堵江滑坡坝的溃坝方式模拟与环境效应分析

大型堵江滑坡坝的溃坝方式决定了溃坝洪水的流量、演变及其对下游生态、地质的影响。实地调查岷江上游分布的大量古堵江滑坡土石坝后,重点对扣山古堵江滑坡坝形成的地质环境和坝体的几何特征、溃口形态进行了野外勘察,并用坝体土石样品进行了室内大型土工试验。考虑湖水、坝体渗流和岩土体的耦合作用,采用基于有限单元法的数值模拟软件,进行了古堵江滑坡坝的稳定性分析,模拟结果显示,该天然堵江滑坡坝的溃决方式为漫坝瞬时全溃,溃坝洪水将对沿岸及下游地区的生态环境产生巨大的影响。     

不同颗粒级配条件下堰塞坝溃决特征试验研究

为研究坝体颗粒级配对堰塞坝溃决特征的影响,引入平均粒径D50作为主要指标,以不同均值粒径的土体作为研究对象,通过开展不同颗粒级配条件下堰塞坝溃决特征试验,分析堰塞坝体在3种不同工况下的破坏模式和溃决特征。结果表明,1工况3条件下坝体溃决历时是工况1的2.5倍,而溃决洪峰流量减小了约60%,说明坝体平均粒径对坝体的溃决特征有显著影响,平均粒径越大,坝体整体抗冲刷能力越强,溃口发展速度越慢,坝体越稳定,溃决洪峰流量就越小,达到洪峰流量的时间也相对滞后;2平均粒径和渗透系数可拟合成二次函数曲线,随着平均粒径的增大,渗透系数也随着增大;以孔隙水压力的变化特征为依据,把溃决过程分为3个阶段,即上游库水位增加阶段、水流漫顶下渗阶段、坝体溃决阶段。     

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。     

面板砂砾石坝异常状态渗流计算及稳定分析

运用非饱和土渗流与强度理论,把渗流计算的水力条件用于边坡稳定分析之中,对沟后面板砂砾石坝进行了渗流场分析与边坡稳定计算,得到一些新的结论,可补充以前相关的研究结果。计算结果表明:坝料填筑分离造成的渗透各向异性尽管使浸润线升高,但是由于水平排水能力的提高反而使坝体的孔隙水压力总体上降低,从而也就提高了边坡的抗滑稳定安全性;当顶部面板与坝体脱开并导致异常状态渗流时,坝体顶部有一饱和区并且渗流出逸点很高,但坝体中部仍未饱和,异常状态渗流增加的孔隙水压力有限,对坝坡的抗滑稳定影响也很小,因此,按照最高浸润线的位置确定孔隙水压力进行抗滑稳定计算会导致错误的结果;坝顶异常状态渗流增加的孔隙水压力并不会导致下游坝坡滑动失稳,而坝体顶部渗透破坏会导致局部坍塌,最终发生溃坝事故。     

土石坝溃决机理模型试验研究进展

大坝溃决将给人类社会带来巨大的灾难,因此国内外都很关注溃坝问题的研究。由于多数大坝均为土石坝,且土石坝是逐渐溃决的过程,而混凝土坝一般表现为瞬时溃决,因此土石坝溃决机理与溃决过程的研究对于溃坝过程数学模型的建立和致灾后果的评价具有重要的指导意义。自20世纪90年代以来,国内外学者围绕土石坝溃决机理开展了广泛深入的模型试验研究,取得了一系列重要的研究成果。分别从土石坝溃决原因、土石坝溃决机理研究进展、土石坝漫顶溃决模型试验、土石坝管涌溃决模型试验等方面介绍国内外的研究进展。重点针对土石坝坝型(均质坝、黏性心墙坝、面板堆石坝)和主要破坏模式(漫顶溃坝与管涌溃坝),介绍国内外开展的不同尺度的溃坝模型试验,分析研究了土石坝的溃决机理,并对今后的研究工作重点提出了相关建议。     

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。     

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.     

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。     

土石坝渗透破坏过程的一种分析方法

提出了一种描述土石坝渗透破坏溃决全过程的数值模型及数值计算方法,并利用甘肃小海子水库渗透破坏溃坝事件的调查资料对其合理性进行了验证;运用该模型,比较分析了初始渗透通道高程对土石坝渗透破坏溃坝过程的影响。结果发现,初始渗透通道高程对溃口发展过程、溃口洪水流量过程和最大下泄水量具有重要影响,初始渗透通道高程越低,因通道上部坝体发生坍塌而导致的管道流转变成堰流的时间越迟,溃口底部经受的冲蚀也更强烈,最终溃口宽度也更大;初始渗透通道高程越低,溃口峰值流量越小,溃口流量过程曲线更为扁胖,下泄水量也最大。     

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%。     

考虑调洪的一维漫顶不溃与漫顶溃坝过程模拟

建立了一维数值模型,可模拟包括瞬时溃与逐渐溃的漫顶溃坝过程,同时可模拟对于混凝土坝失事来说最常见的漫顶不溃过程;可考虑泄水建筑物的调洪过程对溃坝过程的影响,且针对泄水建筑物不同的布置形式,能够分别模拟位于坝身与岸边的泄水建筑物。以土心墙堆石坝为例,模拟大坝的漫顶逐渐溃过程,分析了溃口流量、泄水建筑物流量的变化过程,可知溃坝发生后,溃口流量急剧增大,泄水建筑物泄量迅速降低;对比分析了不同漫顶原因、溃决形式以及溃决历时下的流量过程。以混凝土重力坝为例,模拟大坝的漫顶不溃与漫顶瞬时溃过程,分析了不同溃决形式下大坝下泄总流量的变化过程,可知溃坝发生后,大坝下泄总流量突增后降低,不同工况下,随着溃口尺寸越大,总流量峰值越大,流量下降的速度越快,稳定时间越短。     

土石坝高聚物防渗墙离心机振动台模型试验研究∗

为研究高聚物防渗墙的抗震性能,开展了土石坝高聚物防渗墙和混凝土防渗墙离心机振动台模型试验研究。在调幅分别为0.2g和0.4g El-Centro地震波输入条件下,通过对墙体动应力、超孔隙水压力、动土压力、坝体加速度、坝顶沉降等数据的采集分析以及试验后的开挖验证,结果发现:强震下高聚物防渗墙的动应力远小于混凝土防渗墙,与坝体加速度响应较为一致,但对动力的传递作用使得下游坝坡承受较大的水平土压力作用。研究表明高聚物防渗墙具有较好的变形协调性及良好的抗震性能,但选用高聚物防渗墙的土石坝应注意下游坝坡的加固处理。     

降雨强度对泥石流起动影响的模型试验研究

利用自制小比例模型槽,采用可控降雨强度降雨模拟器,进行了人工降雨诱发泥石流的室内模型试验,研究降雨强度对泥石流起动的影响,并确定泥石流起动的临界降雨强度。基于临界降雨强度下泥石流的起动过程,对孔隙水压力和坡体内部含水率的变化规律进行了研究,并与现场试验进行了对比。运用Geodog软件对泥石流形成前坡体的位移场进行了分析,研究坡体破坏规律。研究结果表明,泥石流起动的临界降雨强度范围为43~50 mm/h。泥石流发生前存在一个孔隙水压力增加的过程,在泥石流形成后,孔隙水压力急剧下降。降雨强度影响雨水在坡体内部的渗透,是泥石流起动的主要原因。泥石流起动与坡体含水率和饱和度的变化有关,当坡体饱和度超过80%时,产生整体滑动破坏,并迅速转化为泥石流。     

透过型泥石流拦砂坝工程减灾效果分析

为了更好地理解透过型坝的减灾表现,通过对岷江上游、安宁河流域已建的透过型坝开展无人机航测、泥石流取样、室内分析测试等工作,将坝体开口形式分为横向开口、竖向开口、方形开口和混合开口4种类型,研究结果表明：区内透过型坝结构主要以方形开口为主,拦砂坝满库和半库工况占比分别为33.65%和40.38%;回淤纵坡经验值S_dep=(0.31～0.83)S_init,整体都表现出较好的回淤缓坡效果;在调控方面,透过型坝表现出一定的拦粗排细特征,但由于坝体开口较小,其对粒径的分选效果并不显著;透过型坝减灾中存在坝(群)开口参数设计不合理、坝体结构整体性较差、过流结构的磨蚀破坏、坝下游冲刷侵蚀和基础淘蚀破坏以及库内人工清淤不当等问题。研究成果完善了透过型坝的结构分类,加深了对其功能性的认识和理解,明确了工程实践中的问题与不足,可为工程优化设计提供技术支撑。     

泥石流拦砂坝溢流口过流能力实验研究

拦砂坝溢流口过流能力的大小是工程设计中的关键参数之一,也是影响坝体安全的重要设计参数。结合泥石流过流特点,分析推导了拦砂坝溢流口过流能力的参数计算式;在此基础上,通过水槽实验建立了流量系数的经验公式。水槽实验表明,溢流口过流能力随泥石流密度的增大而减小,随沟道坡度的增大而增大,随相对沟道宽度的增大而增大,溢流口位置与沟道中心相对者大,溢流口位置与沟道中心偏离者小。与现有计算方法相比,所提通过理论推导和水槽实验建立起的拦砂坝溢流口过流能力参数计算式,计算结果更为精确可靠,可用于泥石流拦砂坝溢流口设计时的过流能力验算。     

大型铝土排泥库堆石坝地震动力响应分析∗

排泥库是一种具有高势能的人造泥石流危险源,一旦发生溃坝,将对下游群众生命财产安全造成重大威胁,而地震灾害是尾矿坝事故的第二大元凶.采用ADINA有限元软件建立考虑坝库作用动力响应分析计算模型,探究尾矿泥浆物理性质、排放量和坝体尺寸对排泥库堆石坝的动力响应影响规律.结果 表明,坝顶位移峰值随着尾矿泥浆含水量下降呈近似线性降低规律,含水量在120％～80％下降时,位移峰值的降幅明显增大;随着尾矿泥浆排放高度的增加,坝体加速度减小而位移峰值增加,当尾矿泥浆排放液面高于0.4倍坝高时,坝顶位移峰值增幅变大.随着坝体坡比、坝高、坝顶宽度的增加,坝体的加速度峰值减小,位移峰值增加,当坝体高度大于44 m时,坝顶位移峰值增幅明显增大.研究成果可为排泥库堆石坝动力稳定性分析和抗震设计提供理论指导.     

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。     

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。     

唐家山堰塞湖溃坝洪水模型及应用

在资料稀缺、时间紧急的情况下,设计出快速相应的洪水演进递推模型。该模型以水量平衡、水力学公式为基础,在溃坝过程中通过递推方法得出不同时刻坝口变化的过程。同时采用以立波方式传播的洪水波对洪水演进过程进行研究,从而实现对溃坝洪水过程的模拟。最后利用唐家山堰塞湖2008年6月10日的观测数据,使用Matlab软件编程进行了演算,验证了模型的准确性、合理性。     

土石坝震损机理及震害影响因素研究

汶川8.0级地震造成主震区四川省境内1997座水库的坝体、溢洪道、输水管、管理房等水利设施不同程度的损毁,不仅无法实现水利功能,而且面临洪水威胁.汶川地震中土石坝典型震害包括裂缝、滑坡、渗漏以及坝体沉陷等.在调查主震区土石坝地震损毁特点的基础上,分析了均质土坝、面板堆石坝、心墙坝等坝型主要震害产生的原因,阐述了影响土石坝震害程度的诸多因素及其作用方式,控制性因素主要有外部因素如场地类别、地震动参数,坝体内部因素如坝料特性、坝型及坝高、坝坡坡率等.