堰塞坝溃坝机理与溃坝过程数值模拟

By means of the centrifugal model test system with consistency of gravity and similarity ratios of particle size, the break mechanism, break process and emergency treatment method of barrier dams are studied. The influences of different dam heights, material gradations and particle sizes on the vertical erosion, transverse expansion and regression erosion of breaches are investigated. The effects of dam heights, materials and different cross sections and bottom elevation of drainage channel on break process are investigated. Based on the centrifugal model test results, a dam breach numerical model and the corresponding method are proposed considering the effects of characteristics of barrier dam materials, which can depict the effects of wide gradation and large particle size on the development laws of breaches. The rationality of the proposed numerical model is validated through the observed data of dam break cases. A safe and efficient emergency treatment method for the barrier dam is proposed so as to reduce break risk, evaluate the consequences due to dam break and provide theoretical support for emergency plans and treatment optimization scheme of barrier dams.

利用可合理模拟堰塞坝坝体重力一致性和材料粒径相似性的溃坝离心模型试验系统，针对堰塞坝的溃决机理、溃坝过程以及处置方法进行试验研究，重点比较分析不同坝高、坝体材料级配与颗粒粒径对溃口垂向、横向扩展、坝体背水坡溯源冲刷规律，以及相同坝高、相同坝体材料、不同除险处置泄流槽底高程和断面型式对溃坝洪水流量过程的影响。在此基础上提出能够合理反映大粒径、宽级配堰塞坝材料对其溃口发展规律影响的溃坝数值模型及相应的计算方法，并利用具有实测资料的溃坝案例对其合理性进行验证；提出安全、高效的堰塞坝除险处置方法，降低堰塞坝溃决风险，为合理评价堰塞坝溃决致灾后果，科学制定堰塞坝溃坝洪水应急预案，优化其除险处置方案提供理论支持。

摘要：利用申请人研究团队研制成功的土石坝溃坝离心模型试验系统和提出的土石坝溃坝离心模型试验分析方法，开展漫顶溃决机理与溃坝过程的离心模型试验研究。研究堰塞坝漫顶溃决机理与溃坝过程，探讨堰塞坝漫顶溃决条件下溃口垂向、横向扩展、坝体背水坡冲刷规律以及溃口流量过程，堰塞坝水流漫顶溃坝过程可分为五个阶段的：（a）下游坡冲蚀；（b）冲槽下切；（c）冲槽侧壁淘刷；（d）溃口失稳坍塌；（e）下游坝坡粗化；通过堰塞坝除险处置方法离心模型试验，针对相同坝高、坝顶宽、坝坡及相同级配坝体材料，分别开展梯形、三角形以及复式断面泄流槽泄流过程试验，比较分析了其溃口发展规律、溃坝洪水流量过程。发现与堰塞坝自然溃决泄流相比，人工开挖泄流槽辅助泄流能够有效的降低泄流洪峰流量，延迟流量峰值的出现时间，使泄流过程更为平缓，可有效减轻了下游河道的防洪压力；当泄流槽断面面积相同（土石料开挖量相同）时，宽坦型泄流槽由于初始底宽较大，深度较浅，泄流过程中流量峰值较小，峰值出现时间较晚；而窄深形泄流槽则相反；并在此基础上，提出安全、高效的堰塞坝除险处置方法。分析了堰塞坝漫顶时水流对坝坡的冲刷机理，针对堰塞坝粒径范围宽，最大最小颗粒粒径相差大的特点，由粗细颗粒之间的相互作用推导不均匀颗粒的起动流速，研究坝坡土体发生冲刷的条件，分析坝体材料的颗粒级配、密实度、强度、坝坡坡度、水流速度及摩阻流速的影响，提出宽级配堰塞坝材料在水流高强度侵蚀条件下的冲蚀公式，建立了能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值模型和相应的计算方法，并采用具有实测资料的唐家山堰塞坝溃坝案例对其合理性进行验证。为提高堰塞坝溃决致灾后果的预测精度，科学制定堰塞坝溃坝洪水应急预案，优化其除险处置方案提供了理论支持和技术支撑。