堰塞湖溃决洪水分析方法及侵蚀试验研究

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堰塞体多为松散堆积体,具有级配宽、结构不均匀、较易侵蚀的特点,其堵塞形成的堰塞湖一旦溃决,对下游的灾害无法预估。因此建立合理的堰塞湖溃决洪水分析模型,对减少因堰塞湖溃决带来的灾害及挽救下游民众生命财产安全具有重要的实践意义。2000年4月9日20时05分,位于东经94°53′、北纬30°14′的西藏自治区波密县札木弄沟发生山体滑坡,形成了有文献记录以来最大的堰塞湖。本文依托国家科技支撑计划《梯级水库群全生命周期风险孕育机制与安全防控理论》(2013CB036400)和自然科学基金《流域梯级水库连溃模型及风险预警基础理论研究》(51579208),通过试验分析、数值模拟等手段针对易贡堰塞湖开展研究,取得了以下主要成果:
  (1)通过实地考察、资料搜集,修正了易贡堰塞湖2000年时的河床底高程、库容水位曲线以及溃决流量。修正后的易贡溃决流量为94810.34m3/s,溃决过程持续大约24小时,实际溃决库容约为2.11×109m3,河床底高程为2186.41m。
  (2)本文以易贡为研究对象,基于圆筒型侵蚀试验设备提出了一套测量大粒径土体侵蚀率的方法——小扇形侵蚀测定方法,突破了现有方法无法开展大粒径土体侵蚀试验、需判定冲刷启动时间、试验过程需要人工控制等局限。
  (3)运用圆筒型侵蚀试验设备及小扇形侵蚀测定方法开展易贡单一粒径及混合粒径的启动流速、侵蚀率及剪应力研究。开展了不同粒径的启动流速和侵蚀率的试验研究,发现侵蚀率数值可靠,可用来进行侵蚀率-剪应力分析。并通过确定准确的仪器剪应力计算公式,探究了启动流速、侵蚀率、剪应力之间的相互关系,发现启动流速与侵蚀率呈双曲线函数关系,启动流速与剪应力呈指数函数关系,侵蚀率与剪应力呈双曲线函数关系,验证了土体侵蚀率.剪应力的双曲线模型。
  (4)基于土力学和水力学耦合机制建立溃口横向扩展数值模型并运用VBA编制了DBS-IWHR程序。本程序选用岩土工程界常用的圆弧滑裂面法:简化的Bishop法搜索临界滑裂面,并考虑了孔隙水压力,分别运用总应力法和有效应力法考虑不同的坝体溃决情况。上述研究成果证实,横向扩展的模拟只需手动4步即可在VBA编程的Excel电子表格中自动进行。此方法后台程序透明,并允许使用者进行二次开发。
  (5)将侵蚀模型与溃口扩展模型和水力学计算模型结合,改进了溃决洪水分析方法,修正了DB-IWHR程序,并对易贡堰塞湖进行反演分析,证明改进的溃决分析模型十分优良。敏感性分析表明侵蚀率模型对溃决分析结果有极大影响,尾水淹没系数、宽顶堰系数及横向扩展因素对溃决分析的结果影响微弱。
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