基于GeoDam-BREACH与Graham法的溃坝生命损失估算

应用GeoDam-BREACH工具包模拟了超标准洪水状况下小井沟水库下游的溃坝洪水演进过程,得到水库溃坝下游淹没范围与淹没区水深分布,然后采用Graham法对溃坝导致的生命损失风险进行分析。分析结果表明,小井沟水库发生漫顶破坏时,溃坝洪水对下游产生严重影响,下游村镇有受淹风险;下游溃坝淹没区域的风险人口死亡率较高,并且随着警报时间的减小而增大,从而得出警报时间和风险人口对溃坝洪水严重性的理解程度是生命损失的重要影响因素、应当加强水库大坝的日常巡查工作和预警系统的结论。研究成果为小井沟水库的防洪调度和应急预案编制提供了有效支持,对于同类水库的防洪和安全管理亦具有参考价值。

考虑超标准洪水作用的沥青心墙坝溃决生命损失评估模型

抗冲刷能力更强的沥青心墙坝一旦遭遇超标准洪水,将面临溃决风险,对下游人民造成严重威胁。现有针对沥青心墙坝的溃决生命损失研究尚属匮乏,亟需开展生命损失评估。本文分析超标准洪水作用下沥青心墙坝的溃决特征,考虑生命损失影响因素之间的相互作用过程,基于溃决洪水致灾机制构建生命损失定量评估模型,实现溃决生命损失的快速定量分析;通过方法对比和敏感性分析,明晰不同影响因素对溃决生命损失的作用规律。将模型应用于新疆射月沟溃决案例发现:溃决洪峰流量为3320 m^(3)/s,溃决历时3.35 h,与实际结果相符;生命损失定量模型分析结果为31人,与实际误差在11%以内,优于其他损失模型;风险人口的敏感性指数I_(max)和I_(min)值最大,分别为1.436、0.486,是射月沟溃决生命损失最重要的影响因素,其他依次为洪水严重性、是否撤离、警报时间、淹没范围。

考虑人体与水流相互作用的溃坝洪水生命损失评估模型

溃坝洪水会给下游人民群众造成巨大的生命损失,开展溃坝洪水造成的生命损失风险定量评估对应急抢险救灾具有重要的现实意义。本文在已有生命损失贝叶斯网络HURAM1.0模型基础上,引入了人体稳定性物理模型,考虑人体与水流相互作用关系,对处于洪水中的人先进行稳定性判定,并进行溺水判定,运用蒙特卡洛模拟方法,综合了水深和水流速对生命损失的影响,建立HURAM2.0模型;并将该模型应用于唐家山堰塞坝溃坝洪水生命损失分析。结果表明:HURAM2.0模型建立了水流流速对生命损失影响的定量关系,更精确地刻画了人体在水流中的稳定性和求生能力,相比HURAM1.0模型对较强洪水强度条件下的生命损失预测结果更准确。同时,在本文建立的模型中,除水深度、洪水严重程度变化不大,其余变量的敏感性均有所上升,其中居民区住宅层数、在建筑物中庇护情况和溃坝时长等变量对模型计算结果的最大影响程度分别增加142%、95%和93%,加强了模型在低、中、高3类洪水强度下的解释性,与HURAM1.0相比在贝叶斯反演分析中更占优势。在唐家山堰塞坝溃坝风险分析中,HURAM2.0能区分出不同水流速条件下的生命损失,更符合实际情况,即开挖泄流槽前风险大、死亡率高,在现场勘测和开挖泄流槽后风险及死亡人数大大降低,建议结合预警疏散以降低生命损失风险。

堰塞坝溃决参数及其寿命预测

堰塞坝溃决洪水对下游影响区域的人民生命财产、基础设施以及生态环境构成严重威胁,提高堰塞坝溃决参数及其寿命预测的准确度是应急处置的迫切需求。本文对全球1957组堰塞坝案例分别进行地理、统计学分析,在得到溃决参数主要影响因素的基础上,选取数据库中拥有完整信息的48组案例,利用非线性回归方法分别建立了洪峰流量、破坏深度、溃口顶宽、溃口底宽和溃决时长的预测模型,其均具有较高的拟合程度。之后分析了堰塞坝溃决参数的敏感性,结果显示坝高对溃决过程有显著影响。此外,基于19组寿命信息充分的案例,使用不同自变量和算法分别建立了蓄水阶段持续时间、溢流阶段持续时间的预测模型,并采用加权融合法提出了相应的融合模型。该成果可为量化评估堰塞坝溃决过程参数和寿命预测提供参考。

不同粒组含量下堰塞坝溃决过程的试验研究

【目的】堰塞坝结构松散、颗粒级配范围宽,易发生漫顶溃决,严重威胁上下游人民的生命财产安全。为进一步探究相同粒径范围内不同粒组含量条件下堰塞坝的溃决过程,【方法】以“11.3”金沙江白格堰塞坝为参考原型,开展了溃决模型水槽试验。【结果】结果显示,堰塞坝的溃决过程可以划分为渗流与过流、溯源侵蚀、溃口发展及衰减平衡四个阶段。溃口流速与溃决流量均呈现先增大后减小的过程,但峰值流量滞后于峰值流速。另外,溃决水流冲击力在溃口发展阶段持续增大,在衰减平衡阶段开始下降,而水流重度在溃口发展阶段表现出一定范围内的波动。随着中值粒径的增大,溃决流量峰值减小、峰现时间延迟、溃决水流冲击力峰值减小,下游泥沙淤积区长度变短、厚度变大。【结论】研究结果进一步揭示了相同粒径范围内的不同粒组含量对堰塞坝稳定性、溃决过程和溃决参数的影响,可为堰塞坝灾害的风险评估和应急处置提供参考。

梯级水库群溃坝洪水风险分析——以澜沧江上游为例

梯级水库的建设是开发利用我国丰富水能资源、保障国家能源安全、实现减排目标的重要途径.但是由于部分水库结构老化、地势险峻以及近几年极端天气频发等原因,极有可能造成单坝溃决,继而引起梯级连溃,最终使整条流域系统瘫痪,为下游城镇带来不可估量的经济和生命损失.为准确预测梯级连溃发生后的危险程度及影响范围,基于心墙坝漫顶溃坝数学模型和HEC-RAS软件提出了梯级连溃地貌特征演变及洪水演进计算方法,并应用于澜沧江流域梯级水库RM-XW水电站大尺度连溃分析.结果表明,在遭遇1.4倍超标准洪水的情况下,RM水电站发生漫顶溃决,溃决过程中,心墙发生四次折断,并伴随溃口迅速扩张以及溃决流量激增,最高峰值流量达699986.5 m^(3)/s,溃决洪水演进至下游,使WNL-XW水电站相继发生漫顶.河道距离、坝型特征和坝体物理参数是影响梯级连溃过程中溃决流量大小的重要因素.

两级堰塞坝连溃过程数值模拟及溃口流量演化特征研究

在强震作用下,高山峡谷区易发生滑坡堵江形成串联的梯级堰塞坝,其中一级一旦溃决易引发梯级连溃。本文基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程、湍流重正化群模型,以及悬移质和推移质冲蚀方程,并考虑溃口边坡的失稳坍塌,采用有限体积法建立了梯级堰塞坝连溃过程数值模拟方法,用于模拟连溃过程中的水动力特征及梯级堰塞坝的溃口形态演化过程。选择典型的两级堰塞坝连溃概化模型试验作为数学模型验证案例,对比实测值和计算结果发现,上下游堰塞坝溃口洪水流量过程和溃口形态演化过程基本一致,上下游堰塞坝溃口峰值流量、区间洪水演进时间等关键参数的相对误差小于±5%;比较上下游堰塞坝溃口洪水流量过程发现,梯级堰塞坝发生连溃时,溃坝洪水存在级联放大效应。选择上下游堰塞坝距离、河道坡度和下游坝坝高等三个关键参数,研究连溃洪水的放大效应及其影响因素,参数敏感性分析结果表明:下游坝溃口峰值流量随两坝间距和下游坝坝高的减小而增大,随河道坡度的增长呈先增大后减小的趋势;上游坝溃决洪水演进至下游坝时可能产生涌浪翻越并冲蚀坝顶,导致坝顶高程降低,并对下游坝发生溃决的时间以及溃口峰值流量产生影响,因此涌浪对下游坝溃决过程的影响与涌浪翻越坝顶的水量以及坝料冲蚀特性相关。选择小岗剑上、下两级堰塞坝连溃案例,通过对比计算和实测的溃口流量以及溃口形态发现,关键溃坝参数的相对误差小于±10%,验证了模型在实际案例中应用的合理性,本文提出的数值模拟方法可为梯级堰塞坝连溃风险评估和应急处置提供重要技术支撑。

MIKE软件技术在水库溃坝洪水数值模拟中的应用研究

当前,水库大坝受到超频率的洪水以及强震破坏,而容易导致溃决风险。针对水库大坝溃决相关问题,融合BREACH和MIKE21构建耦合模型,并用于溃坝洪水数值模拟试验。结果表明,7种方案最大下泄流量为方案1的18.39×10^(4) m^(3)/s;方案1洪峰向地点C汇入点的洪水最大流量比邢台坝址下降约44%。方案1的溃坝洪水水位始终最高,A地最高为306m。综合来看,耦合模型在水库溃坝洪水数值模拟中具备有效性,在实际的水库防洪避险中具备实用性。

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。

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。

河谷文明演变与历史滑坡堵江——以金沙江上游卓英村为例

近年来,作者在横断山脉三江并流区开展历史堵江滑坡调查,在金沙江上游发现系列沿江分布的残碉,其中以左岸的白玉县卓英村残碉分布最为集中,共17座,且未见公开报道。这些残碉是一个历史部落或村庄的遗迹,是藏彝走廊历史文化遗存的组成部分。鉴于藏彝走廊研究主要集中在社会科学方面,本文尝试采用自然科学方法拓展相关研究。基于现场调查和地质测年,结合前人工作成果,确定残碉群的建造时间与历史归属,分析历史滑坡堵江事件对河流地貌与河谷文明演变的影响。结果表明:1)卓英村残碉群兴建于1780~1490 a BP,相应的历史年代为东汉末期至南朝时期,按地域极有可能是古白狼国遗迹;2)残碉的修建高程和时间与措拉古滑坡堰塞湖尾部的湖滩高程和溃决时间等具有较好的一致性,湖泊淤积、干热河谷气候、取水便利等为卓英村的兴起奠定了基础;3)约1510 a BP前的一次大洪水事件导致措拉堰塞坝完全溃决,岸坡塌岸引起的耕地逐渐消失,以及取水不便等人居环境恶化是导致卓英村被遗弃的自然因素;4)横断山脉河流历史堵江滑坡引起的河道淤积为民族迁徙提供了良好的通道,也留存了丰富的历史遗迹,类似卓英村残碉的深入研究有望丰富和拓展白狼国与藏彝走廊的研究内容。

基于改进SPH模型的溃坝洪水演进模拟方法

溃坝洪水演进模拟的准确性是制约水库洪水预演有效性的关键。基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)方法提出了适用于溃坝洪水演进分析的数值模拟方法。通过设置溃口粒子与粒子库,基于黎曼不变量对SPH粒子状态进行修正,构建施加边界条件的改进SPH溃坝洪水演进模型,将SPH瞬时全溃整体模型转换为考虑溃口水流变化的入流边界模型,实现SPH方法与溃口计算模型的耦合。以Malpasset溃坝事件为例,检验了该模型计算溃坝洪水的精度,结果表明该模型精度相对较高,与实测值吻合较好;应用该模型模拟了某水库溃坝洪水演进预演过程,评估其对下游输水干渠及交叉建筑物排水倒虹吸的洪水冲击风险,结果表明在上游水库遭遇超标准洪水漫顶溃坝工况下,洪水演进至排水倒虹吸处的最大洪水位未超过校核洪水位。改进SPH模型精度高,可靠性强,与溃口计算模型耦合性好,可作为溃坝洪水演进模拟的通用手段之一。

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。

冰崩涌浪作用下的冰湖溃决过程试验研究

冰崩涌浪是导致冰湖溃决的一个主要的诱发因素之一。通过水槽模型试验,研究了在冰崩涌浪作用下,不同坝体颗粒级配、坝高、下游坝坡坡度对冰碛坝溃决过程的影响,揭示了涌浪对溃决过程的影响机制,并得到了冰碛坝溃决的临界条件。结果表明:冰碛坝存在漫顶溃决、坝坡失稳、管涌破坏3种溃决模式;根据冰崩涌浪对坝体的侵蚀效应,结合溃口的纵向演化过程,将冰碛坝的溃决过程划分为涌浪侵蚀阶段(阶段Ⅰ)、库区小扰动溢流侵蚀阶段(阶段Ⅱ);涌浪过坝后的强水动力条件增加了坝体的侵蚀率,当溃口贯通后,涌浪已基本消散,溃决过程转为正常的溢流溃决,并且涌浪向坝体提供了高频瞬时荷载,削减了坝体稳定性;从动力学的角度提出了冰碛坝临界溃决条件的判定方法;冰湖溃决洪峰流量与坝高和下游坝坡呈现正相关,与坝体中值粒径D_(50)呈现负相关关系。

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。

新疆射月沟水库溃坝过程数值模拟

近年来,由强降雨引发超标准洪水导致小型水库漫顶溃坝的事件在我国时有发生,2018年7月31日新疆射月沟水库发生的漫顶溃坝就是其中的典型案例。因拥有较为详尽的调查资料,对本案进行反演分析具有重要理论意义和工程价值。基于溃坝视频和灾后调查资料,明晰了射月沟水库的溃坝过程,总结了溃坝水流的冲蚀特性。建立了可考虑溃口形态在纵、横断面演化规律的溃坝数值计算方法,并采用射月沟溃坝案例对其合理性进行验证。通过计算值与实测值的对比发现,重要溃坝参数(如溃口峰值流量、溃口最终顶宽/底宽/深度、峰值流量出现时刻)的相对误差均在±15%以内,溃坝模型计算结果具有较高的精度。参数敏感性分析表明,坝料冲蚀系数对溃坝过程具有重要影响,尤其是溃口峰值流量和峰值流量出现时刻;陡坎运移系数对溃坝过程也具有一定影响,决定了峰值流量出现时刻。

基于多源遥感数据的山西省交口县某尾矿库堆载过程回溯与失稳模式分析

2022年3月17日,山西省交口县某铝矿尾矿库发生溃坝事故,造成较大经济损失。为了探究尾矿库溃坝的原因,基于多时相光学卫星立体像对数据和SBAS-InSAR等遥感技术,回溯分析该尾矿库的堆载过程、库容变化和坝体形变,并采用GeoStudio软件Slope/W模块评价溃坝前边坡的稳定性。结果表明:(1)该尾矿库于2019年9月前已堆积至最大库容,2021年12月前在2^(#)坝后方子库堆载至96万m^(3),超出设计库容4.8万m^(3),从而降低了坝体的稳定性;(2)溃坝物源主要来自2^(#)坝以上库区,在2^(#)坝与1^(#)坝之间以及1^(#)坝到沟口区域均主要以堆积为主;(3)该尾矿库溃坝属于典型的渗流场诱发尾矿坝失稳,尾矿加载导致其坝体边坡稳定性安全系数由1.125降至0.991,是该尾矿库溃坝的直接诱发因素。

美国伊登维尔坝和桑福德坝溃坝事故反思

2020年5月19日,受强降雨天气影响,美国密歇根州中部泰塔巴瓦希河上的伊登维尔坝和桑福德坝相继溃决,1.1万名居民紧急撤离,造成约2.45亿美元的经济损失。笔者从水文气象、流域大坝分布、大坝结构和失事过程等方面对溃坝事故进行描述,并从技术层面和管理层面对溃坝原因进行了深入分析,表明非塑性砂土静态液化是事故发生的直接原因。另外,流域大坝连续溃决加剧了事故的严重程度,警示各大坝运行管理单位要健全流域内梯级水电站的联合调度机制,加强与上下游大坝的协调联动,并为暴雨和洪水等突发事件制定相应的应急预案。

堰塞坝溃口及洪峰参数模型评估与优化

由滑坡等失稳地质体快速堆积并堵塞河道形成的堰塞坝溃决后会对下游人民生命财产安全造成极大威胁。建立快速准确的溃决参数预测模型,是制定有效防灾减灾措施的必要条件。本文收集了75例包含坝高、库容、溃口峰值流量、坝体冲蚀系数等参数的堰塞坝案例,基于均方根误差、回归相关系数、百分比偏差三个指标对具有代表性的土石坝和堰塞坝参数模型进行评估。通过回归分析建立新的堰塞坝溃口深度预测模型及溃口峰值流量预测模型,将新建模型与现有模型对比,在实际案例中验证了模型的适用性。研究结果表明:现有模型中单参数、双参数及土石坝模型对于堰塞坝溃决参数预测效果不佳,考虑坝体易蚀性的参数模型具有较高准确性,本文所建新模型预测效果有所提升,使用范围更广,预测结果可为堰塞坝的防灾减灾措施提供参考。

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。