依据物质组成分布特征的堰塞坝溃决特征

通过模型试验,考虑堰塞坝内部物质分布特征的不同,探讨均匀混合型堰塞坝(UM)、上粗下细型堰塞坝(TCBF)、叠瓦堆积粗叠细型(PCPF)堰塞坝和叠瓦堆积细叠粗型(PFPC)堰塞坝的溃决特征。结果表明:在坝体材料整体颗粒级配相同的情况下,具有不同内部物质分布特征的堰塞坝溃决过程基本可分为渗流侵蚀阶段、溯源侵蚀阶段、溃口发展阶段及粗化平衡4个阶段,但不同坝体在不同阶段呈现明显的差异性。PCPF型堰塞坝渗流侵蚀历时最短,TCBF型堰塞坝渗流侵蚀阶段最长,后者是前者的2.5倍。UM型和TCBF型堰塞坝的溃决过程早于PFPC和PCPF型堰塞坝,UM型堰塞坝溃口下切速率最小,下切过程较匀速;PFPC型堰塞坝在溯源侵蚀阶段形成的侵蚀槽窄而深,在溃口发展初期下切速率最大,可观察到频繁的岸壁崩塌-堵塞溃口-溃决现象;PCPF型堰塞坝在溯源侵蚀阶段形成的侵蚀槽宽而浅,溃口发展阶段后期下切速率最大,下游坡面局部区域易产生滑移。不同堰塞坝条件下溃决洪峰流量放大系数也不同,大小顺序为PCPF<TCBF<UM<PFPC。研究成果表明堰塞坝内部物质组成分布特征对堰塞坝的溃决时间、溃决过程、溃决流量等都有不同程度的影响,在稳定性分析时需要考虑。

基于MIKE11的堰塞坝溃决过程数值模拟

堰塞坝溃决过程数值模拟结果主要取决于水流模型、溃口展宽和溃口泥沙侵蚀。阐述了堰塞坝溃决的基本原理,依托于资料完整的唐家山堰塞坝溃决过程,使用MIKE 11模拟了其溃决洪水流量过程、溃口展宽、侵蚀流速及溃口底高程的冲刷过程,模拟结果均与实测资料接近。通过参数敏感性分析发现,溃口初始宽度和筑坝材料孔隙比对结果影响较大,坝体上下游坡比对结果影响较小,验证了基于物理机制模型的MIKE11在溃坝洪水过程数值模拟中的合理性和稳定性。模拟结果表明,Englund-Hansen泥沙侵蚀方程适用于孔隙比约为0.4、粒径2~8 mm的砂砾石。

堰塞坝的形成机理与溃决风险

基于多座溃决堰塞坝案例的调查,对堰塞坝的形成机制、溃决风险及其影响因素进行分析总结,认为堰塞坝主要是由地震或降雨或火山喷发引起的山体滑坡、崩塌、泥石流所形成,形成方式可概括为滑坡、崩塌、泥石流以及碎屑流,其中滑坡是形成堰塞坝最主要的形式。堰塞坝的工作条件、坝体几何特征以及坝体物质组成和内部结构都与人工土石坝存在明显差别,其溃决的可能性远高于人工土石坝。指出堰塞坝的溃决风险主要取决于上游来水量、坝的拦蓄水量、坝的几何尺寸和坝的结构与物质组成,并讨论了降低堰塞坝溃决风险的应对措施。鉴于堰塞坝极高的溃决可能性与严重的致灾后果,建议今后加强堰塞坝溃决机理、溃坝过程的试验与数值模拟研究工作,提出能合理反映堰塞坝溃口发展规律、溃坝洪水流量过程的数值模型与相应计算方法,为科学预测堰塞坝溃决致灾后果,制定堰塞坝溃决应急预案提供技术支撑。

三种堰塞坝溃口发展及最大溃决流量公式拟合

通过对汶川地震所产生的上百座堰塞湖调查发现,堰塞坝按照其组成大致可分为均质细坝、均质粗坝及分层坝。对三种堰塞坝分别开展了8次漫顶溃决试验研究,根据对溃坝过程的摄影记录,采集到溃口宽度、深度和最大溃决流量等实时试验数据,并以美国水道试验站公式为基础拟合出3种具有针对性的堰塞坝的最大溃决流量公式,该成果可对堰塞湖应急处置、预警、避险等决策提供技术支持。

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。

堰塞坝溃决特征和机理的试验研究

汶川震区泥石流沟道内存在大量地震诱发堰塞坝,溃决后极易形成泥石流,为研究其溃决特征和机理,通过松散堆积堰塞体的临界溃决试验,研究了在不同颗粒级配条件下,堰塞体溃决的临界溃决流量以及堰塞体溃决后的流量,得出:1堰塞体的临界溃决流量随颗粒中值粒径的增大而增大,在相同颗粒中值粒径条件下,临界溃决流量随颗粒的不均匀系数Cu的增大而减小,Cu>50则临界溃决流量趋于固定值;2在上游来水流量较小时,增大来水流量后,下泄洪峰流量略有增加,堰塞体溃决产生的流量占洪峰流量比重较大,而来水流量较小,对溃决后洪峰流量的贡献也较小。

堰塞坝溃口斜坡失稳概率分布函数参数确定及影响因素分析

为确定堰塞坝溃口斜坡在水流侵蚀作用下的失稳概率分布函数,掌握函数变化规律,明确不同因素对稳定性影响强弱程度,开展了数值分析.结果表明:随着侵蚀发展,平均主应力逐渐减小,剪应力逐渐增大,处于破坏面上的剪应力到达峰值点后逐渐减小.概率密度分布函数中参数a随溃口高度和斜坡坡度的增大先增大后减小,随侵蚀深宽比的增大先增大后趋于稳定.随着斜坡坡高的增大,安全系数对小坡高较敏感,斜坡坡度和容重影响下的安全系数具有相同的规律.随着黏聚力的增大,安全系数对小黏聚力较敏感,当黏聚力增大到一定程度,黏聚力的变化对安全系数的变化不敏感.安全系数关于内摩擦角的灵敏度随内摩擦角的增大先减小后增大,侵蚀深宽比对安全系数的影响具有相同规律.

两种溃坝模型在唐家山堰塞湖溃决模拟中的对比

基于唐家山堰塞坝溃决的实测数据,使用BREACH模型及中国水科院DB-IWHR模型,对唐家山堰塞坝溃决过程进行了反演分析,并对两种模型进行参数敏感性分析。研究结果表明:使用针对唐家山的参数,两种模型均可较好地反演唐家山溃决洪水的过程,BREACH模型的下游坡比和孔隙率是对结果影响比较敏感的输入参数;DB-IWHR模型在冲刷参数和下游水深计算两方面做了改善,较好地解决了这一问题;DB-IWHR提供了一个Excel格式的计算软件,数值分析稳定性好,使用简洁客观,可供类似堰塞湖应急处置时参考。

考虑材料冲蚀性沿深度变化的堰塞体漫顶溃决模拟

合理预测堰塞体的溃决过程对于致灾后果评价和防灾减灾工作的开展具有至关重要的意义,但由于堰塞体结构和材料的复杂性,给预测工作带来了挑战。基于堰塞体的地质勘察资料和溃决机理,建立了一个可考虑材料冲蚀特性随深度变化的堰塞体漫顶溃决过程数学模型。模型主要包括水动力模块、材料冲蚀模块和溃口发展模块,并采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟堰塞体溃决时的水土耦合过程。选择拥有实测资料的白格"11·03"堰塞体溃决案例对模型进行验证,模拟结果验证了模型的合理性。参数敏感性分析结果表明,堰塞体材料冲蚀系数对溃口流量过程具有重要影响,堰塞体材料临界剪应力对溃决过程影响较小;另外,开挖泄流槽可大幅降低库容较大堰塞湖溃决时的溃口峰值流量,是一种行之有效的减灾手段。

堰塞坝溃口溃决速率影响因素试验研究

针对影响堰塞坝溃口发展的主要因素制定了试验方案,采用刻度纸以及摄像机全方位地记录不同工况下溃口的横纵断面形成、发展、变化的全过程,以此来分析入库流量、堰塞坝物质组成、坝后坡度、坝顶长度和坝顶开槽宽度等因素对堰塞坝溃口变形平均速率的影响。试验结果表明:堰塞坝的粗沙含量、坝顶长度、坝顶开槽宽度与溃口下切、展宽平均速率最大值呈反相关关系;堰塞坝坝后坡度与溃口下切、展宽平均速率最大值呈正相关关系;上游入库流量与溃决过程初始时段下切平均速率呈正相关关系,与展宽平均速率最大值呈反相关关系,但在整个溃决过程中变形平均速率最大值对入库流量敏感性不强。

利用Flow-3D软件数值模拟堰塞坝溃决过程

利用Autodesk Civil3D软件,根据卫星遥感测绘获取的高程数据,建立唐家山堰塞坝三维数值模型,运用Flow-3D软件,模拟堰塞坝溃决过程,并通过与现场测量的溃口流量过程对比验证模型的合理性。堰塞坝漫顶冲蚀分3个阶段:快速溃口发展阶段、洪峰阶段、溃口发展减缓阶段。在溃决过程中,泄流渠中陡坎处的流速较快,泄流渠两岸冲蚀最深;唐家山堰塞坝溃决过程中,泄流渠有溯源侵蚀现象出现。参数敏感性分析表明:起溃水位对溃决过程影响显著;开挖泄流渠可有效降低堰塞坝溃决时的库水位,从而降低溃口的峰值流量,是控制危害损失的有效方案。

堰塞坝溃决参数模型评估与优化分析

地震、强降雨等引起滑坡堵塞河道形成堰塞坝,一旦堰塞坝发生溃决将产生重大灾害。由于多数堰塞坝自形成到溃决时间较短,处置时间往往有限,因此在应急处置中对堰塞坝溃决关键参数进行快速预测十分重要。采用国内外最新的堰塞坝案例和3个模型性能定量评价指标,对现有的土石坝和堰塞坝参数模型的预测能力进行了评估,针对现有堰塞坝溃决参数模型的局限性,通过回归分析建立了新的相对客观的峰值流量、溃口几何形态、溃决历时等参数的预测模型,并在实际堰塞坝溃决案例中与现有较优模型进行了对比分析。结果表明:现有土石坝模型不适用于堰塞坝的溃决参数预测;在各参数较全面且准确的情况下,现有的若干模型皆有较高的准确性;本文建立的新模型具有相对简单、客观的优点,拥有较好的溃决参数预测能力,预测结果可为堰塞坝应急处置提供参考。

马斯京根系列方法在金沙江“11.03”白格堰塞湖溃决洪水演进中的应用

针对金沙江“11.03”白格堰塞湖溃决洪水问题,采用DB-IWHR溃坝洪水分析模型预测了金沙江“11.03”白格堰塞湖的溃决洪水过程。在此基础上,分别采用分段马斯京根法、分层马斯京根法、非线性马斯京根法演算了白格堰塞湖至巴塘、奔子栏、石鼓及梨园断面的洪水过程,并结合以上断面实测洪水过程进行了精度评价。结果表明,三种方法均可较好地模拟洪水演进过程。分层马斯京根法相比分段马斯京根方法,预测结果在峰现时差及洪峰相对误差指标上相对较优。非线性马斯京根法的预测成果在峰现时差上最为精准,但在各断面实测洪峰预测上偏大较多。研究成果可为今后时效要求较高的堰塞湖溃决洪水演进计算提供理论及技术参考。

堰塞湖逐渐溃决洪水模拟及溃口变化影响分析

堰塞湖溃决一般为逐渐溃方式,溃决洪水与溃口变化关系密切。基于MIKE11水动力学模型和谢任之逐渐溃经验公式,开展了雅鲁藏布江堰塞湖典型溃坝方案下的溃坝洪水复演工作。在此基础上,针对溃口演变形式及演变历时差异,探讨其对溃坝洪水的影响。研究表明:MIKE11模型及谢任之经验公式模拟结果相近,假定的2/3溃坝方案成果可作为溃坝洪水计算的安全阈值;溃口演变形式及历时均对溃坝洪水有一定影响,溃口线性变化下形成的洪峰较非线性变化增加约15.3%～19.5%;洪峰与溃口历时存在非线性关系,溃口历时越短,洪峰越大;溃口大小及演变历时受堰塞体土质影响较大。研究成果进一步加深了我们对堰塞湖溃坝洪水的认识,可为堰塞湖抗洪抢险决策提供技术参考。

云南鲁甸“8.03”地震红石岩堰塞湖应急处置的回顾与思考

2014年8月3日16∶30,云南省昭通市鲁甸县境内发生6.5级地震,震中烈度达Ⅸ度,震源深度12 km。地震引起了山体垮塌,在牛栏江干流形成堰塞湖,堰塞体总方量约1200万m3,严重危及上下游人民生命财产安全及电站安全。笔者就红石岩堰塞湖的处置做了一个简单的回顾,对堰塞体溃坝风险、下游大坝及近坝库岸变形堆积体安全稳定做了初浅的分析,对处置过程中的不足进行了思考,希望从实战中积累经验,为类似事件处置提供借鉴。

堰塞湖柔性防护措施控溃削峰技术研究

针对堰塞湖溃决洪峰过大、堰塞体坍塌过程难以控制等工程难题,通过物理模型试验分别对比研究了常规无防护措施引流槽、石笼串及柔性网链等柔性防护措施引流槽溃决洪水特点,揭示了柔性防护措施与溃决水流协同作用机理。试验表明:堰塞湖溃决洪水过程可划分为溃决初始阶段、溯源冲刷阶段、快速发展阶段以及恢复稳定阶段;柔性防护措施并不改变堰塞湖溃决洪水特性,但普遍能调整堰塞湖局部溃决阶段时长,影响堰塞湖溃决发展过程;布置的石笼串能克服沿程摩阻下滑至引流槽底坡,能有效束缚溃决水流横向展宽掏蚀引流槽边坡,延缓溃决水流横向展宽过程发展;柔性网链能有效延缓溃决水流下切掏蚀堰塞体,延缓溃决水流水头快速上涨。二者联合作用能明显延缓溃决水流横向展宽及纵向下切掏蚀引流槽,减缓堰塞体坍塌,延长堰塞体溃决发展过程,削减堰塞湖溃决洪峰。

堰塞坝溃决机理试验研究

通过水槽模型试验研究了考虑渗流情况下非黏性堰塞坝体的漫顶溃决侵蚀机理。结合试验数据,分析了溃坝过程的同阶段水流条件及坝体侵蚀的相互关系。结果表明:堰塞坝溃决过程分为:Ⅰ渗流侵蚀、Ⅱ初始溃决点形成、Ⅲ溯源蚀退、Ⅳ溃口展宽下切(洪峰过程)以及Ⅴ粗化再平衡5个阶段,溃决发展主要集中于阶段Ⅲ—Ⅳ;溃决洪峰过程与坝顶长度和入库流量相关,坝体长度越短,入库流量越大,洪峰越早越"尖瘦";溃决流量变化与溃口展宽、下切速率相关,溃口展宽与下切同时存在阶段,展宽速率对流量变化的影响更大。另外,对溃决发展过程中展宽和下切的机理的初步探讨表明,斜坡泥沙起动这一机理能够很好地解释观察到的试验现象。

堰塞坝漫顶溃决试验及相关数学模型研究

针对当前堰塞坝溃决试验粒径取值偏低和粒径相差不大的现状,采用两组粒径差别明显的砂样进行了堰塞坝垭口漫顶溃决试验。试验表明,同条件下粗、细两种颗粒坝体的溃决现象有着较明显的不同。垭口挡板提起后,细颗粒坝体以下切侵蚀为主,冲刷强度比较剧烈,坝体较容易发生溃决;而粗颗粒坝体则是以渗流出流形成的溯源冲刷为主,冲刷强度较低,溯源面逐渐向上发展,只有当其发展到垭口下端附近时坝体才有可能迅速发生溃决。试验还发现,下游坝坡对溃决过程的影响比较显著,坝坡越陡,坝体越易溃决,溃口的平均展宽速率也越大。此外以deVries输沙率公式为基础建立了具有物理意义的概念性溃口出流计算模型,并采用试验实测数据对该模型进行了验证,结果表明该模型具有良好的适用性。

堰塞坝漫顶溃决机理与溃坝过程模拟

堰塞坝作为自然作用的产物,由于其自身特点,极易发生漫顶溃决.基于小比尺堰塞坝溃决模型试验与唐家山泄流现场实测资料揭示的堰塞坝漫顶溃决机理,建立了一个堰塞坝漫顶溃坝过程数学模型.模型基于堰塞坝的几何特征和坝料物理力学特性,统一分析坝顶与下游坡溃口的发展,并充分考虑堰塞体沿河流运动方向的形态变化;模型可考虑坝体的单侧与两侧冲蚀、不完全溃坝与坝基冲蚀等溃坝模式.选择唐家山堰塞坝泄流案例对模型的合理性进行验证,通比对峰值流量、溃口最终宽度、峰值流量到达时间等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差在10%以内;另外,计算获取的溃口流量过程和库水位变化过程与实测值基本吻合,验证了模型的合理性;参数敏感性分析结果显示,残余坝高、冲蚀系数等参数对溃坝过程具有重要影响,单侧或两侧冲蚀对溃坝过程影响较小.

金沙江上游“11.03”白格堰塞湖溃决洪水反演分析

2018年11月3日,西藏自治区和四川省交界处山体发生二次滑坡,在原残余的"10.10"堰塞体上形成"11.03"白格堰塞湖并发生溃决.相应的库容为5.79×10~8m^3,溃决洪峰流量达31000 m^3/s.为直观揭示堰塞湖的溃决过程,本文收集相应的地形、水文资料,并对现场采集的堰塞体材料进行了颗粒级配、冲蚀和抗剪强度特性试验.在此基础上采用"水科院模型"和"南科院模型"对溃决洪水流量过程进行反演分析和参数敏感性分析.结果表明,目前有关溃决洪水分析的基础理论、分析方法和程序可较合理地预测堰塞湖的溃决洪水过程.在输入的水力学和岩土力学参数中只有表征冲蚀率与剪应力关系的特征值对洪峰流量有较大影响.本研究成果可为今后同类堰塞湖应急抢险提供技术参考.