离心机溃坝模拟试验及土石坝漫顶溃决机理研究

本项目主要对应用离心机进行土石坝漫顶溃决试验的模拟基础理论、试验方法、量测技术和误差控制技术展开研究。研制可在80g离心加速度下稳定工作的封闭式循环供水系统，并应用该系统进行土石坝漫顶溃决离心模型试验，应用自行研制的大尺寸土体抗冲蚀特性测定装置进行土体抗冲蚀试验。结合离心模型试验和土体抗冲蚀试验研究土石坝的漫顶溃决机理和溃决过程，在试验研究和理论分析基础上建立土石坝漫顶溃决离心模型试验的相似准则，提出土石坝漫顶溃决参数模型。通过离心模型试验结果、1g模型试验结果和实际溃坝事故记录的比较，校核离心模型试验研究土石坝漫顶溃决问题的可行性，并提出土石坝漫顶溃决离心模型试验规程。本项目的研究成果将为建立和校核土石坝溃坝模型提供实验依据，为土石坝风险调控和编制溃坝前应急预案提供理论上的支撑。

为适应土石坝溃坝应急处置和风险调控的需要，本项目应用模型试验和数值模拟研究了土石坝漫顶溃坝机理。研制了可在80g离心加速度下稳定工作的封闭式循环供水系统，通过把明渠流转化为满管管流，有效解决了溃口流量过程线的量测问题。研制了圆筒型土体抗冲蚀特性测定装置，并应用该装置对砂土的抗冲蚀特性进行了研究。在临界状态土力学框架内提出了便于工程应用的K0固结土不排水强度解析式，该解析式是关于内摩擦角、塑性体积比和超固结比的函数，在初始各向异性角为0时，可以简化为大家详知的各向同性土不排水强度解析式。提出了一个土石坝漫顶溃决物理模型，该模型应用双曲线型冲蚀速率方程计算坝体材料的冲蚀速率，通过极限平衡理论计算溃口的侧向扩展。从溃口流量平衡方程、筑坝材料抗冲剪应力和冲蚀速率、溃口扩展模式三方面分析总结了当前较常用的17种土石坝漫顶溃决物理模型；以唐家山堰塞坝溃坝事故为工程背景，选取BREACH模型、DB模型和IWHR模型对其溃坝过程进行了数值模拟，研究了上述三种模型计算得到的筑坝材料冲蚀速率、流量过程线和水位变化曲线与实测值的差异；应用BREACH模型研究了筑坝材料的黏聚力、内摩擦角、不均匀系数和孔隙率对流量过程线的影响。