堰塞体溃决流量与溃口形态演化数值模拟

堰塞体是山区常见的地质灾害,一旦发生溃决,将对下游人民的生命财产安全构成严重威胁.在应急响应时需要对堰塞体溃口流量过程和溃口形态演化进行快速准确的预测,但目前的溃坝数学模型大多未充分考虑堰塞体的地貌学特征,无法合理反映复杂地形下堰塞体的溃决过程.采用雷诺平均Navier-Stokes方程和湍流重正化群k-ε模型相结合的数值方法,对复杂地形下的溃决水流进行模拟,并利用可考虑推移质和悬移质输移的冲蚀公式模拟溃口冲蚀过程,选择拥有详细勘测资料和水文数据的“11•03”白格堰塞体溃决案例进行反演分析.对比计算和实测的溃口流量过程线、溃决过程水动力学特征及最终溃口断面形态发现,模拟结果可较好地反映堰塞体的实际溃决过程,验证了模型的合理性.

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。

漫顶溃坝溃口变化规律试验研究

渍口的发展决定了尾矿库溃坝演进过程的快慢,从溃口着手研究溃坝发展过程显得尤为重要。通过不同坝高、不同流量下溃口变化规律试验和尾砂起动流速试验,分析了溃口变化机理、过程以及基于起动流速下溃口变化规律,结果表明:整个坝体从开始漫顶至最后稳定,大致可分为相互交叉、相互影响的五个阶段:细冲沟发育阶段;多级“陡坎”形成阶段;大“陡坎”形成阶段;溃口迅速发展阶段;溃决稳定阶段。随着坝高流量的增加,溃口最终宽度和深度也加大,且溃口宽度和深度成正相关发展,并随流量增加,溃口宽度发展越快于深度发展。结合起动流速试验,分析了流量800L/h,坝高19.5cm.26cm下溃口宽度的发展过程,前期水流流速远大于尾砂起动流速,溃口剧烈发展,随着水流流速因过流断面增大而减小,逐渐趋近于尾砂起动流速,溃口发展渐渐稳定直至结束。也验证了通过尾砂起动流速分析溃口变化规律的可行性。

尾矿溃坝砂流流动特性及规律模型试验研究

为提高尾矿库区下游的防灾减灾能力,以北京首云铁矿和尚峪尾矿库为例,开展物理模型试验研究,探究砂流体积分数、溃口形态及下游坡度对溃坝砂流流动特性及规律的影响。试验结果表明,随着溃坝砂流体积分数的增大,砂流到达堆积深度峰值时间越长,峰值就越大;随着溃坝口门的增大,砂流到达堆积深度峰值时间越短,峰值越大,溃口就越大,砂流在下游演进运动的范围就越广,砂流覆盖面积也越大;随着库区下游坡度的增大,砂流到达堆积深度峰值时间越短,峰值越小,下游坡度对砂流演进运动过程及覆盖面积影响也较小。

尾矿库水位变化下的溃坝试验研究

使用自行设计的尾矿库溃坝模拟实验装置,开展了在库水位变动下的尾矿库漫顶溃坝实验,观测了尾矿库的漫顶溃坝过程和溃口的形态发展过程,并对坝体的溃决模式进行了探讨。研究结果表明：在库内水位的上升过程中,坝体下沉密实,坝体自重增加,降低了尾矿砂的强度和尾矿坝的稳定性。在溃坝过程中,溃口的发展主要包括由水流冲刷引起的连续下切加深和溃口边坡失稳坍塌形成的横向展宽。在库内水流漫顶前,坝体因浸润线过高而出现尾砂渗流现象,并且局部出现失稳垮塌,形成溯源冲刷型破坏模式。库内水流漫顶后,水流漫过坝顶不断冲刷坝体而导致坝体溃决,类似于溢流冲刷型破坏模式。研究成果可以为我们对尾矿库溃坝提供更多的认识。

尾矿库漫顶溃坝模型试验研究

根据洪水计算结果、调洪库容和排洪设施泄洪能力进行调洪演算,找出漫顶溃坝的诱因,拟定试验备件,选取洪水频率,确定洪水过程线,再换算成模型试验来水流量-时间曲线。将相似准则适当放宽,重点考虑集积效果相似,试验模型遵循水流重力相似、水流阻力相似、尾矿起动相似和尾矿悬移相似等相似条件。以国内某尾矿库为工程背景,建立试验模型进行溃坝试验研究,分析溃决过程和溃坝机理。尾矿坝漫顶溃坝溃口发展过程主要由"水流冲刷引起的纵向连续下切及陡坎冲蚀"和"溃口边坡失稳坍塌引起的横向间歇扩展"组成,在溃坝初期,水流侵蚀是溃口扩展的主导因素,而在中后期,纵向陡坎冲蚀和边坡失稳坍塌成为溃口扩展的主导因素。

不同黏性均质土坝漫顶溃决破坏试验

为了探究坝体黏土含量、外坡比不同时的坝体漫顶破坏过程,进而分析坝体溃口演变机制。在控制上游流量恒定的条件下(0.2 L·s-1),分别进行了10种工况下的水槽试验,通过观察各工况下的试验过程,总结得出:坝体呈现2种破坏模式,剪切滑塌破坏和重力倾倒破坏;外坡比相同,随着坝体黏土含量的增加,坝体溃决以及洪峰到来所需要的时间也相对延长,在外坡比为1∶1以及1∶2时,坝体黏土含量为100%的洪峰流量到达时间分别为坝体黏土含量为0时的3.6和3.8倍;黏土含量相同,坡度越缓,坝体越不易遭到破坏,洪峰出现的时间也随之延后,在外坡比为1∶2时,坝体黏土含量为0和100%的洪峰流量到达时间分别是外坡比为1∶1的1.5和1.4倍。

无粘性土堤漫顶溃决水流运动试验研究

堤防溃决时溃口附近水流形态及溃决流量变化过程的正确描述是指导溃口堵复及时避险、预测溃堤洪水演进并进一步评估淹没损失的前提条件。通过弯道水槽中的概化模型试验,根据无粘性土堤防漫顶溃决的溃口变化和水流运动特征,将无粘性土堤防溃决过程分为漫流、冲槽、展宽及稳定4个阶段。试验系统研究了堤防溃决后河道以及溃口附近水位的变化过程,研究了河道洪水流量、洪水位和筑堤材料对溃口处水位的影响。基于大量的试验资料,进一步归纳总结出溃决流量与溃口口门宽度及溃口处水头变化之间的关系。

无黏性土堤漫顶溃决口门形态变化试验

堤防溃决发展过程及口门形态变化的正确描述是及时科学地对溃口进行封堵并对决口后洪水演进过程准确预测的重要依据.考虑到堤防漫顶溃决过程与溃决时河道水力条件、堤防型式、材料组成等因素有关,就外江河道存在水流流动的无黏性土堤溃决溃口的发展过程及口门形态的变化规律进行了水槽试验探索.研究结果发现,河道洪水位或内外江水位差是影响溃口展宽发展的最重要因素.河道洪水流量在堤防溃决初期对溃口的发展影响不大,但溃口的最终宽度和深度随洪水流量的增大而增大.对于试验中采用的无黏性土堤材料,颗粒越粗,漫顶溃决初期溃口发展越快,稳定后的溃口最终宽度却越小.另外,试验还给出了无黏性土堤漫顶溃决溃口的最终形态,如内外江侧溃口宽度比、溃口顶部与底部宽度比以及溃口深度与宽度比等.