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。     

沟壑坝系工程洪水、泥沙溢流计算

在水土流失区,沟壑治理多采取坝系配套工程。但却对沟壑坝系工程失事的溢流现象缺乏相应的观测资料,而不能解析。影响到沟壑治理的整体设计。2008年日本学者中谷洋明在首取川流域应用水中听音器系统观测流沙量,在中规模的101 km2流域进行流沙解析。揭示了沟壑坝系工程洪水流沙波形的变化规律。其结果,流沙波形前期由稍有堆积向小规模流出方向发展,中、后期流沙量有增加趋势。流沙的流出平均速度为0.461 m/s,约为流水的1/3。计算流量和计算流沙量几乎不相关。下游坝的计算流沙量多比上游坝大。虽然本次研究的事例规模较小,但通过在满沙的坝系工程泄洪排沙的定量分析,提出的分析方法,确定在一定程度上能够得到有价值的参考。有关此类事件分析,还有待于进一步积累观测分析,以指导坝系工程规划设计。     

天水市红花咀沟滑坡泥石流分析防治

红花咀沟上游和侧壁经过多次小规模滑移,堆积黄土疏松,随着夏秋集中降雨,滑坡体在失稳后会沿着红花咀沟顺流而下,携带沟内的大量黄土物源转变泥石流,估计潜在的泥石流物源有105 m3。利用颗粒流数值分析以及Lorente模型、刘希林模型的对比,确定了滑坡泥石流的规模及危害范围。选取布设拦挡坝的防治措施,计算得到布置拦挡坝后,泥石流前缘距离缩短为1 531m,堆积区宽度降低至552m,在房屋公路农田中堆积区的宽度减小到174m以及泥石流的峰值速度降低为10.1m/s。提出拦挡坝评价指标P来衡量其防治效率,计算结果显示拦挡坝可以很大程度降低泥石流的危害程度。     

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。     

基于鱼类上溯行为的导鱼堰设计与效果评估

河道内鱼类上溯路径不唯一,聚集位置更是难以预测,对鱼类上溯行为进行有效引导有助于提升过鱼设施进口的效率。为此,该研究提出了一种导鱼堰的概念和设计方法,结合姚家坪水电站的过鱼设施,利用流场三维数值模拟、鱼类洄游（active fish migration,AFM）模型和实鱼试验对导鱼堰的效果进行评估。结果表明：姚家平水利枢纽工程的导鱼堰上下游水面落差为0.36～0.40 m,过堰水流流速可达1.5～2.8 m/s,形成阻鱼的屏障,并在导鱼堰下游侧形成了诱导鱼类向集鱼渠进鱼口游动的唯一低流速上溯通道,鱼类聚集点趋于唯一,验证了导鱼堰方案的合理性。利用鱼类洄游模型对导鱼堰的导鱼效果进行预测,结果表明,下游高水位和低水位2种工况下,90%以上的鱼类游动路径均表现出相似的规律,鱼类沿河道右岸和导鱼堰下游侧的低流速通道上溯,并最终聚集在集鱼渠的进鱼口处。放鱼试验中试验个体全部进入集鱼渠,结果进一步证实导鱼堰可以有效引导鱼类游动路线,并在集鱼渠进鱼口处形成唯一的聚集区。本文提出的导鱼堰丰富了生态水工建筑物的形式,可为过鱼设施进口的水力设计及下游河道的局部整治提供参考。     

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。     

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。     

四川省汶川县下庄沟“8·20”泥石流成因分析及堵江范围预测

[目的] 探究四川省汶川县下庄沟2019年"8·20"泥石流成因、形成过程及堵江特征，为该区域泥石流灾害防治预警提供科学参考。[方法] 结合野外调查与遥感影像对泥石流物源供给条件及泥石流形成、侵蚀搬运与堵江过程进行了分析，并采用FLO-2D模型开展不同降雨强度下的泥石流堵江范围分析。[结果] 震后泥石流流域部分崩滑体物源持续补给沟道物源，致使沟道物源不断累积，短历时强降雨形成径流不断侵蚀沟道物源，形成沟道启动型泥石流。下庄沟"8·20"泥石流大量碎屑物质搬运出沟口后形成顺河长度达280 m，横河最大宽度110 m的堰塞体，堵江模式为堰塞坝全堵。堵江范围分析结果显示：5年一遇降雨频率下物源滞留在沟道中，无堵江现象；20年一遇降雨频率下，泥石流基本堵断杂谷脑河，极易形成堵江现象；在50年一遇降雨频率下，泥石流完全堵断杂谷脑河，形成堰塞湖。[结论] 下庄沟与杂谷脑河垂直交汇，且沟口建有水电站的引水坝，极易形成堰塞坝堵江现象。在汛期降雨强度较大时仍可能会暴发泥石流造成堵江，今后的泥石流防治还需加强防洪预警等减灾措施。     

关于上部狭窄式格栅坝的研究

在泥石流易发区,设置格栅坝,以期达到阻止泥石流的流动或起到消能的作用。以往的实践证明,同规格格栅坝拦截泥石流效果不十分理想。因此,在试验的基础上,研究了泥石流粒径、质量分数变化的特点,通过同规格及上部窄格模型坝拦截泥石流的模拟过流试验,分析7种格栅尺寸的坝型拦截泥石流的效果,得出如下结论：同规格及上部窄格格栅坝均能有效地拦截泥石流的龙头;泥砂量减少率随着上部的Linin／d95值的增大而减小,当Lmin/d95＜1．6时,减少率达到80％以上;且随着下部格栅间隔的增大而减小。因此,在具体设计时,应采用上部窄格的格栅坝型,下部格栅尺寸在考虑Lmin/d95的基础上,同时还应考虑Lmax／d95的比值。     

利用林木简支梁防治泥石流

森林具有防御或减轻自然灾害的机能。缓冲林带可促进土沙的堆积。利用林木作成简支梁可防御泥石流。通过对林木简支梁的受力分析 ,提出树干 (立木 )、梁 (横木 )抵抗泥石流冲击力所需的强度及最小胸径、直径和林间距的设定方法。研究结果表明 :当林木密度为 80 0株 hm2 、立木间距为 3 5m时 ,基本上可抗御泥石流。梁最小直径、立木胸径应随着泥石流速度增大而增大。当流速为 5m s时 ,粱直径选择 2 2～ 36cm。立木胸径计算值为 36 5～ 5 1 5cm ,但实际上 12～ 30cm也可满足实用要求。为增强拦截效果 ,可增设支撑措施。     

利用铁丝网坝防治泥石流

防治泥石流的坝型有多种,各具特色。2002年8月日本学者今井一之等人研制出铁丝网坝,对泥石流进行拦截。其结论是:铁丝网坝从第一次拦截泥石流开始,到上层泥沙覆盖为止,能有效地拦截泥石流龙头砾石群,构成透过石笼堤的最低形成条件。在绳结局部残存变形的条件下,其结构面仍有拦截作用。复原时去除切断的绳结,剩余所有构件再次使用时,迅速对应的挂起来。清除砾石时,操作安全,而且作业迅速。存在问题是:后续泥石流对左右两岸河床仍有冲刷作用;主索的回转角度偏大,向下游移动过大;再次使用的构件耐久性不明确等。当我国引用其方法时,应对存在问题采取适当的对策方案,对铁丝网坝进行改进,达到最佳使用的目标。     

渗透型堰堤拦截细粒径泥石流的性能

世界各地均在致力于研究采用何种措施防治泥石流效果最明显。日本将钢制渗透型堰堤作为拦截泥石流工程首选。2010年日本学者守山浩史等人就钢制渗透型堰堤基本构造形式拦蓄细粒径泥石流效果进行研究,其结论:采用钢制渗透型堰堤环网状结构形式,能更好发挥拦截泥石流效果,并能吸收泥石流冲出能量。但堰堤最下段开口部狭窄,易存留巨石和流木等,所以有必要定期除石。将此作为今后的课题,且应注意收集堰堤下段的开口部尺寸、形状与拦截泥石流效果数据,改善工程性能。其试验报告对我国此项研究具有借鉴意义。     

发生泥石流时缝隙坝的拦沙机理

通过试验和实地考察,证实了钢管透水型防沙坝具有拦截泥沙作用.同时,通过试验模型、实地调查也进行了缝隙坝对冲刷泥沙调节效果的研究.但混凝土缝隙坝对泥石流拦截作用尚未做过系统的调查研究.缝隙坝发挥拦截泥沙作用主要取决于坝堤回水是否导致泥石流前端不能到达坝址处就停止,而在退水期,堆积在坝堤近旁的细粒泥沙流出后,总体上不能拦截泥石流等问题.这将是决定能否在有泥石流危险的溪流处设置缝隙坝的首要问题.因此,设想在泥石流危险河段中间、出口、泥石流冲积扇上端改变行洪坡度来观察缝隙坝对泥石流、泥沙流、冲刷流的泥沙拦截作用.     

日本对泥石流泛滥模拟的研究

研究、掌握泥石流流动、沉积、泛滥的危险区域 ,利于制定警戒避难体制、防灾对策、土地利用的方案。泥石流二维泛滥模拟方法虽有许多 ,但大多数未做过充分细致的模拟研究。日本九州大学平野宗夫等人采用日本云仙、水无川的水位、流速及流出泥沙量的实测资料 ,由雨量图计算出泥石流水位图 ,将其作为上游的边界条件 ,采用前述挟沙量关系式进行模拟云仙、水无川的泥石流泛滥 ,并与实际沉积度比较后加以检验 ,研究了以往挟沙量关系式的现场适用性。模拟结果与实际状况比较后确认再现性良好。在阿苏古惠川也获得了同样的结果。     

铁丝网坝的性能设计

铁丝网坝是为防治泥石流而设计的渗透型水土保持设施。1975年在日本上上掘泽进行了试验研究,其作用是减少泥石流的流动。但1976年发生的石砾型泥石流,使原网坝中部的4条吊索断裂。分析存在的问题:吊索荷载过于集中,向吊索的下游方向移动不顺畅,造成吊索的磨损。2003年改良设计,重点加强了对荷载集中吊索的研究,充分考虑了吊索向下游方向位移,研究了除石以及复位作业的施工性。据2010年日本相关部门统计,按新方法设计的铁丝网坝,至此已捕捉数次泥石流。在性能方面主要体现在:1)通过减少河床作业保证施工安全;2)能充分考虑自然环境;3)能确实捕捉泥石流。     

官坝河泥石流动力学特征参数

青藏高原东南缘构造断陷湖都不同程度地受到山洪和泥石流侵蚀带来的泥沙淤积的影响.其中邛海的泥沙淤积问题最具代表性.邛海日益严峻的泥沙淤积问题的解决取决于流域内山洪和泥石流的治理.在此背景下,分析了邛海流域官坝河地形地貌特点和邛海泥沙淤积特征,并计算了官坝河泥石流动力学特征参数.研究发现,官坝河流域泥石流属于过渡性-黏性泥石流,1998年官坝河泥石流最大洪峰流量为813.7 m3/s,泥石流最大动压力和大石块冲击力分别为147 kPa和1.63×105 kN.据此提出了邛海流域官坝河泥石流防治建议:在官坝河上游支沟采用稳拦防治措施以稳固沟床和拦挡大颗粒物质;在官坝河下游采用拦排清防治措施以减少细颗粒物质进入邛海并定时清理河床泥沙. 邛海流域官坝河泥石流的治理可为青藏高原东南缘构造断陷湖区域内的山洪和泥石流治理提供一定的参考价值.     

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。     

流域源头泥石流的流动形态

掌握流域源头泥石流流动形态的信息对实施措施至关重要。然而,由于监控困难而鲜有对荒废溪流源头泥石流进行观测。为监测其流动形态,在日本中部的大谷滑坡内的"一泽"流域上游建立了监控系统。通过实地监测获取的视频图像分析,将其流动形态分为两种:一种以石砾为主,另一种以泥水为主。以石砾为主的泥石流因有更大的流阻而不能用曼宁公式计算;后者的流速可用曼宁公式计算。在泥石流流动中,石砾在前,泥水在后。在典型的泥石流波动中,石砾流流经时,流深最大;在泥石流流经时,流速最大。某些波动仅包含一种流动形态。在流动中,石砾的颗粒大小不同。在"一泽"流域上游泥石流颗粒大小分布不清晰。     

5·12地震后灾区泥石流危险度增加系数评价

5.12地震不仅直接引发了大量的崩塌、滑坡,而且降低流域内岩土体的强度,使其更易于受到侵蚀,从而为泥石流的形成提供丰富的固体物质。灾区震后泥石流活动频繁,并造成了较大的损失。泥石流沟的危险度评价是进行灾后重建的必要条件。选择震后固体物质增加量、地震烈度和堰塞坝规模这3个重要参数,提出了基于泥石流设计流量的震后泥石流危险度增加系数的评价方法。该方法通过计算地震后新增加的固体物质方量与通过配方法计算出的一次泥石流冲出物总量的比值,该比值与地震烈度影响系数的乘积及堰塞体蓄水量以流域50年一遇的流量排泄所需要时间3项之和来表达地震后泥石流危险度增加量。经灾区9条典型泥石流沟谷的计算验证,该方法做为一种新的方法,可快速、准确地评价5.12地震后灾区泥石流危险度的增加情况。     

泥石流水工模型试验

1953年7月,在早云山须泽流域(流域面积1.43 km2,沟道长约2.4 km)发生了因大规模滑坡性崩塌而引发的泥石流.这些泥石流使得土砂堆积量大约有80万m3,埋没了堰堤17座,山林7 hm2.