余震作用下堰塞坝体破坏及溃决过程大型振动台试验研究

山区特大地震往往导致大量堰塞湖,例如2008年汶川地震形成了至少257个堰塞湖,并且主震后发生了大量余震,这些余震可能会影响堰塞坝体的安全状态。通过大型振动台模型试验,研究了余震及库水耦合作用下堰塞坝体的破坏及溃决机理和过程。共进行了两组不同材料的振动台模型试验,分别模拟含黏粒较多且颗粒较小(坝体Ⅰ)和基本不含黏粒且颗粒较大(坝体Ⅱ)的两种坝体。在不同水位条件下进行振动台试验。研究成果表明:(1)地震和库水耦合作用下堰塞坝体的主要溃决方式是漫顶溢流,主要溃决过程为地震力使松散的堰塞坝体发生沉陷,库水渗入使沉陷加剧,最终水位上升漫过坝顶发生溢流冲蚀破坏。(2)地震一般不会直接引起堰塞坝体的破坏。地震力对坝体稳定性的主要影响是使坝体发生沉陷变形。在地震和库水耦合作用下,坝体沉陷比单一因素作用下更为剧烈,因此地震作用会使漫顶溢流提前发生。(3)地震和库水耦合作用下坝体Ⅰ沉陷量大于坝体Ⅱ,说明现实中由大粒径岩土体组成的堰塞坝体具有更好的稳定性。     

余震作用下堰塞坝体破坏及溃决过程大型振动台试验研究

山区特大地震往往导致大量堰塞湖,例如2008年汶川地震形成了至少257个堰塞湖,并且主震后发生了大量余震,这些余震可能会影响堰塞坝体的安全状态。通过大型振动台模型试验,研究了余震及库水耦合作用下堰塞坝体的破坏及溃决机理和过程。共进行了两组不同材料的振动台模型试验,分别模拟含黏粒较多且颗粒较小（坝体Ⅰ）和基本不含黏粒且颗粒较大（坝体Ⅱ）的两种坝体。在不同水位条件下进行振动台试验。研究成果表明：（1）地震和库水耦合作用下堰塞坝体的主要溃决方式是漫顶溢流,主要溃决过程为地震力使松散的堰塞坝体发生沉陷,库水渗入使沉陷加剧,最终水位上升漫过坝顶发生溢流冲蚀破坏。（2）地震一般不会直接引起堰塞坝体的破坏。地震力对坝体稳定性的主要影响是使坝体发生沉陷变形。在地震和库水耦合作用下,坝体沉陷比单一因素作用下更为剧烈,因此地震作用会使漫顶溢流提前发生。（3）地震和库水耦合作用下坝体Ⅰ沉陷量大于坝体Ⅱ,说明现实中由大粒径岩土体组成的堰塞坝体具有更好的稳定性。     

堰塞坝漫顶溃决过程溃口纵向下切与溯源

为进一步了解堰塞坝溃坝过程,开展了9组水槽模型试验,对溃口纵向下切和溯源发展过程进行了系统分析,并讨论了上溯源点移动速度与溃口水深之间的关系。研究发现：非黏性堰塞坝溃坝过程中,冲刷面与底床的夹角时刻发生变化,上、下溯源点位置不固定但也不能完全发展到坝踵;上、下坡面坡度增大到最大值1：1.5时,下溯源点到下游坝趾的最大距离与坝体沿水流方向长度的比值（x_p^*/x_d^*,反映下溯源点最终相对位置）对应降低到最小值0.24和0.18;坝体相对尺寸从1减小到1/2时,x_p^*/x_d^*值从0.38增大到0.47。上溯源点的无量纲移动速度是不断变化的,在无量纲时刻为0.13时,其x,y分量分别达到峰值0.94和0.32;上溯源点处溃口水深出现时刻相对移动速度峰值点出现时刻有延迟,大概延迟0.04个无量纲时间。     

不同沟床坡度堰塞坝溃口展宽历程试验研究

为了解堰塞坝在不同沟床坡度地段的溃口展宽历程,进行了沟床坡度为7°~13°,间隔为1°的7组水槽试验。对比分析7组试验观测数据,评价不同沟床坡度对堰塞坝溃口展宽历程的影响。得到如下结果及结论:(1)漫顶破坏的堰塞坝在不同沟床坡度地段的溃口展宽历程是十分相似的,根据其溃决特征,可将其展宽历程划分为溃口贯通、突变和稳定边坡形成等3个阶段。(2)在突变阶段溃口边坡沿x轴方向会发生多次失稳,溃口顶部形态在背水坡呈“S”型,在坝顶呈“U”型,在迎水坡呈“弧”型。(3)不同沟床坡度条件会影响突变阶段的溃决特征,随沟床坡度的增加突变阶段溃口边坡单次失稳规模表现出先增大后减小的特征,溃口边坡失稳次数呈现出先减少后增加的特征。(4)溃口边坡的稳定性主要取决于溃口的侧蚀宽度和下蚀深度,其与溃口顶、底部侧蚀宽度之差呈负相关关系,与溃口下蚀深度呈正相关关系。(5)不同沟床坡度堰塞坝的溃决流量随溃决时间的延长具有相同的变化趋势,但不同沟床坡度堰塞坝的溃决峰值流量和峰值流量到达时间却不尽相同,随沟床坡度的增加峰值流量逐渐减小,峰值流量到达时间先提前后推迟。     

考虑不同泄流槽方案的堰塞坝溃决机理分析——以唐家山堰塞坝为例

近年来,频发的地质构造活动和极端气候灾害诱发了大量堰塞坝,严重威胁上下游群众的生命财产安全。开挖泄流槽是最常用降低堰塞坝溃决风险的措施,由于时间非常急迫、交通极度瘫痪,其开挖量非常有限,因此如何利用有限的开挖量将溃坝风险降低至最小是亟待解决的问题。本文基于水土耦合冲刷机理,提出了考虑不同泄流槽方案的堰塞坝溃决机理分析方法,并应用于唐家山堰塞坝。该方法根据水力学参数和坝体抗冲刷性参数动态计算瞬时坝体冲刷率,进而分析泄流槽对溃决全过程的影响,从而自动获取最优的泄流槽设计方案。将此方法应用于唐家山堰塞坝案例发现:唐家山堰塞坝泄流槽最优设计时溃坝洪峰流量为1700m3·s-1,小于实际峰值流量6500m3·s-1,主要是因为增大泄流槽的纵坡率,显著增强溃坝前的冲刷并形成双洪峰,从而有效降低了溃决峰值流量。由于复合槽相对较小的水力半径限制了溃坝前的冲刷,使得临溃时水位较高,因此溃坝峰值流量比单槽大,溃坝风险降低效果不如单槽。     

滑坡堰塞坝越顶溢流破坏的物理模型实验

滑坡堰塞坝作为结构松散的堆积物,随着上游水位的不断上涨,其稳定性不断降低,并存在突然溃坝的风险。以唐家山滑坡堰塞坝为研究对象,基于相似原理,开展符合坝体颗粒级配的室内水槽物理模型实验,模拟了不同坝后蓄水量、不同水位和不同颗粒物质组成条件下坝体渗流、漫顶破坏的整个过程。监测结果显示：堰塞坝漫顶溃坝主要分为渗流、漫顶、冲刷和溃决4个过程;坝体堆积颗粒级配越差,坝体允许渗流坡降越小;相同材料配比的坝体,上游水位相同时,坝体底部水平位移最大,且漫顶溃坝时溃口尺寸与蓄水量正相关。该研究结果揭示了堰塞坝漫顶破坏规律,可为堰塞坝溃坝防治提供理论参考。     

考虑河床坡度和泄流槽横断面影响的堰塞坝溃决过程试验研究

针对缺乏地形条件和工程处置措施对堰塞坝溃决过程影响研究的现状,采用4种河床坡度（0°、1°、2°、3°）和3种泄流槽横断面型式（三角形、梯形、复合型）,开展了堰塞坝溃决的模型试验。通过分析堰塞坝的溃决流量、溃决历时、溃口发展和坝体纵截面演变过程,研究了不同河床坡度和泄流槽横断面对堰塞坝溃决过程的影响规律。试验结果表明：（1） 堰塞坝溃决过程可分为3个阶段。阶段I：溃口形成阶段,溃决流量较小;阶段II：溃口发展阶段,水流下蚀及侧蚀强烈,溃决流量到达峰值;阶段III：衰减-平衡阶段,粗化层形成,溃口停止发展。（2） 河床坡度增加意味着下游坝坡、坝顶及泄流槽的坡度增加,导致水流侵蚀能力增强,溃口下切迅猛,因此在0°~3°范围内河床坡度越大,峰值流量越大,峰现时间越早,溃决流量过程曲线越趋于“高瘦型”,且残留坝高越小。（3） 泄流槽横断面型式不同导致其槽深、槽宽和侧坡坡度不同,进而影响溃口发展和溃决流量。三角形槽的水土作用面积小,溃口下切及展宽速率最高,峰值流量最大,峰现时间最早;梯形槽的槽底高程最高,水土作用面积最大,溃口下切速率最低,峰现时间最晚;而复合槽介于前两者之间。试验成果将为堰塞坝应急抢险和工程措施的选取提供依据。     

堰塞坝溃坝模型实验研究综述

堰塞坝是天然形成的坝体,结构比较松散、稳定性差、渗透作用强,发生溃决危险性大、概率高、突发性强,而且破坏可能性高及产生的洪水威胁人们的生命和财产安全,因此需要系统、全面的研究。作者从单坝溃坝、级联溃坝及堰塞坝处置的溃坝试验进行详细的回顾,总结及分析了国内外学者在堰塞坝溃坝模型实验取得的成果及局限性,进一步分析了单坝溃决的颗粒级配、密实度、含水率、沟床坡度等因素,最后讨论了溃坝因素与溃决模式、溃决特征、溃决流量、溃口演化的关系。基于模型实验相似理论及模型比尺、实验测试手段、堰塞坝处置三个方面,提出了今后的研究重点。     

河流堰塞的地貌响应

堰塞作为一种极端地表过程,深刻影响着河流地貌的变化,特别是河流纵剖面的变化。其对河流纵剖面的影响主要体现在两方面:一方面,堰塞坝将抬高局地的侵蚀基准面,阻碍了上游河道侵蚀,形成河流裂点;另一方面,堰塞坝溃决往往形成大型/巨型洪水,造成下游河道和岸坡的剧烈侵蚀。稳定的堰塞坝形成后,在1~105 a的时间尺度上对河流裂点的发育以及河流纵剖面变化上甚至会超过构造、气候和岩性作用,占据主导。本文在简要概述堰塞地貌相关概念的基础上,介绍了部分河流堰塞的研究方法和案例,以及河流堰塞的发育过程和研究意义。目前多仅从堰塞坝与河流纵剖面的空间关系的相关性来论证其地貌响应,并且发现一些堰塞坝与河流纵剖面的相关性,但是也有一些古堰塞坝对现代河流纵剖面的影响并不显著,原因可能与堰塞坝规模、溃决洪水次数、堵江的持续时间和距今年代的不同有关,目前还缺乏深入研究。     

四川汉源康家坡滑坡形成机理与滑坡—堰塞坝—泥石流灾害链分析

2018年8月6日中午12时,汉源县富泉镇西沟发生大规模滑坡,约1.50×10⁶ m³松散碎块石土在前期持续降雨作用下沿西沟右岸高速滑出、解体,并在主沟道内形成堰塞坝,体积约4.00×10⁵ m³。滑坡造成1人失踪,近6.70×10³ m²耕地被毁,紧急转移50余人。通过现场实地调查,结合无人机航飞、三维建模、地质、地震、水文、气象等资料,对康家坡滑坡基本特征进行了调查研究,调查表明,有利的地形条件、松散的覆盖层、充沛的前期降雨入渗及溪水对坡脚的冲刷是形成滑坡的主要原因。西沟原本为一条高频泥石流沟,本文在此基础上分析了堰塞坝溃坝的可能性及灾害链成灾模式。     

沧州市土壤墒情变化规律研究

依据沧州市捷地旱情试验站2003~2014年监测资料,深入分析了沧州地区土壤墒情特点,研究了捷地试验站所代表区域(滨海平原区)的土壤墒情变化规律。采用实际观测资料,分析计算土壤消退系数K值,并求出逐月平均K值,建立退墒预报方案。构建P-θ_0-△θ组合图,即建立降雨量、雨前土壤含水率、雨后增墒的相关关系,由此分析得到土壤墒情增加的相关公式,进而可以较为准确地对未来墒情增加进行预报。通过2015年实测资料验证,比较增退墒方案以及经全面评定,其精度可以满足本地区墒情预报的要求。该成果对合理利用水资源,合理指导农作生产,促进水资源可持续发展,具有重要的现实意义。     

冻融循环下初始含水率对非饱和膨胀土剪切特性试验

为探究冻融循环条件下初始含水率对膨胀土偏应力-应变关系和剪切特性的影响,本文对不同初始含水率的非饱和膨胀土进行了不固结不排水三轴剪切试验。结果表明：1）非饱和膨胀土的偏应力-应变曲线的形式随含水率增大由应变软化逐渐转变为应变硬化,偏应力峰值随含水率增大而降低;2）非饱和膨胀土的抗剪强度随初始含水率的增加呈线性下降趋势;3）非饱和膨胀土在第1次冻融循环后偏应力及抗剪强度大幅度下降,在3~7次冻融循环后达到稳定。初始含水率是影响非饱和膨胀土力学性质的主要原因。     

冻融试验对土中含水量分布的影响

The silty clay and silty loam are two typical soil types obtained from two test sites along the Qinghai-Tibet railway. The two types of soil have been designed various initial dry densities, water eontents, temperature conditions in repeated freezing and thawing tests with free access to water at the bottom. Afterfreeze-thaw cycles, the moisture content in the freeze-thaw zone increases more than that in the unfrozen zone to the peak approximately at the top of the samples. With comparison of the water contents in the frozen and thawed states, the moisture content in the upper freeze-thaw zone in the frozen state is greater than that in the thawed state, while that in unfrozen zone in the frozen state is smaller than that in the thawed state. Within the region of the frost front, the water content in frozen state is smaller than that in thawed state. These findings help to study the freeze-thaw mechanisms deeply and perfect the forecasting module of moisture transferring in freeze-thaw cycles.     

基于原状土柱土壤水分传感器率定方法的研究

土壤水分传感器在现场安装后,需要针对现场土壤状况对其进行率定,以便校准率定关系。在工程实践中,土壤水分传感器现场率定是一项步骤繁杂、操作要求高、现场取土难度大、耗时较长的一项工作,严重困扰工程项目的实施。开展基于原状土柱率定土壤水分传感器研究,通过现场采集原状土柱,在实验室浸泡至饱和后取出,让土壤水分自然散失,用称重法定期称量原状土柱重量,同时记录土壤水分传感器原始测量值,以此来研究土壤水分传感器的工程率定问题,探讨提高现场安装的土壤水分传感器率定效率的方法,具有现实意义。     

高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环影响研究

土地覆盖变化对流域水平衡的影响是流域水学和生态水学研究的关键问题之一。以黄河源区两个典型小流域为研究对象，通过对流域不同植被类型与植被覆盖土壤的水分含量、入渗过程、蒸散发特征的测定，研究了高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环的影响．结果表明：广泛分布于青藏高原河源区的高寒草甸草地，植被覆盖度与土壤水分之间具有显的相关关系，尤其是20cm深度范围内土壤水分随植被盖度呈二次抛物线性趋势增加；在保持其原有的植物建群和较高覆盖度时，土壤上层具有较高持水能力，降水通过表层向深层土壤的渗透速度缓慢，且具有较均匀的土壤水分空间分布，水源涵养功能明显；高寒草甸草地退化后的高山草甸土壤趋于干燥，持水能力减弱，即使进行人工改良以后，土壤水分含量与持水能力也不会有明显改善．保护河源区原有高寒草甸草地对于河源区水过程意义重大。     

土壤水分监测技术方法应用比较研究

土壤墒情是反映旱情最直接的重要指标,土壤水分是植物水分的直接来源,决定着植物的生长状况的好坏,因此测量土壤水分有着重要的实际意义。近年来,随着抗旱工作的全面深入开展,土壤水分监测工作日益得到重视,土壤水分自动监测仪器逐步推广应用,但由于水利系统开展土壤水分自动监测较晚,对其工作原理认识不足。本文在概述土壤水分常用监测技术方法基础上,较为系统的介绍了频域反射法(FDR)和时域发射法(TDR)工作原理,以及有关数学公式,评述了主要监测技术方法的优缺点,并对今后有关工作开展提出了建议。     

概念性土壤墒情模型在霍泉灌区的应用研究

由概念性水文模型出发,并经改造得到了本文的概念性土壤墒情模型。该模型在山西省洪洞县泉灌区动态配水系统中做了初步应用,发现由该模型计算所得的土壤含水量和实测值比较符合,且在应用时具有所需信息量少,实用性强和操作方便等特点。     

基于HUBEX试验资料的土壤水时空分布模拟

利用全球能量与水循环（ＧＥＷＥＸ）亚洲季风试验（ＧＡＭＥ）区淮河流域试验（ＨＵＢＥＸ）１９９８年观测数据,在构建数字流域的基础上,运用新安江模型时ＨＵＢＥＸ水强化观测区－史灌河流域的水过程进行模拟,不仅检验了流域出口断面的流量过程,而且检验了土壤水状态变量的时空变化过程。结果表明,新安江模型中表达土壤湿度指标的土壤蓄水量计算值能够反映土壤水分的时空变化过程,这从一个侧面证明了新安江模型土壤湿度     

农田尺度土壤水分的监测

根据田间试验实测资料分析了田间土壤水分的空间变化特征和时间动态变化,探索了监测农田水分变化时如何确定其合理的取样数目,讨论了农田尺度的土壤水分应如何监测,为节水灌溉,提高田间用水管理水平提供科学依据。