人工坝溃决洪水峰顶流量计算公式应用于滑坡堵江坝的可行性探讨

滑坡堵江事件在山区广泛发育,堵江形成的天然坝的稳定性一般不高,在暴雨、地震等诱发因素的作用下可能发生溃决,溃坝洪水对下游河道及沿江两岸的各种设施及居民生命造成巨大威胁,因此溃坝洪水计算意义重大,而峰顶流量和洪水演进过程中洪峰高度的变化直接决定了溃坝洪水的灾害程度。利用谢任之教授提出的人工坝溃决洪水计算方法,根据滑坡天然坝体溃决的实际情况,合理地分析溃口形态,调整了溃口宽度的取值方法,并将其应用于滑坡堵江天然坝瞬时溃决洪水峰顶流量计算中,经历史溃坝实例验证计算结果可靠,为天然坝溃决洪水峰顶流量计算提供了新的思路和方法,也为溃坝洪水灾害评价提供了重要依据。     

黄土丘陵沟壑区典型淤地坝坝系结构和溃坝模拟分析

进行淤地坝溃坝风险研究可保障淤地坝下游地区群众的生产生活和财产安全。为科学认识黄土丘陵沟壑区淤地坝坝系结构及其溃坝风险,以宁夏什字河小流域为例,采用MIKE11模型分析什字河坝系内部级联作用关系,模拟什字河坝系在暴雨洪水条件下的溃坝过程,结果表明：(1)总体上什字河坝系可划分为阳屲、姚套和穆沟3个坝系单元,各坝系单元之间在洪水泥沙的控制关系上表现为联合拦蓄、互为补充、彼此协调;什字河坝系当前泥沙淤积量占总库容的10.35%,仍具有很大淤积潜力。(2)在300 a一遇暴雨下,什字河坝系中有3座淤地坝会发生连锁溃坝,分别为民主、赵家崖、穆沟淤地坝。在暴雨开始后的11 h坝前水深达到最大值,发生溃坝后,水深会快速下降至2～3 m,之后会缓慢下降直至溃口达到最终稳定状态,水深接近0 m;溃坝前坝后水深达到最大值,发生溃坝后会急剧下降,之后缓慢下降。(3)发生溃坝前,由于降雨汇流作用主沟道内断面处水深不断上升,发生溃坝后,水深迅速上升至最大值,随后迅速下降后再缓慢下降,直至最终达到稳定状态,水深接近0 m。     

不同条件下泥石流堰塞坝的溃决过程

[目的]对不同因素作用下的泥石流堰塞坝溃决过程进行试验研究,为泥石流堰塞坝的灾害防治和灾后重建等提供科学支撑。[方法]开展了不同来水流量、坝体形态、黏粒含量、坝高和初始含水量条件下的溃决试验。将漫顶溃决过程分为4个阶段:坡面侵蚀过程、陡坎侵蚀过程、下切和侧向侵蚀过程和衰退过程。此外,分析了泥石流堰塞坝坝体破坏机理,并给出下游坡面泥沙起动临界条件的计算式。[结果]溃决流量与来水流量之间呈非线性正相关;溃决洪峰流量随着背水坡坡度增加而增加;溃决洪峰流量随着坝高的增加而迅速增加,泥石流堰塞坝坝体黏粒含量与溃决洪峰流量之间整体呈现负相关;溃决洪峰流量随着土体初始含水量的增加而缓慢降低,但变化的范围不大。[结论]在泥石流堰塞坝溃决的不同因素中,坝高和黏粒含量影响最大,来水流量次之,背水坡度和初始含水量影响最小。     

天然坝决堤过程及流量变化的研究

天然坝及其类似堤坝的决堤,前人主要是对坝体的决堤过程、洪峰和溢流形成的机理、以及预防决堤的对策和决堤时流量的推测等方面的研究,但就关于天然坝决堤过程及其决堤时流量的变化尚有很多不明之处;为此,2006年日本学者小田晃等人通过模拟试验对天然坝的决堤的侵蚀过程和决堤时的流量,以及天然坝的不同构成材料和不同形状进行了研讨。其结论是黏着性差的沙质材料天然坝,极易发生溢流侵蚀,其最大溢流流量比膨润土混合材料的高30%~70%;最大溢流量的发生时间沙质材料坝比膨润土混合材料坝提前5~10 s;沙质材料坝,决坝时最大溢流过程线呈尖锐状;坝体下游边坡比降缓,不易发生急剧的侵蚀,最大溢流量也小,发生时间也迟,溢流持续时间也长;天然坝决堤的初期,在顶端急剧向纵向侵蚀,而横向侵蚀则发生在最初溢流高峰之前。此项研究,将对我国研究沟壑治理工程提供良好的借鉴材料。     

川藏公路南线泥石流坝溃决洪水过程试验研究

川藏公路南线(西藏境内)由于区域地质地貌和气候环境条件的特殊性,近几十年来曾多次发生泥石流堵溃事件,坝体溃决所产生的洪水给下游造成了灾难性破坏.根据13组室内泥石流坝溃决模型试验对洪水流量过程进行研究发现,对流量影响最大的是堵塞坝的溃决形式,即重力再启动形式的溃决洪峰流量最大,水力再启动次之,冲刷型溃决最小;溃坝洪水洪峰流量与上游来水量流量成正比关系.溃决过程中的洪峰位置出现在库区水下泄30%～50%的时候;不论哪种形式溃决,洪峰在时间轴上的位置主要集中在整个洪水历时的1/3处.该研究可以为泥石流坝溃决洪水预测和下游综合避险减灾提供参考.     

尾矿库水土流失预测及控制研究

尾矿坝是由粒度较细的砂土类以水力充填方式沉积形成的堆积坝,易产生水土流失,极端情况下发生溃坝,将对下游的社会经济和生态系统造成无法估量的影响.以金堆城栗西尾矿库为背景,对尾矿坝坝坡面及建设弃渣水土流失进行了预测并提出了治理措施;通过对世界范围内多座尾矿坝溃坝数理统计分析,预测了二等尾矿库一旦发生灾难性溃坝,尾矿流失量约数千万立方米,流出的尾矿将覆盖下游数百米至数公里长的土地,尾矿水将影响下游数十公里至数百公里;分析导致溃坝的主要因素是干滩长度严重不足和排渗设施不够引起的浸润线过高而造成渗透破坏;运用三维渗流模型,分析了不同干滩长度和不同排渗设施等对浸润线的影响,提出可通过增加排渗设施、控制干滩长度等措施确保坝体稳定安全.对规划坝高坝体渗水量进行了预测,提出对应工程措施并进行了实践,取得良好效果,为高堆尾矿坝水土流失预测和控制提供有价值的借鉴.     

降低堰塞湖灾害风险的措施

因地震、暴雨、洪水等突发性灾害而诱发堰塞湖的事件,当泥沙或洪水蓄满将溢出堰塞湖,在下游流域有可能发生泥石流和洪水泛滥等灾害。2010年日本学者水野秀明等人通过采取混凝土材料不同方式覆盖堰塞湖坡面不同部位,可降低因堰塞湖溃坝所造成的泥沙灾害危险程度。其结论是:将混凝土材料多层设置在较广泛的范围,更能降低流量和泥沙质量浓度的最大值;能更多地残存泥沙。但很难降低坝前水深。在事先采取预防措施的情况下,底部固定(砌护型)要比预留缝隙型更能降低流量的最大值及泥沙质量浓度。     

堰塞坝滑坡几率与坝型参数的关系

堰塞坝因在堆积过程中,不能达到水工建筑物的质量要求,多因积水或洪水漫顶而失事,造成下游泥沙洪水灾害。2005年日本学者森俊勇等人应用圆弧滑动原理对堰塞坝坍塌过程中滑坡发生几率进行了研讨,通过计算黏着力、内摩擦角、坝体下游面坡度、坝高、坝顶宽等参数,得出坝体的安全率。当坝体材料内摩擦角和黏着力较小时,坝顶宽为1 m,下游面坡度为30,°坝高30 m以上的堰塞坝,在上游溢水位达到坝高1/4之前可能发生滑动破坏;坝高15 m的堰塞坝,在上游溢水位达到坝高3/4之前可能发生滑动破坏。但在研究实际形成的堰塞坝时,应从堰塞坝的坝顶宽、坝体积、满水时溢水位流速以及与坝体材料的土质系数相关的资料入手,进行推测,推断滑动破坏发生的可能性。在可能发生滑动破坏的区域,有必要研究溢流侵蚀的机理以及组合式滑动破坏。     

有关天然堤坝发生滑坡决口的机制研究

天然堤坝多因洪水漫顶、坝体浸润过度而产生滑坡或形成管涌扩大导致决口溃坝,对下游地区构成巨大危害。水利部门都致力于研究天然堤坝决口的机制,进行危机预警管理,降低经济损失。2005年日本学者森俊勇等人针对日本天然堤坝决口的现象,收集许多滑坡决口、管涌决口的事例,采用高峰流量的推算方法,对天然堤坝决口的机制进行了研究,其结论:筑坝材料的黏着力、内摩擦角、堤坝下游边坡坡度、坝高、坝顶宽度等决定堤坝的安全系数。当堤坝材料的内摩擦角和黏着力小时,库区水位达到1/4,坝顶宽为1 m,下游边坡坡度为30°时,坝高为30 m以上的天然堤坝及库区水位达到3/4,坝高在15 m的天然堤坝,就有发生滑坡决口的可能。     

对坝系相对稳定几个重要问题的认识

在沟道内如单坝能实现相对稳定,则坝系也可实现相对稳定,而坝系相对稳定并不是指每个单坝都有可能和必要全部达到相对稳定.坝系相对稳定的最大设计单元控制在面积30—50km~2的小流域内比较符合实际.坝系建设与坡面治理之间有着密不可分的联系,坡面治理具有减洪滞洪作用,可使坝系达到相对稳定所需的坝库数量及单坝高度相应缩减,从而减少坝系工程规模,缩短坝系相对稳定的形成时间,提高坝地的利用率和保收率.目前所采用的坝系相对稳定系数(淤地面积与坝控制面积之比)反映了流域坡面产流产沙与坝系滞洪拦沙之间的平衡关系,但有一定局限性,应以此系数为中心建立一套能全面描述坝系相对稳定状态的指标体系.