離心機(jī)潰壩模擬試驗(yàn)及土石壩漫頂潰決機(jī)理研究

為適應(yīng)土石壩潰壩應(yīng)急處置和風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控的需要，本項(xiàng)目應(yīng)用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了土石壩漫頂潰壩機(jī)理。研制了可在80g離心加速度下穩(wěn)定工作的封閉式循環(huán)供水系統(tǒng)，通過把明渠流轉(zhuǎn)化為滿管管流，有效解決了潰口流量過程線的量測問題。研制了圓筒型土體抗沖蝕特性測定裝置，并應(yīng)用該裝置對砂土的抗沖蝕特性進(jìn)行了研究。在臨界狀態(tài)土力學(xué)框架內(nèi)提出了便于工程應(yīng)用的K0固結(jié)土不排水強(qiáng)度解析式，該解析式是關(guān)于內(nèi)摩擦角、塑性體積比和超固結(jié)比的函數(shù)，在初始各向異性角為0時(shí)，可以簡化為大家詳知的各向同性土不排水強(qiáng)度解析式。提出了一個(gè)土石壩漫頂潰決物理模型，該模型應(yīng)用雙曲線型沖蝕速率方程計(jì)算壩體材料的沖蝕速率，通過極限平衡理論計(jì)算潰口的側(cè)向擴(kuò)展。從潰口流量平衡方程、筑壩材料抗沖剪應(yīng)力和沖蝕速率、潰口擴(kuò)展模式三方面分析總結(jié)了當(dāng)前較常用的17種土石壩漫頂潰決物理模型；以唐家山堰塞壩潰壩事故為工程背景，選取BREACH模型、DB模型和IWHR模型對其潰壩過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了上述三種模型計(jì)算得到的筑壩材料沖蝕速率、流量過程線和水位變化曲線與實(shí)測值的差異；應(yīng)用BREACH模型研究了筑壩材料的黏聚力、內(nèi)摩擦角、不均勻系數(shù)和孔隙率對流量過程線的影響。 2100433B

本項(xiàng)目主要對應(yīng)用離心機(jī)進(jìn)行土石壩漫頂潰決試驗(yàn)的模擬基礎(chǔ)理論、試驗(yàn)方法、量測技術(shù)和誤差控制技術(shù)展開研究。研制可在80g離心加速度下穩(wěn)定工作的封閉式循環(huán)供水系統(tǒng)，并應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行土石壩漫頂潰決離心模型試驗(yàn)，應(yīng)用自行研制的大尺寸土體抗沖蝕特性測定裝置進(jìn)行土體抗沖蝕試驗(yàn)。結(jié)合離心模型試驗(yàn)和土體抗沖蝕試驗(yàn)研究土石壩的漫頂潰決機(jī)理和潰決過程，在試驗(yàn)研究和理論分析基礎(chǔ)上建立土石壩漫頂潰決離心模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則，提出土石壩漫頂潰決參數(shù)模型。通過離心模型試驗(yàn)結(jié)果、1g模型試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際潰壩事故記錄的比較，校核離心模型試驗(yàn)研究土石壩漫頂潰決問題的可行性，并提出土石壩漫頂潰決離心模型試驗(yàn)規(guī)程。本項(xiàng)目的研究成果將為建立和校核土石壩潰壩模型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為土石壩風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控和編制潰壩前應(yīng)急預(yù)案提供理論上的支撐。

土石壩潰決過程與水力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)、土力學(xué)等多學(xué)科有關(guān)，具有強(qiáng)非線性與非恒定性，研究具有很大的難度?！锻潦瘔温敐Q模擬與搶護(hù)》收集了大量潰壩案例資料，通過對土石壩漫頂水流水力特性、土石壩壩體材料特性的把握，采用理論分析、現(xiàn)場大尺度實(shí)體潰壩試驗(yàn)、室內(nèi)小尺度物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方法，對土石壩潰壩機(jī)理、超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下土石壩是否會(huì)潰決、何時(shí)潰決、如何搶護(hù)等進(jìn)行了系列研究。

前言

第1章 土石壩潰壩概述

1.1 國內(nèi)外潰壩情況

1.1.1 國外潰壩事件分析

1.1.2 國內(nèi)潰壩事件分析

1.1.3 土石壩潰口特征分析

1.2 土石壩潰壩研究現(xiàn)狀

1.2.1 潰壩物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬技術(shù)

1.2.2 超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下土石壩安全判別

1.2.3 土石壩漫頂潰決時(shí)間

1.2.4 土石壩漫頂潰決搶護(hù)技術(shù)

1.2.4.1 漫頂前搶擴(kuò)

1.2.4.2 潰口出現(xiàn)后搶護(hù)

第2章 土石壩漫頂潰決試驗(yàn)及潰決機(jī)理

2.1 土石壩漫頂潰決試驗(yàn)方法

2.1.1 庫水位下降過程

2.1.2 下游洪水演進(jìn)過程

2.1.3 潰口流速及潰口形態(tài)

2.1.4 潰口縱向下切與橫向擴(kuò)展過程

2.2 土石壩漫頂壩面水力特性

2.2.1 壩面水動(dòng)力參數(shù)分布特性

2.2.1.1 壩面水深分布

2.2.1.2 壩面流速分布

2.2.1.3 切應(yīng)力及摩阻流速分布

2.2.2 漫頂水深、壩坡坡度對壩面水力特性的影響

2.2.2.1 不同漫頂水深的壩面水力特性

2.2.2.2 不同坡度壩面水力特性

2.2.3 壩面切應(yīng)力、平均流速公式

2.2.3.1 國內(nèi)外壩面切應(yīng)力公式研究概況

2.2.3.2 壩面切應(yīng)力公式推導(dǎo)

2.2.3.3 壩面平均流速公式

2.3 土石壩潰決現(xiàn)場大尺度試驗(yàn)

2.3.1 現(xiàn)場大尺度潰壩試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.3.1.1 現(xiàn)場試驗(yàn)選址

2.3.1.2 壩區(qū)地質(zhì)勘探

2.3.1.3 壩體施工填筑

2.3.2 現(xiàn)場大尺度漫頂潰壩試驗(yàn)組次及可重復(fù)性研究

2.3.3 現(xiàn)場大尺度漫頂潰壩試驗(yàn)成果

2.3.3.1 漫頂潰壩過程

2.3.3.2 漫頂潰壩力學(xué)機(jī)理

2.3.3.3 潰口峰值流量及壩體縱向下切速度預(yù)測

2.3.3.4 寬頂堰流公式在潰口流量分析中的適用性分析

2.4 土石壩潰決小尺度試驗(yàn)

2.4.1 非黏性土均質(zhì)壩潰決試驗(yàn)

2.4.1.1 非黏性土均質(zhì)壩潰壩相似準(zhǔn)則

2.4.1.2 不同中值粒徑D50對壩體潰壩過程的影響

2.4.1.3 不同下游壩坡坡度對潰壩過程的影響

2.4.1.4 不同潰口位置對潰壩過程的影響

2.4.1.5 下游沉積層對潰壩過程的影響

2.4.2 黏性土均質(zhì)壩潰決試驗(yàn)

2.4.2.1 含水率、壓實(shí)度對“跌坎”移動(dòng)速度的影響

2.4.2.2 “跌坎”移動(dòng)速度的計(jì)算表達(dá)式

2.4.3 潰壩模型相似率探討

2.4.3.1 一般均質(zhì)土石壩潰壩相似準(zhǔn)則

2.4.3.2 潰壩模型試驗(yàn)的模型延伸法

第3章 土石壩漫頂潰決數(shù)學(xué)模型

3.1 漫頂潰決過程的數(shù)學(xué)描述

3.1.1 水庫水位演變

3.1.2 潰口流量計(jì)算

3.1.3 潰口擴(kuò)展模擬

3.1.3.1 潰口的縱向下切

3.1.3.2 潰口的橫向擴(kuò)展

3.1.4 潰面沖槽水流計(jì)算

3.2 模型計(jì)算方法

3.3 模型的應(yīng)用

3.3.1 室內(nèi)潰壩試驗(yàn)演算

3.3.2 野外現(xiàn)場潰壩試驗(yàn)演算

3.3.3 大洼水庫自然潰決過程演算

3.3.4 唐家山堰塞湖人工潰決過程演算

3.3.5 河南石漫灘水庫漫頂潰壩事件演算

第4章 土石壩漫頂潰決判別分析

4.1 壩體安全應(yīng)急判別方法

4.1.1 土石壩與天然壩之間的相似性

4.1.1.1 潰決形式的相似性

4.1.1.2 潰壩動(dòng)力參數(shù)之間的相關(guān)一致性

4.1.2 簡單指標(biāo)判別法在土石壩安全判別上的應(yīng)用

4.1.3 判別分析法在土石壩安全上的應(yīng)用

4.1.3.1 判別分析法原理

4.1.3.2 判別分析法對數(shù)據(jù)資料要求的驗(yàn)證

4.2 基于判別分析法的土石壩潰決判別模型

4.2.1 數(shù)據(jù)適用性驗(yàn)證

4.2.2 模型建立

4.2.3 判別分析結(jié)果

4.2.3.1 判別模型中各變量重要性分析

4.2.3.2 與簡單判別方法的比較

4.3 考慮壩體材料特性的潰決判別分析模型

4.3.1 代表壩體材料綜合抗沖能力的變量——起動(dòng)摩阻流速U*c

4.3.2 判別模型的建立及定量正確性

4.3.3 判別模型各變量影響權(quán)重及模型的定性合理性

4.4 判別分析法實(shí)例應(yīng)用

第5章 土石壩潰決時(shí)間預(yù)測

5.1 潰決時(shí)間的定義及統(tǒng)計(jì)分析

5.2 潰決時(shí)間影響因素

5.2.1 壩高與潰決時(shí)間

5.2.2 壩寬與潰決時(shí)間

5.2.3 壩長與潰決時(shí)間

5.2.4 庫容與潰決時(shí)間

5.2.5 壩體綜合穩(wěn)定性指標(biāo)與潰決時(shí)間

5.3 潰決時(shí)間預(yù)測方法——多元回歸預(yù)測

5.3.1 土石壩潰決時(shí)間回歸模型的建立

5.3.2 對回歸模型的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

5.3.3 案例驗(yàn)證及分析

5.4 潰決時(shí)間預(yù)測方法——基于切應(yīng)力的潰決時(shí)間預(yù)測

5.4.1 預(yù)測方法的由來

5.4.2 壩體材料特性U*c的引入

5.4.3 壩面切應(yīng)力的引入

5.4.4 預(yù)測的步驟

5.4.5 實(shí)例驗(yàn)證

第6章 應(yīng)急溢洪道，陜速構(gòu)建技術(shù)

6.1 應(yīng)急溢洪道快速構(gòu)建技術(shù)的由來

6.2 應(yīng)急溢洪道坡面水力特性試驗(yàn)

6.2.1 應(yīng)急溢洪道土工合成材料物理力學(xué)特性

6.2.2 土工合成材料表面水流水力特性

6.2.2.1 布面水深與漫頂水深的關(guān)系

6.2.2.2 布表面的流速與漫頂水深的關(guān)系

6.2.2.3 布面切應(yīng)力與漫頂水深的關(guān)系

6.2.3 土工合成材料摩阻系數(shù)

6.2.4 切應(yīng)力與摩阻系數(shù)關(guān)系分析

6.2.5 土工合成材料受力分析

6.3 應(yīng)急溢洪道錨固件抗拔力試驗(yàn)

6.3.1 錨固件抗拔力試驗(yàn)介紹

6.3.2 抗拔力與埋深的關(guān)系

6.3.3 抗拔力與錨固件材料的關(guān)系

6.3.4 新型自擴(kuò)刺錨固件研制

6.4 應(yīng)急溢洪道布置與實(shí)施方案

6.4.1 漫頂水流坡面擴(kuò)散范圍

6.4.2 水流經(jīng)潰口下泄擴(kuò)散范圍

6.4.2.1 水流在坡面上的擴(kuò)散形狀

6.4.2.2 潰口形狀及下游坡度對水流擴(kuò)散范圍的影響

6.4.3 應(yīng)急溢洪道水流最大斷面平均流速分析

6.4.4 護(hù)坡材料鋪設(shè)及錨固

6.4.4.1 護(hù)坡材料的選擇

6.4.4.2 護(hù)坡材料鋪設(shè)及錨固方法

參考文獻(xiàn)

2100433B

土石壩與堰塞壩潰決機(jī)理與潰壩過程模擬是一門涉及巖土力學(xué)、水力學(xué)與泥沙運(yùn)動(dòng)理論的新興學(xué)科，近年來日益頻繁發(fā)生的極端氣候現(xiàn)象和地震，促進(jìn)了該學(xué)科的快速發(fā)展。陳生水編著的《土石壩潰決機(jī)理與潰壩過程模擬》首先根據(jù)國內(nèi)外典型潰壩案例調(diào)查資料，總結(jié)分析了土石壩的潰決原因及潰壩特征；重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外在土石壩與堰塞壩形成和潰決機(jī)理及潰壩過程模擬領(lǐng)域的研究進(jìn)展，特別是作者在土石壩三種主要壩型和堰塞壩潰壩離心模型試驗(yàn)和漫頂與滲透破壞潰壩過程數(shù)值模擬方面的最新研究成果；最后介紹了國內(nèi)外潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值模擬方法及常用計(jì)算機(jī)軟件，給出了研究成果在水庫大壩潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制中的應(yīng)用實(shí)例。

《土石壩潰決機(jī)理與潰壩過程模擬》可供從事土石壩工程安全專業(yè)的研究和管理人員參考，也可作為水利工程等相關(guān)專業(yè)本科生、研究生的教材或參考書。