爬高型堰塞坝漫顶溃决机理研究

我国西南地区频发的地质构造活动和极端自然灾害诱发了大量的堰塞坝,属于堰塞坝的高发地,其形成的堰塞坝具有突然性强、危险性大的特点,严重威胁所在流域人民的生命财产安全,深入研究爬高型堰塞坝溃坝过程可为除险减灾提供科学理论支撑。为此,以土颗粒级配、背水面坡度、爬高型堰塞坝坝顶形状为影响堰塞坝漫顶溃决的主要因素,从漫顶溃决过程、溃口流量过程、溃口演变过程、溃后残留坝体及下游淤积情况等方面,分析了爬高型堰塞坝漫顶溃决演化过程。试验结果表明:随着土石料级配变宽,坝体整体稳定性增强溃决历时延长,洪峰流量减小,峰现时间较晚,残留溃口上宽小坝体体积大,距坝趾泥沙输移长度短且距坝趾1 m处泥沙厚度薄;背水坡面越陡,水流获得的动能越大,加速了整个坝体溃决过程,溃口扩展得到充足发育,洪峰流量增大,峰现时间提前,残留溃口上宽较大坝体体积小,距坝趾泥沙输移长度长且距坝趾1 m处泥沙厚度较厚;宽深比越大,则溃口相对位置越高,冲蚀阶段所具有的水头差大,加速了坝体冲刷进程,溃口扩展得到充分发育,残留溃口上宽尺度大坝体总量小,距坝趾泥沙输移距离远且距坝趾1 m处泥沙厚度较厚。

基于Flow-3D尾矿库漫顶溃坝过程数值模拟

尾矿库是一个具有高势能的危险源,一旦发生溃坝,将对下游居民的生命财产造成严重威胁。为了提高尾矿库溃坝灾害预测与应急保障能力,以某尾矿库为工程背景,开展尾矿库溃坝的室内模型实验,并结合Flow-3D数值仿真技术对尾矿库漫顶溃坝后尾砂流的演进过程进行深入研究。将室内模型实验和数值模拟结果相互对比,溃坝过程基本吻合,验证了较小缩比尺模型实验的准确性以及数值模拟的可靠性。数值模拟研究结果表明:溃水的淹没高度和断面流量随溃坝时间的变化整体表现为前期快速增长及后期的较缓下降,且随着演进距离的增加,淹没高度和断面流量峰值都明显降低;下游地形影响溃坝尾砂流的流速和演进方向,溃坝尾砂流在下游弯道处出现“爬高”现象,弯道两岸淹没高度不同,弯道凹岸淹没高度高于另一侧;沟谷与河道的连接处,溃水向河道上下游两边扩散,在河道入口处形成“冲积扇”堵塞河道。

堤防漫顶溃决物理模型试验研究进展

随着社会经济的发展,堤防保护区内人口及资产密度不断提高,一旦遭遇极端降雨事件引发堤防溃决,会对人民生命和财产造成重大威胁,因此开展堤防溃决机理和溃堤水流特性的研究对水灾害防治工作具有重要的意义。堤防漫顶溃决物理模型试验是研究堤防溃决机理与溃堤水流特性的重要手段,有必要对该方面众多的成果进行归纳总结,以便更好的开展该领域的研究。本文回顾了近年来有关堤防漫顶溃决物理模型试验所取得的相关研究成果,总结了堤防漫顶溃决试验所用装置及测量设备,并对堤防溃口处水力特征、溃口形态演变以及溃口出流过程三个方面的研究成果进行了梳理。研究发现已有试验成果中对河道内外水动力响应变化规律的认识并不成熟,对堤防溃口水沙运动机理的阐述也不够清晰,继续开展堤防漫顶溃决试验,深入研究堤防溃决机理与溃堤水流特性依然非常必要。

考虑Copula-LM-HMS耦联的台风情境下大坝洪水漫顶风险率计算

气候变化下台风风暴潮出现频次增加,形成的暴雨洪水对水库大坝安全产生极大威胁。由于部分地区实测流量资料缺少,基于雨量资料的随机模型与水文模型耦合模拟洪水过程线的研究亟待发展。针对现有小流域流量资料缺少问题,研究了基于降雨随机模型与水文模型的Copula-LM-HMS耦联模型,来模拟入库洪水并计算水库大坝洪水漫顶风险率。该模型通过Copula函数与拉丁超立方-蒙特卡罗抽样(Latin Hypercube-Monte Carlo Simulation)生成流域多组7日降雨数据,并通过变倍比放大法缩放处理得到相应降雨序列,利用HEC-HMS水文模型模拟洪水过程线并结合调洪演算得到坝前最高水位,同时考虑风浪作用来模拟台风情景下的库水位变化情况,计算大坝洪水漫顶风险率,并分析不同组合条件对洪水漫顶风险率的影响。余姚市四明湖水库实例分析表明,构建的Copula-LM-HMS耦合模型计算得到的拦河坝在未来台风情境下无漫顶风险,自溃坝最小漫顶风险为0.22%,最大漫顶风险达到2.68%;洪水漫顶风险与降雨分布及起调水位有关,同时风浪作用对洪水漫顶风险影响较大。基于耦合模型进行中小流域洪水漫顶风险率计算,不仅能考虑降雨系列之间的相关性、流域地形特征与实际调洪规则,还可延长无流量资料地区水库大坝应对台风情境下洪水风险的预报期,为保证水库大坝应对未来气候变化影响下的运行安全提供参考。

基于复合模型沙的大比尺尾矿库漫顶溃决模型试验

尾矿库是重大危险源且存在溃坝危险,为了更真实地预测尾矿库溃坝造成的影响,定量掌握尾矿库的溃坝过程及其对下游的影响程度,利用细粒尾砂与膨胀珍珠岩按照体积比尺1.5∶1进行混合制作复合模型沙,通过室内试验和水下休止角试验确定复合模型沙的基本可行性;并在满足相似条件的基础上,开展极端状态下的复合模型沙大比尺尾矿库漫顶溃坝试验,分析其溃坝过程、流量过程、断面形态演变过程、浸润线、淹没高程和范围等变化规律。试验结果表明:物理模型试验历时140 min,复合模型沙下泄量占总库容的10.76%,下游区域淤积量占下泄量的95.21%,基本符合漫顶溃坝的实际情况,设计选配的复合模型沙合理,说明该复合模型沙能够更真实有效地还原尾矿库溃坝过程。研究结果为尾矿库漫顶溃坝试验中模型沙的选择提供了新思路。

基于三维有限元的拱坝洪水漫顶探析

针对贵州境内某拱坝洪水漫顶事件,采用ANSYS软件对拱坝应力变形进行三维有限元分析。文章分别计算了拱坝正常蓄水位、校核洪水位及过坝洪水位工况下的应力和变形,并对洪水漫顶时和坝体安全运行情况时的结果进行比对。结果表明:洪水漫顶对拱坝的应力和变形影响不大。洪水漫顶时坝体应力、变形的分布规律与校核水位大致相同,坝体整体工作性态比校核工况略优,但实践中需高度重视洪水过坝引发的次生问题。

混凝土面板砂砾石坝漫顶溃坝数值模拟

通过溃坝案例的现场调查和水槽模型试验,建立了面板砂砾石坝漫顶溃坝数学模型,以模拟水流特性、砂砾石料以及混凝土面板三者之间的相互作用。该模型主要由3部分组成:(1)考虑漩涡水流和砂砾石料之间的冲蚀特性,引入RNG k-ε湍流模型模拟漩涡水流的反向侵蚀;(2)通过泥沙输移公式和流体体积法(VOF法)追踪砂粒与水流侵蚀交界面,并考虑了砂砾石料的孔隙特性;(3)基于弯矩平衡法判定混凝土面板在自重和水荷载作用下的破坏过程。通过水槽模型试验对数学模型进行验证,结果表明,建立的数学模型能够准确地模拟溃决过程中漩涡水流对大坝的反向侵蚀和面板溃口的详细演化过程;该模型计算的溃口流量、堆石体溃口的发展、溃坝历时以及面板的折断长度,与实测数据的相对误差均小于15%,验证了模型的合理性。与参数化模型相比,本研究提出的溃坝模拟数学模型具有更详细的结果。

尾矿坝漫顶侵蚀破坏机理及过程研究进展与展望

洪水漫顶是尾矿库事故的主要类型之一,深入认识尾矿坝漫顶侵蚀破坏机理及过程对于促进尾矿库防灾减灾具有重要意义。为探析尾矿坝漫顶破坏机理,有效预测洪水漫顶事故灾害过程,近年来诸多学者进行了深入研究,涌现出了一系列优秀成果,为尾矿坝洪水漫顶灾害防治提供了科学指导。对国内外尾矿坝漫顶破坏研究成果进行了梳理和归纳,从模型试验、数学模型、数值模拟等方面深入剖析了尾矿坝漫顶侵蚀破坏研究进展,研究结果阐明了漫顶水流作用下尾矿坝溃口发展与尾砂流下泄演进的时空规律,揭示了尾矿坝漫顶侵蚀破坏机理。但也存在诸多不足之处:(1)在物理模型试验方面,目前主要通过单因素试验进行溃坝过程与影响分析,没有充分考虑坝体堆积方式、边界条件、材料力学特性等多因素耦合影响,导致试验结果与实际情况存在较大误差。(2)在数学模型分析方面,现阶段仍借鉴土石坝的理论与公式,但尾矿坝与土石坝存在结构形状、坝体材料、堆筑工艺及库容等区别,形成的泥石流性质也存在各种差异,得出的结论与真实尾矿坝漫顶溃坝存在较大误差;其次目前的尾矿库漫顶溃坝预测数学模型均考虑的是未加筋尾矿坝的洪水漫顶破坏预测,而筋带对尾矿坝的洪水漫顶溃口发展将具有重要影响。(3)在数值模拟计算方面,由于地形实测资料存在精度偏差和缺少相对应的大尺度模型试验验证,导致其计算结果的可信度难以保证。针对以上问题,展望了未来的研究方向:(1)采用多尺度试验模型,将大尺寸模型试验与小比尺试验相结合进行探究与相互验证;(2)研制更为精密的新型土壤采集仪器获取土壤侵蚀系数,完善现有的土壤侵蚀速率模型;(3)以多因素耦合作用下的尾矿坝漫顶溃坝侵蚀过程的模型试验为基础,开发更为完备的数学模型进行数值模拟计算。

均质黏土坝漫顶缩尺模型的相似性优化试验研究

为进一步研究土石坝漫顶溃坝模型与原型之间的相似性问题,从均质黏土坝在水流冲刷作用下的起动极限状态分析入手,提出调整筑坝压实度来降低缩尺模型坝的抗冲刷能力,进而达到漫顶溃坝过程相似性优化的设想。基于黏土的抗剪强度及黏聚力会随着压实度的降低呈非线性减小,以某土石坝工程的漫顶溃坝分析为原型,开展了不同压实度和几何比尺条件下的均质黏土坝相似漫顶流槽试验。结果表明:采用与原型黏土坝相同筑坝密实度的模型坝溃决过程与原型完全不相似,模型与原型之间的差异性会随着几何比尺的增加而愈发明显;适当减小黏土模型坝的压实度能够显著提升模型坝与原型在溃坝形态、溃决时间等溃坝过程相似性。

堰塞坝漫顶溃决离心模型试验研究

基于南京水利科学研究院400g·t溃坝离心模型试验系统,利用其高速旋转产生的超重力场的“时空放大”效应,开展离心模型试验研究了堰塞坝漫顶溃决时的溃口演化规律和溃决机理。首次通过离心模型试验研究了坝高、下游坡比、坝料级配对堰塞坝漫顶溃坝过程的影响。试验结果表明:堰塞坝漫顶溃坝过程可划分为表层冲刷、溯源冲蚀、沿程侵蚀和溃口稳定4个阶段;溃口峰值流量对坝高最为敏感,平均粒径次之;达峰时间主要受下游坡比影响,溃坝后相对残余坝高主要受平均粒径影响。

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。

尾矿坝漫顶溃决溃口纵向演化与侵蚀试验

通过3组不同入流量下的水槽溃坝试验,对尾矿坝漫顶溃决溃口的纵向演化过程进行了系统分析,讨论了侵蚀率和切应力之间的关系。结果表明:尾矿坝漫顶溃决溃口纵向表现为陡坎侵蚀模式与支点旋转侵蚀模式;溃决流量和密度都呈先上升后下降的趋势,但水砂流密度波动较大;不同入流量影响各阶段大坝的侵蚀率,对阶段1侵蚀率的影响最小,对阶段2侵蚀率的影响最大,最大侵蚀率随上游入流量的增加而增大,但是不影响沿坝床侵蚀率的相对变化;坝体上土体的抗侵蚀能力不仅与坝体材料强度相关,还与坝体上流体的密度关系密切。

基于动态模拟的尾矿库漫顶溃坝模型分析

我国拥有为数众多的尾矿库,伴随而来的尾矿坝安全问题日益突出。针对尾矿库漫顶溃坝风险,构建了尾矿库漫顶溃坝的动态模型,运用流水动力学方程模拟了溃坝水流过程,利用土体稳定理论对溃口横向宽度变化和崩塌过程进行了描述,并用浅水方程对洪水演进过程进行模拟。通过数值模拟计算,结果表明所建立的模型能够很好的模拟出堤防溃口处的展宽、崩塌情况、刷深和溃口周围冲刷坑发育变化过程和水流规模等具体信息,为溃坝发生后堵口方案提供了技术支撑,同时也为预防和应对相应的次生灾害提供了分析工具。

小流域水利工程洪水漫顶风险概率分析模型

为了提高小流域水利工程洪水漫顶风险信息贡献率,减少洪水漫顶风险,以确保小流域水利工程设计与应用的安全性,研究小流域水利工程洪水漫顶风险概率分析模型。从技术风险、管理风险与自然环境风险3个方面出发,选取工程设计风险、材料风险、管理组织风险、滑坡风险、持续恶劣天气风险等14个风险指标构建洪水漫顶风险指标体系,并构建相应的判断矩阵,采用特征值法计算指标的主观权重,通过熵权法计算指标的客观权重,利用均衡函数自动调整主观权重与客观权重,获取新的整体变权权重,生成权重集。根据指标层内各指标的权重集与隶属度矩阵,获取风险概率评判集,结合评分集确定目标的洪水漫顶风险概率。结果表明,该模型内的指标体系信息贡献率均值约为96%,目标的洪水漫顶风险概率均呈现明显下降趋势,符合实际情况。

土石坝漫顶溃决及洪水演进研究进展

土石坝漫顶溃决往往在其下游产生巨大的洪水灾难,研究坝体溃决及洪水演进是防灾减灾的需要。对土石坝漫顶溃决过程现象、机理及其模拟的研究进展进行了综述。讨论了物理模型试验的尺度设计,总结了不同尺度、不同类型、不同条件溃坝试验的研究成果;按照参数模型、简化物理模型、精细物理模型,分类总结了漫顶溃坝数学模型研究进展;阐述了溃坝洪水演进方面的试验与模拟研究。在此基础上,对该研究领域今后的研究工作提出了若干展望,包括河道边界对溃坝过程及溃坝洪水传播过程的影响、非均质土石坝溃决机理、溃坝过程中挟沙水流冲蚀规律、溃坝下游河床的冲淤调整及泥沙分选、溃坝对水生态环境的冲击影响等。

基于HEC-RAS的淮河淮南段洪水漫顶风险分析

淮河淮南段聚集了大量的人口、工厂、农田、建筑物等,一旦发生较大规模的洪水,将对人民生命财产安全造成严重威胁。运用HEC-RAS软件和HEC-GeoRAS模块,在GIS环境中,模拟现有防洪工程条件下淮河淮南段在40年、60年及100年一遇洪水周期下的洪水漫顶淹没情况,得到不同横断面的设计水位线、漫顶淹没的范围、淹没水深等数据。洪水漫顶模拟结果表明:淮河淮南段的防洪堤坝能够抵御40年、60年一遇的洪水,基本能抵抗100年一遇的洪水;模拟水位与设计水位吻合度高,基于HEC-RAS的洪水漫顶模拟合理可信,可为防洪预警、制定人员疏散方案及洪水灾害风险分析等方面提供依据。

尾矿库洪水漫顶溃坝演化规律试验研究

为分析尾矿库洪水漫顶溃坝的演化规律,采用物理模型试验方法建立尾矿库漫顶溃坝演化模型。在自主研制的尾矿库溃坝模拟试验平台上,以国内某尾矿库为研究对象,基于非恒定水流泥沙非平衡非饱和冲刷机理,根据模型相似理论和溃决侵蚀模型原理,模拟尾矿库洪水漫顶溃坝过程,建立尾矿库漫顶溃坝演化模型。试验结果表明,尾矿库洪水漫顶溃坝位移与坝体饱和程度有关,坝体浸润线越高,尾矿库溃坝时滑动位移越大,溃口破坏程度取决于溢流对坝体的冲刷侵蚀作用;在该试验条件下,获得尾矿库洪水漫顶溃坝过程中坝体位移、浸润线高度、溃口最大流速和溃口的演化规律。降低坝体浸润线高度、增大安全干滩长度、铺设坝面引流明渠等措施有助于减少尾矿库洪水漫顶溃坝的灾害破坏。

堰塞坝漫顶溃坝离心模型试验研究

基于唐家山堰塞坝坝料级配曲线,建立相应的物理模型,开展堰塞坝漫顶溃坝离心模型试验,并推导离心场下矩形薄壁堰堰流计算方法。详细分析了堰塞坝漫顶溃坝过程及溃决机理,同时根据试验得出的堰塞坝溃口流量及溃口顶宽发展过程曲线,对溃决机理研究结果做出进一步验证。结果表明:堰塞坝漫顶溃坝过程中,溃口横向扩展贯穿始终,由于大粒径颗粒在下游坝坡的残留,溃口下切发展停止时间较早,溃坝后期下游坝坡存在明显的粗化现象,且堰塞坝溃坝后较少出现全溃的情况,一般都存在一定的残留坝高,其最终溃口尺寸也应小于相同条件下的均质土坝。

混凝土面板砂砾石坝漫顶溃决过程数值模拟

基于混凝土面板砂砾石坝溃决机理,提出了一种模拟其漫顶溃决过程的数值计算方法。该方法针对砂砾石料级配范围宽,最大颗粒与最小颗粒粒径相差大的特点,引入与水流方向垂直的附加作用力来考虑粗颗粒对细颗粒的阻拦、遮蔽以及细颗粒对粗颗粒的包围、填实等作用,导出了能较为合理反映砂砾石料特性的临界起动流速;建议了一个砂砾石料的冲蚀公式,给出了面板折断时间与坝体冲蚀量之间的数学表达式,较为合理地确定面板的折断时刻。利用该方法对青海省沟后水库面板砂砾石坝的溃决过程进行了模拟计算,得出的溃口发展规律与溃坝洪水流量过程与溃坝调查结果大体相符,验证了其合理性。