于改善级配和控制剪胀变形。     

玻璃球模拟堆石料强度和变形特性试验研究

堆石料具有显著的颗粒破碎和三维形状特性,该特性对材料的整体强度和变形特性的影响不容忽视。为剥离颗粒破碎和三维形状特性对堆石料强度和变形特性的影响,采用玻璃球来近似模拟堆石料,基于中型三轴仪器分析了颗粒组构对强度和变形特性的影响。结果表明:在颗粒破碎不明显的工况下,玻璃球能够近似模拟堆石料的强度和变形特征,颗粒破碎对试样的强度影响要低于其对体积应变的影响;材料的峰值强度随着颗粒直径的增大而增大,体积应变随着颗粒直径的增大而减小;在孔隙比相近的情况下,颗粒级配的变化对材料的强度影响较小,对体积应变影响较大,小颗粒掺入有助于改善级配和控制剪胀变形。     

单切口坝对稀性泥石流的拦砂性能——试验研究与比较分析

通过室内水槽试验，探讨了单切口坝对稀性泥石流的拦砂性能，并与梳子坝的试验结果进行了比较分析。初步得到：（1）单切口坝有全闭塞、部分闭塞和不闭塞3种闭塞类型。当切口宽度b与稀性泥石流中最大颗粒粒径dmax之比b／dmax≤0．394时，切口全闭塞；b／dmax≥1．478时，切口不闭塞；0．394〈b／dmax〈1．478时，切口为部分闭塞。（2）单切口坝在降低过坝泥石流密度变化量上，与梳子坝有相似规律。对单切口坝而言，b／dmax在0．394～0．739之间，过坝泥石流密度变化量随b／dmax增大而增大，在b／dmax=0．739时，过坝泥石流密度变化量达到最大，其后随着b／dmax的进一步增大，过坝泥石流密度变化量逐渐减小；在0．493≤b／dmax≤0．986之间，单切口坝降低过坝泥石流密度变化量较显著。（3）在相同的试验条件下，以过坝泥石流平均密度及其降低率为防治泥石流的效益指标，显示梳子坝与单切口坝的坝后平均密度的比值大多小于1，表明在相同的试验条件下梳子坝对稀性泥石流的防治效果较好。