1133 浏览混凝土面板砂砾石坝漫顶溃坝试验与数值模拟研究
摘要：混凝土面板砾石坝由于大坝材料分布广泛，对复杂地形地质条件适应性强，成本低，逐渐成为最具竞争力的大坝类型。目前，大坝在发挥效益的同时，部分自建面板砾石坝的面板结构存在挤压破坏和止水失效等问题。这些问题将导致大坝内渗流场的急剧恶化，并可能导致大坝的渗透破坏。此外，全球气候逐渐变暖，深山峡谷极端天气的恶劣程度和频率显著增加。在暴雨、地震等自然灾害的作用下，面板砾石坝可能会发生超标洪水或大坝顶沉降，然后发生大坝顶坍塌。因此，揭示面板砾石坝顶坍塌过程，特别是止水失效对坍塌过程的影响，是提高混凝土面板砾石坝防治预警的关键。本文通过水槽模型试验和数值计算，对面板砾石坝顶坍塌系统进行了研究。主要研究内容如下：（1）根据水力模型试验设计的相似要求，结合土工模型试验，选择符合相似要求的模型砾石；根据机械试验数据和面板极限弯矩的相似要求，制备大量不同配合比的砂浆试件，开发强度低、控制方便、密度高的模型面板。（2）利用所选模型砾石材料和模型面板，在垂直接缝止水系统完好、止水失效的情况下，开展了面板砾石坝顶溃坝试验，研究了面板砾石坝顶溃坝机制。根据试验结果，阐明了大坝水平和垂直断面的演化过程和面板断裂的演化规律，揭示了下游坝坡渗流面的机制和渗流对溃坝过程的影响。（3）建立了混凝土面板砾石坝顶部坍塌模型，考虑涡流与砾石之间的腐蚀特性，判断面板结构断裂，详细揭示了坍塌过程中的水流特性、砾石与混凝土面板之间的相互作用。基于数值计算，分析了坍塌过程中的坍塌流量、堆石坍塌宽度和深度、坍塌时间、面板断裂长度与试验结果之间的差异，验证了数值模型的合理性。（4）以沟后面板砾石坝为工程实例，利用本文建立的数学模型进行模拟。通过分析坍塌过程中坝水平纵断面的演化，揭示了水土耦合作用下的坝侵蚀过程，并与测量结果和前人的研究结果进行了比较分析。
关键词：混凝土面板砂砾石坝;漫顶溃坝;止水失效;试验研究;面板折断;数值模拟;
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 面板堆石坝典型溃坝案例
1.3 国内外土石坝溃坝研究现状
1.3.1 物理模型试验研究
1.3.2 数值模型研究
1.4 主要研究内容及技术路线
2 物理模型试验基础
2.1 试验基本原理
2.2 物理模型相似准则
2.2.1 几何相似
2.2.2 运动相似
2.2.3 动力相似
2.2.4 重力相似
2.3 模型材料的选择与制备
2.3.1 坝体填筑料的选配
2.3.2 面板的制备
2.4 试验布置与测量系统
2.4.1 试验布置
2.4.2 测量系统
2.5 本章小结
3 垂直缝止水失效情况下面板砂砾石坝漫顶溃坝试验研究
3.1 试验方案
3.2 模型坝体填筑过程
3.3 溃坝演化过程分析
3.3.1 大坝侵蚀演化过程
3.3.2 溃口流量过程
3.3.3 堆石体溃口横断面扩展过程
3.3.4 坝体纵剖面演化过程
3.3.5 面板折断过程
3.3.6 坝体内孔隙水压力变化过程
3.4 垂直缝止水失效情况下渗流作用对溃坝过程的影响分析
3.5 本章小结
4 面板砂砾石坝漫顶溃坝数值模拟方法研究
4.1 面板砂砾石坝漫顶溃坝数值模拟方法
4.1.1 基本控制方程
4.1.2 RNG k-ε湍流模型
4.1.3 泥沙输移与侵蚀
4.1.4 基于弯矩平衡的面板逐渐折断方法
4.2 溃坝试验数值计算模型
4.2.1 数值计算模型
4.2.2 计算参数
4.3 计算结果分析
4.3.1 水位及流量过程
4.3.2 大坝侵蚀演化过程
4.3.3 溃口扩展过程
4.3.4 面板折断演化过程
4.4 本章小结
5 沟后面板砂砾石坝溃坝数值模拟分析
5.1 工程概况
5.2 溃坝数值模型及基本参数
5.2.1 三维数值模型
5.2.2 砂砾石料及面板计算参数
5.2.3 初始条件及边界条件
5.3 计算结果分析
5.3.1 溃坝演化过程
5.3.2 溃口流量过程
5.3.3 堆石体溃口横断面扩展过程
5.3.4 坝体纵剖面侵蚀过程
5.3.5 面板折断过程
5.4 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
致谢
参考文献
