基于Visual Modflow的关门山沟堰塞坝渗流稳定模拟研究

为了研究堰塞湖渗流稳定性，通过钻孔资料及试验获取关门山沟堰塞坝地层结构及物理参数，采用Visual Modflow建立堰塞坝三维渗流模型，研究堰塞坝在1 705,1 710,1 715 m和1 720 m四种水位条件下的渗透特性及稳定性。根据渗流模拟成果，得出了4种水位条件下出水口平均渗透坡降和最大渗透坡降，并与堰塞坝允许坡降进行比对。结果表明：渗透坡降与水位呈正相关性，最大渗透坡降出现在下游出水口附近。当堰塞湖水位达到1 715 m时，堰塞坝部分细颗粒将被带走；当水位达到1 720 m时，坝脚处将出现较大范围的渗透破坏。根据渗透坡降变化趋势，拟定1 719 m为堰塞坝渗透破坏临界水位。     

基于PFC3D的滑坡堰塞坝堆积过程与形态模拟

基于PFC3D离散元软件,开展雅砻江唐古栋滑坡1967年失稳堆积堰塞坝的反演模拟,并基于反演参数对强变形A区失稳堆积进行预测模拟。结果表明：① 通过开展唐古栋滑坡1967年失稳堆积堰塞坝的反演分析,校核得到一组合理的细观力学参数;② 强变形A区失稳并整体下滑约1 600 m后在河谷堆积形成堰塞坝,堰塞坝形态呈中部高两边低的梯形形态分布,坝顶宽437.91 m,坝底宽994.39 m,坝高92.65 m;③ 堰塞坝在3种不同来流量下发生溃坝,其洪峰流量均远大于楞古水电站拟选坝址校核洪水流量。通过模拟发现,PFC3D软件对于模拟滑坡堰塞坝堆积过程及堆积形态有较好的适用性,可以获取堰塞坝堆积的三维形态和较准确的坝高。     

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。     

堰塞湖溃坝快速定量风险评估方法——以2014年鲁甸地震形成的红石岩堰塞湖为例

2014年8月3日云南昭通市鲁甸县发生6.5级地震,形成高83 m,库容2.6亿m³的红石岩大型堰塞湖,严重威胁上下游生命财产安全。由于震后地质条件恶劣,道路堵塞,环境危险,且堰塞坝寿命极短,现有方法很难在有限时间内对堰塞坝进行快速且定量风险评估。本文提出一套基于最基本的堰塞坝几何参数、河道三维地形信息和人口分布数据的快速定量风险评估方法,可以实现任何堰塞坝突发区域内的溃坝、洪水演进和生命损失分析:首先采用地理信息工具快速获取坝址、上下游河道三维地形信息;然后采用统计模型和HEC-RAS软件模拟溃坝和洪水演进过程;最后采用风险分析模型计算得到下游生命损失。本文将该方法应用于红石岩堰塞湖案例分析发现:开挖泄流槽可以降低峰值流量和生命损失,但不能防止溃坝;开挖泄洪支洞后,可以避免在非汛期情况下发生溃决;但在极端洪水情况下(如百年一遇)仍会发生溃坝,并产生较大的洪水和生命损失,因此仍需要加固坝体,做好观测,并准备好应急预警和疏散预案。本方法可针对突发堰塞湖进行快速定量的风险评估,为堰塞湖的应急管理和决策提供依据。     

基于NWS BREACH的唐家山堰塞坝泄流过程模拟

NWS BREACH模型是目前国内外模拟土石坝或堰塞坝漫顶及管涌破坏最常用的数学模型。基于唐家山堰塞坝的实测资料,建立了唐家山堰塞坝漫顶泄流过程数学模型,并通过现场监测得到的流量过程和库水位变化资料验证了所建立模型的合理性。对模型中的重要参数进行了敏感性分析,研究了坝料平均粒径、冲蚀率、下游坝坡坡比3个参数对模型计算结果的影响,表明坝料冲蚀率和下游坝坡坡比对泄流过程影响显著。研究成果对堰塞坝除险和洪水风险评估具有指导意义。     

堰塞坝料室内试验缩尺效应研究

因室内试验设备尺寸的限制，需将坝料的最大粒径缩尺至室内试验设备的容许尺寸，粒径缩尺导致室内试验参数与原始粒径下的实际参数有差异。对取自现场的某堰塞坝料按规范方法缩尺后，开展不同最大粒径下的干密度、渗透系数、三轴剪切室内试验。结果表明：缩尺导致粒径小于5 mm的细颗粒含量增加并影响试样密实程度；随着最大粒径的减小，试样渗透系数逐渐降低，直接采用缩尺后的试验结果会高估堰塞坝料的抗渗能力；缩尺对强度指标φ值影响不大，但缩尺后的试样最大粒径越小，邓肯-张模型参数的K、Kb值越大，模型参数n、m值越低，缩尺后的试验结果高估了堰塞坝料强度和坝体抵抗变形的能力，低估了堰塞坝体的实际变形。研究结果可为坝体稳定性分析与变形分析提供参考。     

渗漏溶蚀混凝土坝力学性能的空间变异性研究综述

概述了国内外混凝土坝渗漏溶蚀的现状;从材料学的角度,基于已有试验和理论研究成果,综述了水工混凝土的溶蚀及力学性能衰变特性;从工程结构学的角度,总结了渗漏溶蚀影响下的坝体混凝土力学性能的空间变异规律;归纳了渗漏溶蚀混凝土坝物理力学参数的空间变异性,论述了可描述坝体力学性能空间变异性的随机场模型,及可评价坝体动力性态的随机有限元动力分析方法的研究进展;指出水工混凝土结构渗漏溶蚀机理、渗漏溶蚀混凝土坝力学性能的空间随机场模型、渗漏溶蚀对混凝土坝动力性态的影响评价方法等方面亟待深入研究。     

肖家桥堰塞坝

肖家桥堰塞坝是由于“5．12汶川大地震”强震作用导致右侧边坡出现大规模垮塌而形成，距离安县县城约31km。根据中国科学院现场测量，堰塞坝坝顶高程760～770m，下游河床高程698m左右，堰塞体高度57～67m，坝顶顺水流方向长度390m。垂直水流向长度260m，     

考虑土体弹性模量空间变异性的盾构隧道变形分析

在对隧道变形的研究中,土体参数通常按确定值考虑,忽略了土体性质的空间结构性和变异性,与实际情况不符。将随机场理论与数值计算结合,开展Monte-Carlo随机分析,研究了土体弹性模量空间变异性对隧道变形的影响,并与确定性分析结果作对比。结果表明,随机场计算机模拟结合Monte-Carlo方法,计算次数足够多时可以得到很好的模拟结果,分析土体性质的随机性是可行的;土体弹性模量的空间变异性对隧道变形有重要影响,概率统计结果与确定性分析相比在量值上有明显不同,变形结果会随着相关距离和变异系数的增大变得越来越离散。     

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。     

考虑材料参数空间变异的重力坝地震损伤分析

由于施工质量不均匀和混凝土自身的非均质性,因此重力坝坝体混凝土材料强度具有空间变异性。利用对数正态分布随机场模拟混凝土参数的空间变异性,采用中心点法将参数随机场离散为一组相关随机变量,通过结构空间位置和相关距离构建了自相关函数、得到相关系数矩阵。采用Cholesky方法分解相关系数矩阵并线性变换,通过n维独立标准正态分布样本矩阵生成n维相关对数正态分布样本矩阵,实现了混凝土材料参数空间变异性的抽样模拟。对印度Koyna重力坝的地震损伤分析表明,考虑混凝土参数(特别是抗拉强度)的空间变异性后,坝体损伤程度加重,坝顶位移振幅减小,坝顶垂直残余位移增大,因此在重力坝抗震设计中应考虑材料参数空间变异性的影响。     

堰塞坝溃决洪水的三维视景模拟关键技术

我国是地震多发区,地震形成的堰塞坝一旦溃决,对下游城市和保护区将产生严重影响。由于堰塞坝溃决的复杂性和不可重复性,因此单一的数值模拟和物理模型试验均无法全面展现其变化特征。而三维视景模拟可在虚拟环境中精确地提供堰塞坝溃决及洪水演进的动态演变过程,具有显著的优势。本文重点阐述了堰塞坝溃决洪水三维视景模拟的基本原理和关键技术,基于堰塞坝溃决洪水计算模型和三维视景仿真技术之间的耦合,对堰塞坝溃决洪水进行三维分析和仿真,实现堰塞坝溃决洪水的三维视景模拟仿真与应用。相比传统的一维或者二维水动力学计算和展示,三维视景模拟更为准确和直观,它为堰塞坝溃决洪水问题的深入研究提供了一条行之有效的途径,可为提前制订应对方案和降低堰塞坝溃决所带来的损失提供参考依据。     

考虑围岩抗剪强度空间变异性的隧道变形分析

为研究岩土体非均质性所产生的低抗剪强度区对隧道变形的影响,利用随机场的计算机模拟,考虑围岩抗剪强度空间变异性进行隧道变形研究。借助FISH语言将土性随机场与FLAC3D模型一对一单元映射,建立二维有限差分各向同性随机场,对不同相关距离和变异系数下低抗剪强度区的特点和发展模式进行分析,同时对各组多次试验结果开展概率统计分析,结合确定性结果研究低抗剪强度区对隧道变形的作用。结果表明,随机场计算机模拟可以很好地再现土层剖面土性的不确定性;增大相关距离和变异系数会导致低抗剪强度区域进一步发展,但两者发展模式有根本不同;低抗剪强度区域的存在会改变地应力对隧道各位置的作用程度。     

滑坡堰塞体中防渗体设计方案研究

堰塞体作为永久挡蓄水建筑物进行开发利用,首要解决的问题是提高坝体防渗性能。红石岩堰塞坝根据类似工程经验并采用现场试验、经济指标对比等多种方法,对堰身防渗墙、上游坡面防渗、堰身自流控制灌浆防渗3种方案进行技术难度、施工控制难度、投资等多方面比选,最终确定采用堰身防渗墙方案。根据工程特点和类似工程经验,设计采用低弹模高塑性的C35混凝土防渗墙,成功解决了防渗墙适应变形和抗裂性能无法兼顾的问题。工程现已完工蓄水,监测成果表明,堰塞坝总体渗漏量较小,变形和应力分布规律与设计相符。     

冲击碾压法加固堰塞坝料的室内模型试验研究

为丰富堰塞坝开发利用理论，探究适宜堰塞坝料的密实方法和设计参数，研究了冲击碾压方法对堰塞坝料的密实效果和密实机理。基于相似定律设计了不同冲击轮质量及牵引速度的天然堰塞坝料室内冲击碾压模型试验，综合采用宏-细观方法测试了冲击碾压后的动应力发展传播规律、变形特性、颗粒运动和加固效果等。试验结果表明：（1）冲击轮引起的冲击荷载为三角形脉冲荷载，产生的接触应力随着牵引速度和冲击轮质量的增大而增大，引起的地基动土应力随着碾压遍数的增加而增加；（2）冲击碾压对堰塞坝料地基表层的加固效果良好，地基内部动土应力和位移皆随深度迅速减小，深度3.6 m范围内的堰塞坝料强度提升明显；（3）提高冲击轮的速度对加固效果的影响更大，可以有效提高冲击动应力，进而使得冲碾加固效果向深层传递；（4）满足易贡堰塞坝料的冲击碾压参数为：冲击轮质量13.5 t，牵引速度3.46 m/s，碾压遍数12。     

怒江干流堰塞坝特征及稳定河床机制

滇西怒江是青藏高原东缘地形急变带内深切河流的典型代表,因崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害在干流形成数百个稳定堰塞坝,有效抑制了河流下切。为探究怒江堰塞坝发育及提升河床稳定性的负反馈机制,通过野外考察和卫星影像,总结了怒江干流沿程和堰塞坝地貌特征,基于地貌水力特性对堰塞坝分类,并量化评估不同类别堰塞坝的稳定性和消能率特征。研究结果表明,怒江干流的堰塞坝分布密度较高,且与单宽水流能量正相关。干流堰塞坝可分为崩塌滑坡(崩滑)堰塞坝与泥石流堰塞坝。崩滑堰塞坝可在特大洪水中保持稳定,泥石流堰塞坝则可在一般性洪水中稳定。两类堰塞坝的消能率接近自然阶梯-深潭结构。崩滑堰塞坝消能率随单宽水流能量增大而提高,而泥石流堰塞坝则因较大的河谷横向空间汛期单宽水流能量增长较慢。干流堰塞坝的稳定性和消能特点均与当地单宽水流能量特点匹配,从而持久高效地消耗水流能量,提升河床整体稳定性。     

考虑土性参数空间变异性的单桩竖向承载力分析

岩土体是自然界的产物,其性质具有较大的空间变异性。在已有土体随机场模拟研究成果基础上,考虑了土体强度参数的变异系数和相关距离,通过数值方法研究了竖向荷载作用下土体空间变异性对桩基础承载力的影响。结果表明,考虑土体空间变异性后,桩基承载力的中值都小于确定性分析得到的桩基承载力;随着变异系数和相关距离的增大,桩基承载力的不确定性越来越大,实际工程中需重点关注土体参数变异性大的工况。考虑土体强度参数空间变异性的桩基竖向承载力分布规律可以用对数正态分布曲线来描述,当样本数足够多时,可依此获取任一荷载下桩基础的失效概率。     

基于贝叶斯网络的堰塞坝稳定性快速评价模型

为了科学、合理地评价堰塞坝稳定性,收集了国内外313个已溃和未溃堰塞坝的基础信息,建立了案例数据库;考虑堰塞坝形态特征、物质组成以及堰塞湖水动力条件包含的8个影响参数,基于贝叶斯网络提出了两种新的堰塞坝稳定性快速评价模型,分别为节点缺失条件下的简化模型和节点完整条件下的精细化模型。这两种新模型与国内外典型的堰塞坝稳定性快速评价模型的对比结果表明：基于贝叶斯网络的简化模型的绝对准确率和保守准确率分别为83.33%和94.44%,精细化模型的绝对准确率和保守准确率分别为80.77%和96.15%,验证了贝叶斯网络模型的可靠性和科学性,且贝叶斯网络模型可以实时输入和更新样本集,从而不断提高模型预测精度。     

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。     

堰塞坝及其溃决模拟研究评述

堰塞坝形成突然、危险性大,对下游人民生命财产安全、生态环境和社会经济形成巨大威胁,研究堰塞坝的溃决成灾机理与应急条件下的除险减灾方法,具有极其重要的科学价值和实际意义。结合国内外堰塞坝及其溃决相关内容的研究现状,评述了堰塞坝的形成过程和特征、溃决过程以及除险减灾等方面的研究进展,提出了未来堰塞坝及其溃决研究中需要重点关注的若干重大关键问题:1堰塞体形成过程中的土石料堆积分选机制;2强非恒定流、非均匀流下的输沙理论;3多机理耦合的溃口发展模型;4大尺度堰塞坝溃决实体模型试验;5如何降低除险减灾策略制定过程中的不确定性。