黄土高原淤地坝风险孕育机理与溃决仿真、预警分析及抗冲加固技术研究

Yudiba (Silt dam for reclamation) is an effective measure to enhance soil water conservation in loess terrain. However, breaches of these dams occurred frequently, resulting in serious loss of lives and properties. The scope of this research program covers the erosion characteristics of compacted loess, dam failure modes due to overtopping, evaluation of dam breach flood, reinforcement of dam body and early-warning technology. The research work will combine approaches of theoretical analysis, laboratory cylinder erosion tests, centrifugal physical modeling and develop new constitutive law for erosion rate evaluation of loess as well as a proposal of reinforcing the dam by geosynthetics with design details of their type, size, number of layers, spacing, etc. An internet-based platform will be developed to provide a Yidiba database and a variety of software for terrain scanning, small watershed flood evolution and dam breach flood simulation based on UAV terrain scanning and BIM approaches. The research outcomes will provide analytical and technical support for safety control including early-warning technology, decision making upon emergency in the Loess Plateau.

淤地坝是黄土高原丘陵沟壑区治理水土流失最为有效的工程措施，然而淤地坝溃决灾害屡有发生，严重威胁人民群众生命财产安全。压实黄土的冲蚀特性问题、淤地坝溃决模式及流量分析、淤地坝抗溃决措施、溃决洪水预警方法等问题是淤地坝溃决风险评估及预警的关键内容。本项目综合采用理论分析及圆筒冲刷试验、离心物理模型试验方法，建立适用于淤地坝工程的压实黄土冲刷特性的启动剪应力及冲蚀速率本构模型；提出土工合成材料的淤地坝抗溃决加固布置方法（土工材料型式、尺寸、层数、间距、布置形式），揭示土工加筋材料抗溃决作用机理。采用淤地坝溃决程序开发、无人机地形扫描成像、地理信息系统模型集成等方法，开发集成地形扫描、流量计算、洪水演进、演示模拟的淤地坝溃决洪水溃决过程虚拟现实成套方法体系，建立基于溃决洪水及损失的定性、定量融合灾害预警技术。研究成果将对提高黄土高原地区淤地坝抗溃决安全性和溃决洪水预警及决策提供理论支撑和技术支持。

淤地坝是我国黄土高原地区一种行之有效的水土保持工程措施，具有拦沙减蚀、淤地造田、滞洪减灾、改善环境等综合效益。然而，由于近年来极端暴雨事件频发和自身运行状态欠佳，淤地坝水毁溃决事件时有发生且频率增高，这对下游人民群众生命财产安全和生态环境保护造成极大威胁，也严重地制约了其本身的发展。本项研究主要研究成果为：（1）发明了坝身过水的土工布柔性台阶式溢渠道，消能率超过80%, 在延安三连坝首次获得应用，该技术被水利部列为成熟适用水利科技成果推广运用清单；（2）使用鲁棒算法破解由上百个以串/并联形式组成的淤地坝系的溃决洪水分析难题，为淤地坝风险分析和预警提供理论基础和相关程序；（3）研发了淤地坝预应力钢筒混凝土管（PCCP）放水卧管技术，可大大降低坝下埋管管涌风险；（4）溃坝洪水分析方法和PCCP放水卧管技术被纳入2020年颁布的《淤地坝技术规范》；（5）项目负责人牵头向中共中央、国务院呈送中国科学院咨询报告《关于提升汛期风险防控能力，高质量建设黄河流域淤地坝的建议》，得到国家领导人批示，相关问题提交水利部研究。（6）专著《黄土高原淤地坝创新技术及实践》已于2023年1月出版。在本项目执行期间，共发表标注本项目资助的学术论文56篇，其中SCI检索论文26篇，EI检索论文4篇，北大中文核心期刊论文21篇。出版学术专著2部，授权发明专利4项、软件著作权3项，培养研究生8名。项目组举办国内学术会议2次，项目负责人在国内学术会议作特邀报告8次。本项研究进一步创造性地发展了小流域淤地坝系溃决风险防控理论和技术，必将为黄土高原高标准淤地坝建设和除险加固工程提供有力的技术支撑。