高危堰塞湖形成、溃决机理与风险调控理论

地震、台风暴雨和冰碛物融化，常诱发山体崩塌、滑坡和泥石流堵塞河谷蓄水形成堰塞湖。在持续入流、涌浪或气温升高等因素作用下，松散土石或冰碛物堆积成的堰塞体极易溃决，对下游造成重大溃坝洪水威胁。本项研究结合四川"5.12"汶川地震的堰塞湖除险减灾案例，研究堰塞湖形成的动力学过程，入流、涌浪和降雨等因素作用下的堰塞体破坏过程，以及溃决洪水演进致灾过程。揭示堰塞体形成过程中的土石料沉积分选机制，堰塞体在水力冲刷、渗透变形和重力侵蚀耦合作用下破坏发展与溃决机制，溃决洪水的演进致灾和梯级堰塞湖溃决的灾害放大机制。建立时间紧迫、资料缺乏的应急除险条件下，堰塞湖入流过程、堰塞体溃决过程、下游洪水演进的可靠计算方法，堰塞体挖槽除险的风险调控优化方法。从而为堰塞体这一类天然高危散粒料坝溃决灾害的应急管理提供科学理论和方法，为减轻地震、台风暴雨等的次生溃坝洪水灾害提供科学技术基础。

项目围绕高危堰塞湖形成、溃决机理与风险调控理论进行研究，完成的主要工作包括：滑坡过程和堆积模拟计算方法研究、土石料的堆积分选研究、管涌的模型试验与数值模拟、大型滑坡涌浪试验研究及预测、堰塞体溃决的模型试验、水沙运动基本理论研究、堰塞体溃决过程模拟及风险研究等。在滑坡过程和堆积模拟中，引入新的本构模型进行求解，并将坐标系建立在整体坐标系上，使得计算可以利用GIS提取三维地形的坐标信息。并通过模型试验和离散元计算研究了土颗粒的分选特征。针对可能造成堰塞体溃决的主要原因：管涌和漫顶，我们分别进行了管涌和漫顶溃决的模型试验。溃决模型试验中考虑了坝体坡度、宽度、高度、入流流量和坝体材料等因素的影响。漫顶溃决冲刷过程的试验表明当坝体组成以粗颗粒为主时，坝体材料在漫顶水流的作用下，于床面附近形成含沙层，而在该层以外颗粒浓度较小，并以此形式向下游输移。当坝体组成以细颗粒为主时，坝体材料则主要以悬移质运动形式向下游输移运动，同时也伴随着较强烈的推移质输沙过程。可以用双层流模型进行坝体的冲蚀速率计算。综合上述研究成果，进行了堰塞体溃决全过程的数值模拟，采用水槽试验结果对计算模型进行验证。然后将其用于实际计算。表明研究成果能够预测不同材料组成的坝体漫顶溃决下泄洪水过程及溃口展宽变化。在此基础上，进行了河道堤防溃堤或漫溢后的洪水演进和风险计算。根据研究提出了减小堰塞体溃坝危害的主要措施。