基于土体冲蚀特性的黄土高原地区淤地坝溃决机理研究

Check dam is an necessary engineering measure to control soil and water loss in Loess Plateau, but frequent occurrence of dam beach due to flood threatening people's lives and property safety. Research on breach mechanism of check dam is an important requirement to ensure the safety of people's lives and property. This research focuses on the breach process and mechanism of the check dam in the Loess Plateau, achieves the erosion test of velocity and erosion rate, and establishes erosion model based on the cylinder erosion test apparatus (CETA). According to the model test, the mode of the lateral enlargement and longitudinal headcut is identified, the breach changing law in the soil-water interaction is revealed, and breach enlargement mathematical model of the check dam is built. The hydrodynamic-dam breach process calculation model is realized based on the erosion characteristics and the breach enlargement characteristics. In order to fined analyze peak flood discharge and provide theoretical support for safety control of the check dam in the Loess Plateau, the breach mechanism of check dam is revealed, and the breach flood analysis calculation program of check dam is developed.

淤地坝是治理黄土高原地区水土流失的有效工程措施，多因洪水漫顶而频发溃坝事故，威胁人民群众生命财产安全。开展淤地坝溃决机理研究是保障人民生命财产安全的必然需求。本项目以黄土高原地区淤地坝溃决机理为研究目标，溃决过程为研究核心，溃决淤地坝为研究对象，借助研制的圆筒型冲蚀试验设备（CETA），开展土体抗冲流速与冲蚀率的室内冲蚀试验，建立淤地坝土体冲蚀模型；通过室内模型试验，识别溃口横向扩展及下游坝坡纵向陡坎的破坏模式，揭示土水耦合条件下的溃口扩展规律，构建淤地坝溃口扩展规律模型；在此基础上揭示黄土高原地区淤地坝溃决机理，建立考虑土体冲蚀特性、溃口扩展规律的水动力-溃决过程计算模型，开发可用于淤地坝溃决洪水分析的计算程序，实现溃决洪水流量过程精细化分析，为黄土高原地区淤地坝安全防控提供理论支持与依据。

淤地坝是西北劳动人民在治理黄土高原水土流失的长期实践中创造出的一项行之有效的工程措施。其既能拦截泥沙、抬高侵蚀基准面、控制沟底下切和沟头前进，又能淤地造田、增产粮食。2019年9月18日，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上，指出“有条件的地方要大力建设旱作梯田、淤地坝等”，“让黄河成为造福人民的幸福河”。但其因洪水漫顶而导致的溃坝事故频发，威胁人民群众生命财产安全。开展淤地坝溃决机理研究是保障人民生命财产安全的必然需求。.本项目围绕黄土高原地区淤地坝溃决机理为研究目标，溃决过程为研究核心，溃决淤地坝为研究对象，采用研制的圆筒型冲蚀试验设备开展土体抗冲流速与冲蚀率的室内试验，建立淤地坝土体双曲线冲蚀模型；发现压实性黄土的冲蚀率随压实度的增加而逐渐降低，随着冲刷流速的增加而逐渐增加；在同一压实度下，随着冲刷流速的增加，冲蚀率的增长逐渐变缓；压实性黄土冲蚀率范围为0.35—0.45mm/s。通过室内模型试验，识别溃口横向扩展及下游坝坡纵向陡坎的破坏模式，构建淤地坝溃口扩展数学模型；发现未蓄水淤地坝的溃决过程可分为两个阶段：在第一阶段，第一阶段的溃口横向扩展和纵剖面演化较为剧烈，第二阶段溃口的竖向下切速度较快，溃决过程以“单级陡坎”为主要特征；蓄水淤地坝的溃决过程则分为三个阶段：发现溃口纵剖面存在“单级陡坎→多级陡坎→陡坎合并”的过程，陡坎底部出现负坡，陡坎顶部有张拉裂缝，出现土体倾倒破坏，溃口在横向方向出现出现剪切破坏特征，与一般均质土坝存在较大差异。通过考虑水沙耦合作用下的洪峰流量激增和水位异常抬升的影响作用，建立了考虑土体冲蚀特性、溃口扩展规律的水动力-溃决过程计算模型，开发“降雨-洪水-泥沙-溃决”致灾的淤地坝溃决洪水分析的计算程序，实现次暴雨下的淤地坝溃决判定以及溃决洪水流量过程精细化分析，破解淤地坝水毁制约其发展的难题。