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。     

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。     

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.     

通过三维渗流计算评价某滑坡坝渗透稳定性

黄河上游某滑坡坝由两岸滑坡物质形成,进而形成了天然堰塞湖,附近区域现已成为国家自然保护区核心区。为了对该滑坡坝的渗透稳定性进行较深入的研究,首先通过试验资料确定了坝体与湖积纹泥渗透稳定的可能破坏形式、临界水力坡降和允许水力坡降,在此基础上通过三维数值计算对滑坡坝在正常湖水位与极限湖水位两种工况进行了渗透稳定性评价。具体评价方法为,在每种工况下先评价计算范围内最大水力坡降方向每一格点（计算剖分网格）的渗透稳定性,进而评价整个坝体的渗透稳定性。研究结果表明,在正常湖水位与极限湖水位两种工况下,坝体均不会出现渗     

利用铁丝网坝拦截滑坡体的试验研究

防治泥沙灾害,以往多采取被动式挡土墙。1971～2011年日本学者千叶干等人研究弹性挡土墙—利用铁丝网坝拦截滑坡。在实际坡面的底端设置铁丝网坝,重复数次拦截泥沙,最终铁丝网坝没有破坏。应用高频照相机摄影解读出泥沙滑动速度为11 m/s。能拦截来自高为5～100 m,坡度为30°～60°坡面上最大粒径为60 mm的泥沙。实践证明铁丝网坝具有拦截滑坡泥沙的功能。     

冰滑坡涌浪下冰碛坝溃决机理试验研究

[目的] 对冰滑坡涌浪导致的冰碛坝溃决过程与溃决机理进行试验研究,为冰川区重大工程建设和冰湖冰碛坝溃决灾害防治提供科技支撑。[方法] 开展不同滑块体积、滑动角度、滑动距离、坝体物质组成和坝体几何形态的水槽模型试验。基于试验现象、试验数据与理论推导,对涌浪过程、坝体物质起动和坝体溃决临界条件进行分析。[结果] ①冰滑坡涌浪随时间和距离不断衰减,其随时间衰减显著。②将涌浪作用下的溃决过程分为坡面侵蚀、陡坎侵蚀、侧向侵蚀和衰退4个阶段,其中侧向侵蚀阶段的溃决流量最大,流速最快,侵蚀能力最强。③从颗粒起动机理的角度给出了颗粒起动流速,与沙莫夫公式进行对比分析,对比结果较为吻合。④基于能量守恒原理得到了冰湖溃决事件发生的临界条件,通过西藏自治区林芝市波密县米堆沟光谢错冰湖溃决事件进行验证,验证结果良好。[结论] 冰湖库容越大、坝前水深越深、涌浪高度越高,坝体越易发生溃决;冰碛坝堆积物中细颗粒含量越高,坝体颗粒间黏附力越强,坝体越稳定;冰碛坝坝宽及下游坡脚越大,坝体越稳定,溃决所需时间越长。     

泥石流特性模拟方法与研究

对于泥石流特性的研究,2005年日本学者中谷洋明等人针对泥石流存在明显不同流动的现象,从流速和弯曲部位两方面入手,通过仿真模型演示泥石流在陡坡面上及弯曲部的流动特性,在此基础上采用解析法对模型的适用性进行评价。其结果表明:流速随时间变化有共同增大的趋势;弯曲部左、右岸水位落差为25 m,有显著偏流的结果。泥石流发生36 s后,对建筑物(堰坝)产生冲击,距洪峰(160 kN/m)到达时间只有1 s。正面龙头部分瞬间的冲击力很大。且在泥石流龙头部分集中大的砾石,其冲击力导致建筑物破损。计算的结果表明,最下游的堰坝及下游侧流出的沙石量与上游流入量对应成比例。并且,有堰坝其流速、偏流的高度,比无堰坝要小得多,流出的泥沙量也有减半的效果。今后,要在模型与粒径、粒度分布等的灵感度进行分析。并要考虑建立综合性的解析模型,以提高计算能力。     

一种泥石流拦砍坝溢流口的防冲设施

本文介绍的是四川省黑水县芦花沟泥石流拦砂坝溢流口防止冲刷的一种钢件结构设施。其结构型式是:在拦砂坝溢流口下游侧底面与下游坝体垂直临空面交接处,用8-10毫米的钢板作成,伸出下游临空面59厘米,高出溢流口底面10-15厘米的钢件,用φ25毫米的螺纹钢筋焊接后,再在坝体溢流口浇筑50厘米厚的200号钢筋混凝土,使其与拦砂坝衔接成整体。有这种设施的溢流口,能拦蓄一层泥石流,起消能和缓冲作用。在后来的泥石流过坝时,将泥石流对坝体溢流口直接的冲刷、摩擦、碰撞和淘蚀作用的外力,变成泥石流内部的石磨石、砂磨砂的内力,从而保护拦砂坝溢流口不被过坝泥石流所破坏。     

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。     

不设溢洪道混联骨干坝除险加固顺序分析

淤地坝除险加固旨在提高已建坝系的整体防御能力和建设标准,但在对不设溢洪道混联骨干坝除险加固的过程中,若增设溢洪道的先后顺序安排不合理或没有充分论证,则可能发生溃坝的连锁反应,会造成新的更大的安全隐患,给当地人民生命财产安全带来极其严重威胁。以茶店梁沟的5座混联骨干坝为例,通过计算明确由坝体和放水工程"两大件"组成的混联骨干坝增设溢洪道的优先顺序为从下游到上游逐坝进行。     

依据河床比降、河宽的侵蚀模拟

评价预测泥石流泛滥区域和沟壑坝系等防御泥石流措施效果,最有效的方法是数值模拟。2009年日本学者铃木拓郎等人具体研究了伴随坡度变化、河床束窄区域及坝系工程的泥沙堆积过程。其结论:在侵蚀与堆积初期,在坡度变化点的下游发生侵蚀与堆积。在同等的水与泥沙总供给量、流量、持续时间的条件下,侵蚀与堆积过程在短时间内,由大流量供给,在下游有泥沙侵蚀与堆积现象。在固定坡度的条件下,河道宽度变化时,首先在狭窄部位上游发生堆积后,下游发生侵蚀,并慢慢上朔,最终出现全部发生侵蚀的结果。泥石流在冲击坝体的瞬间,泥沙急剧的堆积。流量变大,堆积坡度变小,坝下游的泥沙流出相应提前,更多的泥沙向下游流出。模拟结果符合现实发展的自然规律。     

南垒河防洪断面防汛特征水位修订分析

根据孟连县南垒河河床冲淤变化情况、防洪工程现状、防护对象的防洪需求及孟连县南垒河流域历史出险等情况,对孟连水文站防汛特征水位进行分析,结果表明,原防洪断面特征水位不具有指导下游洪水预警、防汛抗洪决策而失去意义,因此提出对原防汛特征水位进行修订。通过分析,当上游发生洪水,预警下游县城和芒信镇做好防汛抢险准备工作时,孟连水文站的警戒水位为957.42 m,当发生20 a一遇大洪水时,要保证下游县城和芒信镇的防洪安全,孟连水文站的保证水位为957.75 m,修订后的防汛特征水位可为孟连县防护对象洪水预警、防汛抗洪提供重要的决策依据。     

日本有关透过型坝拦截泥石流的调查分析

对日本长野县姬川水系松川上游的唐松泽设置的钢制透过型砂防坝南股 4 坝 ,拦截石砾型泥石流及坝体材料受损情况进行调查与分析。其结果 :钢制透过坝拦截含大量巨石的泥石流龙头部及后续流泥沙 ,并向坝内侧上方堆积 ,当坝内快速地积满了泥沙之后 ,泥石流后续流带着巨石越过坝顶而落下 ,巨石撞击坝的横梁和水平梁 ,使这部分材料受损。其原因 :巨石从坝顶落下时具有向下游一侧水平方向的速度和巨石容易撞击钢管。因此 ,在坝体容易受泥石流撞击的地方 ,应将水平面上的副梁和水平梁尽量拆除 ,并设法在该处不让巨石落下。针对泥石流对坝的缝隙部位可能有扭曲作用 ,建议对其坝体材料的安全性进行三维的研究。     

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.     

三峡库区某沟内人工弃土堆积体稳定性研究

三峡库区某冲沟内一人工弃土堆积体在降雨作用下时常发生小规模坍滑,一旦发生整体失稳,将对下游居民生命财产和交通设施安全构成严重威胁。对堆积体在多种工况条件下的稳定性进行了计算分析,结果表明:当堆积体上下游沟内没有流水时,基本处于稳定状态;雨季来临时,随着上游水位升高,堆积体稳定性安全系数降低,上游水位超过5 m时堆积体可能发生失稳破坏。最后在渗流和稳定性分析结果基础上提出了防治方案。     

黄土高原水土保持骨干坝设计中存在的问题与建议

通过对贯彻落实水利部关于进一步加强淤地坝建设管理和安全运行若干意见过程中水土保持骨干坝设计存在问题的分析,提出了在水土保持骨干坝"三大件"枢纽组成结构条件下,放水工程、溢洪道及其消能防冲设施的设计思路,以及坝体渗流计算在正常和非正常情况下的上游水位及其渗流计算条件的设定,对进一步加强淤地坝建设管理和安全运行、科学合理地进行水土保持骨干坝设计具有指导意义。     

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。     

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。     

天然坝溃坝模拟试验

因滑坡等形成泥石流堵塞河道,称之为天然坝。天然坝溃坝会造成下游区域危险性灾害。从防灾学的观点出发,预测天然坝形成地点,事先设置防范设施或采取应急处置措施,利国利民。2007年日本学者小田晃等通过模拟天然坝的过流试验,得出如下结论:坝顶较宽的天然坝,溃坝时的洪峰流量较小,最大值发生时间迟;坝坡缓的天然坝,洪峰流量较小,最大值发生时间迟。基于上述结果,在防灾减灾对策上,尽量减缓下游边坡比降,尽最大努力选择合理颗粒级配,增加施坝相对密度,在坝背水坡作反滤处理或堆积碎石,有条件的地区,可在坝下游坡面洒胶合剂,抑制坡面的侵蚀等。     

高堆尾矿坝堆积特性及三维渗流数值分析研究

栗西尾矿坝深钻孔勘探试验指标统计及多种原位测试结果分析表明,高堆尾矿坝深部的干容重指标要显著高于浅部,堆积坝体同一空间位置,同样埋深下干容重指标具有随时间明显增长的规律.提出了高堆尾矿坝稳定性分析中对同一类尾矿材料(如尾中砂、尾粉砂),可按早、中、后期分区统计选取力学指标的观点.采用改进子排水结构法精细模拟尾矿坝密集排水孔,采用减小干区渗透系数的不变网格模拟分析方法处理浸润面之上的虚拟流动,得到更加接近实际的尾矿坝三维渗流数学模型.采用复杂三维渗流控制分析计算程序,反演分析了现状坝高135 m的渗流场、浸润线及渗流量.计算分析结果与勘察剖面地下水位、观测总渗流量比较一致,误差不大于13%.同时表明在辐射井排渗系统作用下,可显著降低尾矿坝体潜水面,因此建立的渗控模型,可以应用于后期加高的计算分析中.