堰塞坝溃决模式形成机理及其判定

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对堰塞坝的溃决模式形成机理和判定条件进行研究可以掌握堰塞坝的溃决规律,对堰塞坝溃决模式、峰值流量等进行预测,给防灾减灾工作的应急预案提供借鉴。本研究以堰塞坝为研究对象,通过室内试验、数值模拟和理论分析对堰塞坝溃决模式形成机理和判定条进行研究。首先,查阅相关资料,收集典型的堰塞坝案例,获得实际堰塞坝的坝体几何形状、密度等参数。在此基础上,通过开展不同材料、不同密度和不同坝体形状的堰塞坝溃决试验(水槽试验),分析了堰塞坝不同影响因素对溃决模式的影响。坝体材料为颗粒级配良好、粗颗粒含量较多的混合土时,常发生漫顶溃决或滑动溃决;坝体材料为颗粒均匀且粒径较大时粗砂时,常发生渐进式溃决;坝体材料为颗粒均匀且粒径较小的中砂时,常发生漫顶溃决。对于同一材料,密度的增加会减小坝体材料的渗透系数,降低渗流速度,导致坝体发生漫顶溃决。三角形坝比梯形坝更易发生渐进式溃决,背水坡坡度的增加会缩短渗径长度导致浸润线与背水坡坡面相交,增大渐进式溃决模式发生的概率。其次,探讨了漫顶溃决、滑动溃决和渐进式溃决三种模式的形成机理和溃决过程。发生漫顶溃决的堰塞坝坝体材料渗透性最差,雍水过程中土体骨架未破坏,仅发生较少量的细颗粒运移。水流漫顶后侵蚀溃口,使溃口加深加宽,溃口斜坡处发生间歇式失稳垮塌,最终,侵蚀表层出现粗化层;发生滑动溃决的堰塞坝坝体渗透系数较大,雍水过程中饱和区面积增大,孔隙水压力增大,且未在背水坡溢出。长期的高孔隙水压力使坝体稳定性差,粗颗粒骨架和细颗粒均发生移动,导致坝体失稳滑动。滑动体淤积在下游坡面,水流冲刷下切泄流槽,发生溯源侵蚀,坝体溃决;发生渐进式溃决的堰塞坝坝体渗透系数最大,土颗粒间孔隙大,渗流作用强,浸润线前进速度快,其到达背水坡坡面导致土颗粒被冲出形成溢流面,水流漫顶后侵蚀溃口使溃口展宽并加深,坝体溃决。最后,本文考虑影响堰塞坝不同溃决模式发生条件的各个因素,提出了一种基于上游水位的堰塞坝不同溃决模式的判定方法。通过对不同溃决模式的堰塞坝破坏时的最低临界水位进行量纲分析和曲线拟合,分析了堰塞坝不同溃决模式的溃决无量纲水位Dcr/H与影响因素之间的关系,找出了堰塞坝渐进式溃决、滑动溃决和漫顶溃决三种模式的临界条件,建立了含底床坡度、背水坡坡度、中值粒径和孔隙率影响因素的函数关系对堰塞坝的不同溃决模式进行预判。
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