基于强非恒定流冲刷过程的高堰塞坝漫顶溃决机理研究

The material of barrier dam with a wide range of gradation is strong heterogeneous, and the flow of overtopping is unsteady obviously. In this hydraulic condition, erosion mechanism of wide grading earth rockfill materials and its transport theory has become the key during the study of barrier dam break. For this, through scouring experiment of wide grading earth rockfill materials under strong unsteady flow, rule of transport is revealed, and nonequilibrium sediment transport model under condition of strong unsteady flow is established first. Then, by means of centrifugal model test, influences of different dam material parameters on the vertical erosion, transverse expansion and regression erosion of breach are quantitative researched, and macroscale mechanism of high barrier overtopping is revealed by extending analyses. Finally, a numerical model and the corresponding calculation method are proposed which can correctly depict the process of breach expansion and overtopping flow. The barrier dam break model can be used to evaluate the consequences due to dam break and provide theoretical support for emergency plans and treatment.

堰塞坝坝料级配范围宽、不均匀性强，漫顶溃坝水流强非恒定特性明显，揭示该水力条件下的宽级配土石料输移特性及冲刷机理成为堰塞坝溃坝研究的关键。为此，本项目首先通过开展宽级配土石料强非恒定流冲刷试验，揭示宽级配土石料输移规律，建立强非恒定流冲刷条件下的非平衡输沙理论模型。然后，利用溃坝离心模型试验系统，开展不同坝料状态及离心加速度的堰塞坝漫顶溃坝模型试验，定量研究坝料状态参量对溃口的横向扩展、纵向下切、坝体背水坡溯源冲刷过程以及溃口流量过程的影响规律，通过外延分析进一步揭示高堰塞坝漫顶溃决宏观机理。最后，建立能够合理描述堰塞坝漫顶破坏时溃口发展规律和溃口洪水流量过程的数学模型并建议相应的计算方法，为合理评价堰塞坝溃决致灾后果，科学制定溃坝洪水应急预案提供理论支持。

堰塞坝作为一种特殊的土石坝，在国内外分布广泛并且致灾后果严重，堰塞坝一旦溃坝将导致下游发生严重的洪水灾害。因此，深入研究堰塞坝的溃决机理和溃坝过程，提出能科学预测、合理模拟其溃口发展规律、溃坝洪水流量过程的数学模型，对于堰塞坝的安全性评估及科学处置显得很有必要。本项目针对堰塞坝坝料级配范围宽、不均匀性强，漫顶溃坝水流强非恒定特性明显等特点，开展高堰塞坝漫顶溃坝机理研究，主要研究结论及科学意义包括：（1）通过模拟溃坝情况下的水流条件，开展了漫坝水流条件下的宽级配土石料冲刷过程物理模型试验，揭示了强非恒定流条件下宽级配土石料的冲刷机理，建立了强非恒定流冲刷条件下的宽级配土石料输沙理论模型，能够更加科学合理的描述堰塞坝溃决过程中的泥沙输移规律。（2）运用离心模型试验系统，通过不断增加离心加速度，模拟随着坝高不断增加溃口的发展破坏规律及溃口流量过程，揭示了极高危险堰塞坝漫顶溃决宏观机理。（3）基于宽级配土石料冲刷试验及堰塞坝漫顶溃坝模型试验所揭示的灾变机理，从溃口泥沙输移的物理过程出发，建立了堰塞坝漫顶溃坝数学模型，可更加合理的模拟溃坝过程中的溃口发展及溃口流量过程，研究成果为合理评价堰塞坝溃决致灾后果，科学制定溃坝洪水应急预案提供理论支持。