堰塞坝漫顶溃口流量变化过程的数值模拟

根据一般滑坡堰塞坝特点和实际观测到的堰塞坝溃口发展规律建立了一个溃口扩展模式,并将溃口扩展过程归纳为溃口垂直下切、横向扩展和坝坡溯源冲刷3种主要表现形式,采用通过试验资料建立的高强度泥沙冲刷计算公式将这3种表现方式联系在一起,建立了堰塞坝逐渐溃决数学模型,并利用实测溃坝资料验证了模型的可靠性.考虑到溃坝洪水计算的极大不确定性,本文对计算模型中的关键参数给定一定变幅范围进行计算,研究了其对计算结果的影响.研究结果表明,堰塞坝残留坝体高度和坝体物质抗冲性是影响溃坝流量的最重要因素,库容特性的影响相对较小.     

堰塞坝漫顶溃决过程及其受组成结构的影响

以四川茂县宗渠堰塞坝为原型,以几何相似比1〖DK(〗∶〖DK)〗100进行堰塞坝漫顶溃决模型试验。通过模型试验揭示了堰塞坝漫顶溃决的动力学过程,即下游坡面侵蚀、冲沟侵蚀、陡坎稳定侵蚀、陡坎加速侵蚀、陡坎减速侵蚀和常态化过程6个阶段。通过对比试验,揭示了坝体密度和级配特征对溃决速率以及溃口形式的影响机制,即坝体密度通过颗粒间剪切作用于溃决过程,密度更大的坝体溃决更慢,形成中轴线处窄浅的“矩形”溃口;坝体级配通过孤粒起动作用于溃决过程,级配更粗的坝体溃决更慢,形成中轴线处宽浅的“倒梯形”溃口。     

某堰塞坝冲刷溃决数值模拟分析

堰塞坝发生溃决破坏会严重威胁下游人民的安全。为降低其对下游的威胁,文章以黑西洛沟滑坡-泥石流-堰塞湖灾害为例,通过Flow-3D软件对坝体溃决过程进行模拟,得到流速特征及溃口冲淤情况。结果表明：泄流过程中,溃口逐步扩展,坝体下游出现侵蚀破坏,随后溃口向上游发展;泄流槽末端最大流速达到17.5m/s,溃口迅速下切,冲刷深度达25.7m。坝体下游出现淤积,淤积高度达8.4m。溃决过程中,跌坎不断向上移动,发生溯源侵蚀。研究成果有助于深入分析黑西洛堰塞坝溃决过程及机理,为今后处置堰塞体提供支持。     

金沙江白格堰塞坝自然泄流冲刷溃决过程数值模拟

堰塞坝冲刷溃决及溃决洪水演进过程十分复杂,其溃决洪水对下游人民生命财产构成巨大威胁。利用数值分析方法对大型滑坡堰塞坝的溃决演进过程进行模拟和重演,对堰塞湖下游的避险与防灾减灾具有重要指导意义。以2018年金沙江"10·11"白格滑坡堰塞湖为例,基于无人机获取的地形数据,建立白格滑坡堰塞坝的三维数值模型,采用Flow-3D软件对堰塞坝的自然泄流冲刷溃决过程进行模拟,分析泄流槽内的流速、冲淤变化特征以及下游溃口处的洪峰流量演变过程。模拟结果表明:堰塞坝漫顶冲刷可以划分为溃决冲刷前、溃口快速拓展阶段、洪峰时刻、溃口稳定发展阶段4个时间段;溃决泄流过程中,泄流槽斜坡道上的水流流速较大,冲刷深度最大,堰塞坝下游出现明显淤积;白格堰塞湖溃决过程中出现了明显的溯源侵蚀现象,在泄流槽不断下切的过程中,泄流槽跌坎不断向上游移动。模拟结果有助于进一步深化对金沙江"10·11"白格滑坡堰塞坝冲刷溃决过程和机理的认识,对于堰塞湖应急处置措施和科学避险方案的制定具有一定的参考价值。     

堰塞坝泄流冲刷平衡形态的影响因素研究

根据模型试验观测可知,堰塞坝泄流过程大致可分为溯源冲刷、下切展宽、粗化稳定三个阶段,冲刷稳定后床面形态可分为头部粗化区、细沙落淤区、粗化床面区、推进细沙区、原河道区.分析不同入库流量、坝体级配、坝后坡度对堰塞坝泄流冲刷平衡形态的影响,结果表明:入库流量对堰塞坝泄流冲刷平衡形态影响不大,而坝体级配、坝后坡度对堰塞坝泄流冲刷平衡形态有较大影响.     

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.     

堰塞坝溃决模拟研究综述与展望

堰塞坝几何形态、粒径级配和库容决定了其溃决机理的复杂性,而溃决过程的精细模拟和峰值流量的准确预测是应急处置的基础和关键。堰塞坝溃决过程与模拟技术是面向国家防灾减灾重大需求的前沿热点问题。在系统梳理国内外试验和数值模拟研究进展的基础上,指出以往试验研究坝体尺度小,足够大的库容基本未模拟,难以显示最终溃口形态;数学模型假设过多,物理机制不健全,均有待发展完善。提出了下阶段大尺度模型试验研究的方案与思路,重点阐明堰塞坝破坏机制与溃口演变完整规律,揭示溃口发展物理全过程。同时,建议开发能够模拟全场和溃决全过程的平面二维水沙耦合数学模型,摈弃长期以来对溃口流量、溃口形状、边坡坡度、残留坝体高程、溃决时间等的事先假设,而将其视为水沙床耦合数学模型数值解的一部分,以期提升堰塞坝溃决模拟水平和预测精度。     

堰塞坝慢顶溃决流量过程数值模拟

堰塞坝的溃口流量过程是堰塞湖应急处置与风险管理的关键问题，采用数值模型计算分析堰塞坝溃口流量过程的关键是正确模拟溃口形成机理。本文在前人工作基础上，根据一般滑坡堰塞坝特点和实际观测到的堰塞坝溃口发展规律建立了一个溃口扩展模式，将溃口扩展过程归纳为三种主要表现形式，采用试验资料建立的高强度泥沙冲刷计算公式将溃口冲刷的三种表现方式联系在一起，建立堰塞坝逐渐溃决数学模型，利用实测溃坝资料验证了模型的可靠性。考虑到溃坝洪水计算的极大不确定性，对计算模型中一些关键参数给定一定变幅范围研究了这些参数对计算结果的影响。     

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。     

唐家山堰塞坝溃坝可能性及冲刷形式初步分析

结合已有资料和研究成果，统计分析了堰塞坝可能的溃坝方式，分析表明，洪水漫坝和坝体渗透破坏或基础渗透破坏是造成堰塞坝溃坝的主要原因。进一步对唐家山堰塞坝堰体物质抗冲能力、突溃与渐溃可能性和堰塞坝渐溃的可能模式等逐一进行了分析。分析认为，由于该堰塞坝规模巨大，且上游坝坡较缓、下部结构较密实、整体稳定性较好，不存在整体溃决的危险，溃决过程是逐步渐变的，不会发生瞬时溃决。     

Flow hydrodynamics in embankment breach

Breaching flow occurs during the breach development of the embankment, dike, earthen dam, landslide barrier, etc. and plays an import role in the breaching erosion as the driving force. According to the previous research, the breaching process can be classified into initiation phase, breach widening phase and breach deepening phase. Based on the breaching development classifications, the breaching flow can be seen as a special compound weir flow when the breach channel is in the relatively equilibrium condition. There were five physical flow models were designed in the hypothesis of rectangular shape and trapezoidal shape for the breach channel cross sections to study the breaching flow characteristics. The distributions of water level and velocity were measured and analysed in the breaching flows in overtopping condition and emerged condition. There were two helicoidal flows above the breach channel slopes and triangular hydraulic jump in the downstream of the breach channel in the overtopping condition and emerged condition. The hydraulic energy loss was calculated according to the breaching velocity and water level distribution in the upstream and downstream of the model. It is found that the test results of the breach flow physical model can be valuable to bring insight of the breaching process of embankment and make contributions to the validations and verifications of breach numerical models.     

加筋无黏性土石坝漫顶溃坝试验研究

研制了封闭式循环供水土石坝溃坝模型试验装置,并应用该装置开展了室内模型试验,对加筋无黏性均质土坝的溃坝过程进行了系统研究,探讨了坝体加筋对溃坝流量过程线的影响规律。研究结果表明:在水泵出水口设置消能弯管和挡水隔板可保证模型上游供水的稳定性,在试验装置侧面设置连接上下游的U型测流弯管,把明渠流转化为满管管流,在U型弯管下侧平直段安装电磁式流量计量测溃口流量,可有效提高流量过程线的测量精度;加筋无黏性均质土坝的漫顶溃坝过程可分为坝体下游未加筋区域、加筋嵌固区和上游未加筋区域破坏3个阶段;随着加筋体埋深的增加,峰值流量呈现先增大、后减小,再增大的变化规律,在坝高的35%~50%范围内埋设加筋体,能够降低溃坝峰值流量;减小加筋体竖向间距能有效延滞溃坝峰现时间。     

均质土坝漫顶溃坝过程数学模型研究及应用

国内外大量模型试验表明,"陡坎"式冲蚀是均质土坝漫顶溃决的重要机理。近年来,各国学者开发了一系列的考虑"陡坎"式冲蚀的溃坝过程数学模型,但模型均采用了"陡坎"出现在下游坡脚的假设。通过大比尺均质土坝漫顶溃决模型试验发现,对于坝高较大的均质土坝,"陡坎"出现的位置与漫顶水头和下游坝坡坡比存在内在联系,且"陡坎"的移动速率与坝料的物理力学指标相关,因此初始冲坑的位置和"陡坎"移动参数的选取对于溃坝过程模拟结果的合理性具有重要意义。本文借鉴国内外的漫顶溃坝过程数学模型,提出一个可考虑均质土坝漫顶溃决过程中"陡坎"移动的数学模型。该模型通过漫顶水流特征和坝体形状参数确定下游坡初始冲坑的位置,采用能量分析方法模拟"陡坎"移动,并通过室内与现场模型试验提出可考虑坝料黏粒含量、含水率、干密度等指标的"陡坎"移动参数;利用基于水流剪应力原理的冲蚀速率公式模拟溃口纵向下切与横向扩展;采用宽顶堰流量公式计算溃口流量,通过极限平衡法分析溃坝过程中溃口边坡的稳定性,采用迭代的数值计算方法模拟整个溃坝过程。选择国内外典型的大比尺均质土坝漫顶溃坝试验和有实测资料的溃坝案例对模型进行验证,并研究了是否考虑"陡坎"冲蚀对溃坝模拟结果的影响;通过模型计算分析可以得出,本文提出的数学模型可合理模拟均质土坝的漫顶溃坝过程。     

土石坝溃坝离心模型试验中水流控制与测量

针对目前土石坝溃坝离心模型试验中存在的问题,研发了一套伺服水阀流量控制装置,显著提高了土石坝溃坝离心模型试验上游来水条件的控制精度,有效降低了模型试验结果的不确定性;建立了土石坝溃坝离心模型试验的水流相似准则;提出了一种采用内置于模型箱端板上的薄壁矩形量水堰测量土石坝溃坝离心模型试验中溃坝洪水流量过程的方法,并通过超重力场下的放水试验,证明了薄壁矩形量水堰的流量系数与离心机加速度无关,采用内置于模型箱端板上的薄壁矩形量水堰可准确测定土石坝溃坝离心模型试验中的溃坝洪水流量过程。     

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。     

Dam- Breach Hydrograph Modelling: An Innovative Semi- Analytical Approach

The delineation of the areas exposed to flood hazard caused by a dam existence upstream and its possible failure needs a thorough analysis of the hypothetical dam break incident. The study presented in this paper focusses on the simulation of the dam breach formation and the calculation of the resulting outflow hydrograph using a semi- analytical approach. More specifically the method presented addresses the dam break incident of an embankment dam caused by overtopping. The analysis is based on the assumptions of constant vertical erosion rate for the formation of the breach and the parabolic shape of the breach. Two solutions are presented dependent on whether the capacity of the reservoir is considered prismatic or it is a power function of the water depth in the reservoir. Finally the proposed method is illustrated through the analysis of a hypothetical dam break incident.     

坝体溃决过程与溃坝洪水演进耦合数值模拟

研究坝体的溃决过程与溃坝洪水演进对于处置由溃坝引起的洪水灾害、提升水利安全具有重要的意义。鉴于目前大多模型均将坝体溃决过程与溃坝洪水演进分别进行模拟,不能反映土体与水流相互耦合的特点,模拟结果精度有限。基于对土体有限抗冲能力的考虑,选取双曲线型冲蚀速率表达式描述坝体冲蚀、采用简化Bishop法搜索临界滑裂面描述溃口边坡坍塌和具有总变差不增特性的MacCormack有限体积法离散控制方程,建立了坝体溃决过程与溃坝洪水演进耦合的平面二维数值模型。实际算例表明模型合理地模拟了溃口的发展过程与洪水演进过程,在溃口急缓流转换区展现了较强稳定性,守恒性良好,可作为溃坝洪水风险评估与洪灾预报的有力工具。     

不同沟床坡度堰塞坝溃口下切过程试验研究

为了解堆积于不同坡度沟床上的堰塞坝溃口下切过程,开展了7组不同沟床坡度(7°,8°,9°,10°,11°,12°,13°)的水槽试验。试验结果表明:堆积于不同坡度沟床上的堰塞坝在漫顶溢流破坏模式下具有相似的溃口下切过程,具体可分为3个阶段,即溃口贯通阶段、加速侵蚀阶段、减速侵蚀阶段。不同沟床坡度条件在一定程度上影响溃决的加速侵蚀阶段,当沟床坡度≥9°时,加速侵蚀阶段以下切侵蚀为主、溯源侵蚀为辅的特征现象被削弱;溃决历时与沟床坡度呈非单调关系,随沟床坡度的增加呈现出先减少后增加的变化趋势;平均下切侵蚀和溯源侵蚀率与沟床坡度呈非单调关系,随沟床坡度的增加呈现出先增加后减小的变化趋势。沟床坡度缓于11°时,溃决历时对沟床坡度的敏感性高于坝前库容;沟床坡度陡于11°时,溃决历时对沟床坡度的敏感性低于坝前库容。     

Riprap Effect on Hydraulic Fracturing Process of Cohesive and Non-cohesive Protective Levees

A comprehensive experimental study was conducted to evaluate the effects of soil properties and the rip-rap as well as cohesive and non-cohesive soil material and the riprap particle size on the breaching process and the failure mechanism of the levee. The results showed the crucial role of the riprap coverage and the soil properties in the breaching of the protective levees. In this regard, breaching was developed in both vertical and transverse directions. In the levee without riprap coverage, breach development was observed in the transverse direction while the levee was eroded in the streamwise direction. In contrast, in the levee with riprap coverage, breach development mainly occurred in the vertical direction. Furthermore, the flow rate across the breach was higher in the tests with no riprap compared to those with the riprap coverage. Comparisons suggested that the shorter the failure time, the longer the equilibrium time. The present research has some major implications for coastal and hydraulic engineering designs since the construction of levees is of great importance. Furthermore, the findings can be used to predict flooding and erosion induced by the embankment failure.

     

土石坝漫顶溃决过程数值模拟研究

针对水动力条件变化复杂、水土耦合作用强烈的土石坝溃决过程,结合水库调洪演算、清水冲刷以及溃口冲刷侵蚀机理,在Breach模型基础上建立了土石坝漫顶溃口流量过程计算物理模型。结果表明:模型对JP水库大坝溃决过程的模拟,很好地再现了溃决洪水流量过程线、溃口展宽和下切过程,验证了模型的合理性和应用潜力。