粘土心墙坝漫顶溃决机理及溃坝过程数值模拟研究

利用申请人研制成功的土石坝溃坝离心模型试验系统，通过调整离心机加速度，分别对20m、40m和80m三种坝高的粘土心墙坝进行漫顶溃坝试验，重点研究坝高及水库上游来水量对心墙破坏模式及溃口发展规律的影响；分别提出能较为合理反映筑坝材料的级配、密度、强度、坝体下游坡度及心墙坡度等因素对水流冲蚀能力的影响的下游砂砾石坝壳及粘土心墙冲蚀过程的经验表达式并进行验证；建立能合理反映高粘土心墙坝漫顶溃决过程中下游坝壳与心墙之间的动态相互作用、溃口发展规律及溃坝洪水流量过程的数值模型，建议相应的数值计算方法，编制能直观显示其溃坝过程的计算机软件，并通过试验数据和实际溃坝案例对模型的合理性进行验证，从而为提高粘土心墙坝溃决致灾后果预测结果的可靠性，科学制定溃坝应急预案提供新的有效手段。

利用申请人研究团队研制成功的土石坝溃坝离心模型试验系统和提出的土石堤坝溃坝离心模型试验分析方法，通过调整离心机加速度，研究不同坝高粘土心墙坝的漫顶溃决过程。重点研究坝高及水库上游来水量对心墙破坏模式及溃口发展规律的影响；采用不同的冲蚀公式描述心墙坝坝壳料和粘土心墙的冲蚀过程，对于无粘性坝壳料，由于其具有单颗粒起动的特征，提出了可考虑坝料物理力学性质的砂砾石坝料起动流速公式和冲蚀公式，对于粘土心墙，由于粘性土的团块状起动特征，提出了基于“陡坎”运移理论的粘土心墙冲蚀过程的表达式；通过力学平衡关系，推导心墙的受力状况和心墙剪切破坏发生时刻；考虑复杂的溃决模式（坝体单侧冲蚀和坝基冲蚀），建立了能合理反映粘土心墙坝漫顶溃决过程中下游坝壳与心墙之间的动态相互作用、溃口发展规律及溃坝洪水流量过程的数学模型；采用按时间步长迭代的数值计算方法，编制了能直观显示其溃坝过程的计算机软件；对坝料冲蚀系数等重要参数进行敏感性分析，并通过试验数据和实际溃坝案例对模型和数值计算方法的合理性进行了验证。为提高溃坝致灾后果的预测精度，科学编制溃坝洪水风险图和合理制定避险转移方案提供理论基础和技术支撑。