漫流作用下填筑粘土陡坎底部水力淘刷机制研究

Headcut erosion commonly occurs during the process of overflow erosion of earth embankment. Until now, the interaction mechanism of the flow and soil at the bottom of the headcut has not been sufficiently acknowledged due to the complex structure and intense turbulence of the bottom flow downstream. In the project, the study method of theoretical analysis, flume experiment and soil test are combined for the final goal. The detached soil block scale is analyzed in the erosion process and its effect on soil critical shear stress and erosion mode is discussed. Overflow structure and headcut boundary shear stress are studied and the flow turbulence and inverse vortex at the bottom and their effect on starting soil are revealed. Further on, erosion process at the headcut bottom is studied, the interaction mechanism of flow and soil is revealed and finally, a new headcut retreat prediction model is established. In the experiment, the measurement technology of non-contacted photograph is induced to offset the shortage of traditional monitoring method. The result will perfect the detailed structure of headcut overflow and interaction of flow and soil, contribute to estimation of headcut retreat rate and further and provide theoretical support for predicting the breach development in embankment overflow failure, repairing plugging and population evacuation.

由粘土填筑而成的堤坝在漫溃过程中通常出现典型的陡坎侵蚀后退现象，陡坎底部水流紊动强烈，水体结构复杂，对其水土耦合作用机制的认识目前尚不系统和完善。本项目采用理论分析、水槽概化模型试验并结合土工试验等手段，研究不同性质填筑粘土起动冲刷过程中剥离团/块尺度特点，探讨其对土体起动切应力以及土体冲刷模式的影响机制；研究陡坎漫溢水流结构及边壁剪切应力时空分布，揭示其水流紊动特性和陡坎底部水流反向漩涡模式及其紊动掀沙特性；进一步研究陡坎底部水力淘刷过程，揭示此类强溯源侵蚀状态下水土耦合作用模式，建立陡坎侵蚀后退预测模型。试验中引入无接触实时近景摄影测量技术，弥补传统监测手段不足。研究成果将完善陡坎漫溢水流细部结构及其水土耦合侵蚀模式的系统认识，有助于估算粘土堤坝漫溢溃决过程中的陡坎后退侵蚀速度，为进一步预测溃口发展过程、堵口修复以及避灾撤离奠定理论基础。

陡坎侵蚀是一种特殊的土体侵蚀现象，经常发生于粘性土堤坝漫溢溃决过程以及侵蚀沟发展过程中。本项目以河道流量、筑堤土体含水率和孔隙率为变量，在弯道水槽中开展了一系列粘性土堤防漫溢溃决试验，观察了溃口发展过程中的陡坎侵蚀形态、水-土相互作用方式；发现初始溃决时，背水侧坡脚最先发生侵蚀，陡坎形态可分为单台阶形式和多台阶形式；根据之前学者建立的基于溃决流量、陡坎高度以及土体抗侵蚀能力参数的陡坎后退速度计算公式以及试验中发现的土体粘聚力对陡坎侵蚀速度的重要影响，率定了公式中土体抗侵蚀能力参数与土体粘聚力的关系，率定之后的模型计算结果与之前学者得到的结果十分接近。针对陡坎下游河床可冲刷的情况，建立溢流水舌与冲刷坑内水流模拟模型，并通过试验实测数据进行验证；通过建立的模型，模拟了不同上游来流量、不同下游水位、不同壁面粗糙度以及不同冲刷坑形状条件下的陡坎水舌以及冲刷坑水流，研究了上述因素对冲刷坑内流态、紊动能以及壁面切应力分布的影响；发现冲刷坑内射流再附着点上游以及下游各出现一个最大壁面切应力，且下游的壁面切应力大于上游的壁面切应力，切应力最大值随流量、壁面粗糙度以及床面高程的增大以及下游水位的降低而增大；拟合得到最大壁面切应力的预测公式以及无量纲壁面切应力分布公式。建立了能够捕捉间断的水流数学模型，模拟水流漫溢越过陡坎时的水流流速沿程分布，分析陡坎侵蚀的形成机理。本项目相关研究成果可提高陡坎侵蚀预测精度，对复杂边界条件下水流特性的定量研究具有一定参考价值。