非均质结构堰塞坝溃决机理模型试验

堰塞坝是由滑坡等失稳地质体快速堆积并阻塞河道而形成的天然坝体,溃决后会对下游人民生命财产安全造成严重威胁。深入开展非均质结构对堰塞坝溃决过程的影响研究,可为堰塞坝灾害的风险评估和应急处置提供重要参考。依托自主研发的水槽试验装置,通过开展不同结构类型堰塞坝的溃决模型试验,分析了均质、竖向非均质和水平非均质结构对坝体溃决的影响。研究发现:1)堰塞坝侵蚀过程受局部区域材料性质影响严重。2)均质坝中,随着中值粒径增大,材料抗侵蚀能力增强,溃决特征先由层状冲刷变为陡坎侵蚀,再变为多级陡坎侵蚀,峰值流量逐渐减小,峰现时间逐渐推迟。3)竖向非均质坝中,坝体上部材料主要影响溃口形成阶段历时和坝前水位;中部材料主要影响溃口发展阶段的溃口下切速率;底部材料主要影响下游坡脚稳定性和残留坝体形态。受溃口加速下切和溃决流量增加彼此间相互叠加影响作用,中部及底部材料分布对峰值流量的影响最为显著。4)水平非均质坝中,坝体内部4个区域对溃口发展的影响不同。过流侧上方材料影响溃决前期的溃口下切速率;过流侧下方、对岸侧上方材料分别影响溃决中后期的溃口下切、展宽速率;对岸侧下方材料对溃口发展影响最小。泄流槽设计时,应考虑非均质结构的影响,基于坝体结构特征采用工程措施限制溃口深切、促进溃口展宽,以降低峰值流量。

滑坡体溃决洪水数学模型研究

滑坡体溃决过程中泥沙运动非常活跃、滑坡体变形速度快,且与水流之间存在着强烈的相互作用。现有水沙数学模型为非耦合模型,在一定程度上忽略了其基本力学特征,难以准确地描述这类物理问题。本文建立二维水沙耦合数学模型,并采用修正的上扬通量公式来描述泥沙运动和滑坡体溃决过程。运用该模型研究了试验条件下上游水流漫顶和淹没过程中滑坡体溃决诱发的水沙变化规律,数值解与水槽试验数据基本一致。研究表明:现有基于恒定均匀条件的泥沙上扬通量公式并不直接适用于复杂水流条件下滑坡体溃决过程,需要进行更深入的研究;滑坡体溃决能够引发强非恒定流甚至激波,传统的对渐变流的数值计算方法难以准确地捕捉该现象,必须采用高性能数值格式:现有经验方法难以准确地计算坝址处流量过程,以此作为边界条件的传统溃坝洪水数学模型未必能够获得准确、可靠的结果。

黏土斜墙式自溃坝溃决水槽试验研究

为研究心墙坡度、心墙相对位置等因素对黏土斜墙式自溃坝溃决过程的影响,探究溃决过程中斜心墙的破坏过程,本研究采用室内水槽物理模型试验开展了6组不同工况的物理模型试验。试验结果表明,黏土斜墙式自溃坝溃决过程可分为5个阶段,以3、4阶段中的堆积体底角淘刷后退、心墙临空面暴露、斜心墙断裂等现象为斜墙自溃坝溃决典型现象;溃决峰值流量随心墙坡度增加而增加,峰值到来时间随心墙坡度增加而缩短;心墙位置偏向下游峰值流量相对较小,峰值到来时间相对较短;心墙坡度对自溃坝外壳横向、纵向侵蚀速率影响较小,心墙坡度主要通过影响心墙临空面高度的形成速率从而影响其溃决过程,心墙临空面高度的形成速率随斜墙坡度增加而增加。在采用自溃式溢洪道用以提高水库防洪标准时,本文试验结果可作为参考通过改变心墙构造进一步提高水库防洪能力。

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。