基于离心模型试验的均质土坝渗透破坏溃口发展研究

Combined with tests data for seepage failure of majority feet homogeneous earth dams, by means of the centrifugal model test system with consistency of gravity and similarity ratios of particle size, seepage, water, with the influence of different elevations of the initial seepage passages and clay content on breaches erosion rate and breaches development rate as starting point, research on development of seepage induced breach of homogeneous earth dams. Take advantage of test system survey development rate of the initial seepage passage, the time of dams above the passage, horizontal development rate and cut lengthwise rate of breaches, last of failure, flood hydrographs. Quantitative analysis of breaches erosion process and development of breaches rules based on tests, put forward equation for erosion, development of breaches rules and discharge. Set up mathematical model about breaches development process for seepage failure of homogeneous earth dams, propose corresponding numerical methods. the rationality of the Numerical model will be validated by the dam-break cases and the tests results. Based on the above results, theoretical foundation will be provided to improve the reliability for evaluating the disastrous consequences of homogeneous earth dams due to seepage failure.

结合现场大比尺均质土坝渗透破坏溃决试验数据，利用可合理模拟均质土坝坝体重力一致性及材料粒径、渗流、水流相似性的溃坝离心模型试验系统，以不同初始渗透通道位置、不同坝体黏粒含量对溃口冲蚀速率及溃口发展速率的影响为切入点，开展均质土坝渗透破坏溃口发展研究。利用该试验系统量测渗透通道的发展速率、通道上部坝体出现坍塌的时间、溃口横向扩展与纵向下切速率，量测溃坝历时与溃口流量过程。在试验基础上定量分析溃口冲蚀过程及溃口发展规律，提出能合理描述溃口发展过程的冲蚀公式、溃口发展规律公式与溃口流量公式，建立均质土坝渗透破坏溃口发展过程数学模型，建议相应的数值计算方法。采用国内外具有实测数据的典型均质土坝渗透破坏溃决案例对其合理性进行验证，为科学制定均质土坝渗透破坏溃决应急预案提供理论支撑。

通过对均质土坝渗透破坏溃坝案例的调查，并利用土石坝溃坝离心模型试验系统研究均质土坝渗透破坏时的溃决机理与溃口发展规律，研究提出一个描述均质土坝渗透破坏溃决过程的数学模型，并通过典型溃坝案例验证了模型的合理性。选择国外典型的NWS BREACH模型和HR BREACH模型进行对比分析，并且将计算结果与现有模型进行比对。本项目的研究得到以下成果：.1、通过溃坝案例调查分析研究了渗透破坏溃决的主要模式。但不论何种渗透破坏模式，首先会在坝体或坝基内形成渗透通道，随着渗透通道的增大，其上部坝体厚度逐渐减少，当渗透通道上部坝体的重力超过坝体材料的抗剪强度后，通道以上坝体楔块将坍塌，大坝发生漫顶破坏而溃决。溃坝调查表明，由渗透破坏导致溃决的均质土坝一般存在初始渗透通道。.2、通过力学平衡关系推导了坝料颗粒的起动流速公式和坝料冲蚀公式，该公式能反映坝体材料的颗粒级配、密实度、强度、坝坡坡度、水流速度及摩阻流速对冲蚀量的影响的土石料冲蚀公式，公式中各参量物理意义明确且易于测定。.3、建立了均质土坝渗透破坏溃决数学模型，假设初始渗透通道存在，通过分析土体颗粒在渗透通道中的受力情况，推导出渗透通道内坝体材料的临界起动流速或临界剪应力，并分别建议了一种计算渗透通道扩展过程及大坝漫顶溃决后溃口发展过程的计算方法，同时采用孔流及堰流公式计算渗透通道扩展及大坝漫顶后溃口发展时的流量变化过程，并采用极限平衡方法对大坝漫顶后溃口边坡的间歇性失稳坍塌进行计算分析。.4、提出了均质土坝渗透破坏溃决过程的数值计算方法，并通过国内外已有溃坝案例验证模型的合理性。.5、选择国外典型的溃坝过程计算模型NWS BREACH和HR BREACH模型，分别对Teton坝渗透破坏溃坝案例进行模拟，并与提出的模型进行比较，从而分析不同模型的优缺点。