为适应土石坝溃坝应急处置和风险调控的需要，本项目应用模型试验和数值模拟研究了土石坝漫顶溃坝机理。研制了可在80g离心加速度下稳定工作的封闭式循环供水系统，通过把明渠流转化为满管管流，有效解决了溃口流量过程线的量测问题。研制了圆筒型土体抗冲蚀特性测定装置，并应用该装置对砂土的抗冲蚀特性进行了研究。在临界状态土力学框架内提出了便于工程应用的K0固结土不排水强度解析式，该解析式是关于内摩擦角、塑性体积比和超固结比的函数，在初始各向异性角为0时，可以简化为大家详知的各向同性土不排水强度解析式。提出了一个土石坝漫顶溃决物理模型，该模型应用双曲线型冲蚀速率方程计算坝体材料的冲蚀速率，通过极限平衡理论计算溃口的侧向扩展。从溃口流量平衡方程、筑坝材料抗冲剪应力和冲蚀速率、溃口扩展模式三方面分析总结了当前较常用的17种土石坝漫顶溃决物理模型；以唐家山堰塞坝溃坝事故为工程背景，选取BREACH模型、DB模型和IWHR模型对其溃坝过程进行了数值模拟，研究了上述三种模型计算得到的筑坝材料冲蚀速率、流量过程线和水位变化曲线与实测值的差异；应用BREACH模型研究了筑坝材料的黏聚力、内摩擦角、不均匀系数和孔隙率对流量过程线的影响。 2100433B

本项目主要对应用离心机进行土石坝漫顶溃决试验的模拟基础理论、试验方法、量测技术和误差控制技术展开研究。研制可在80g离心加速度下稳定工作的封闭式循环供水系统，并应用该系统进行土石坝漫顶溃决离心模型试验，应用自行研制的大尺寸土体抗冲蚀特性测定装置进行土体抗冲蚀试验。结合离心模型试验和土体抗冲蚀试验研究土石坝的漫顶溃决机理和溃决过程，在试验研究和理论分析基础上建立土石坝漫顶溃决离心模型试验的相似准则，提出土石坝漫顶溃决参数模型。通过离心模型试验结果、1g模型试验结果和实际溃坝事故记录的比较，校核离心模型试验研究土石坝漫顶溃决问题的可行性，并提出土石坝漫顶溃决离心模型试验规程。本项目的研究成果将为建立和校核土石坝溃坝模型提供实验依据，为土石坝风险调控和编制溃坝前应急预案提供理论上的支撑。

土石坝溃决过程与水力学、泥沙运动力学、土力学等多学科有关，具有强非线性与非恒定性，研究具有很大的难度。《土石坝漫顶溃决模拟与抢护》收集了大量溃坝案例资料，通过对土石坝漫顶水流水力特性、土石坝坝体材料特性的把握，采用理论分析、现场大尺度实体溃坝试验、室内小尺度物理模型试验及数值模拟等方法，对土石坝溃坝机理、超标准洪水条件下土石坝是否会溃决、何时溃决、如何抢护等进行了系列研究。

前言

第1章 土石坝溃坝概述

1.1 国内外溃坝情况

1.1.1 国外溃坝事件分析

1.1.2 国内溃坝事件分析

1.1.3 土石坝溃口特征分析

1.2 土石坝溃坝研究现状

1.2.1 溃坝物理模型试验及数值模拟技术

1.2.2 超标准洪水条件下土石坝安全判别

1.2.3 土石坝漫顶溃决时间

1.2.4 土石坝漫顶溃决抢护技术

1.2.4.1 漫顶前抢扩

1.2.4.2 溃口出现后抢护

第2章 土石坝漫顶溃决试验及溃决机理

2.1 土石坝漫顶溃决试验方法

2.1.1 库水位下降过程

2.1.2 下游洪水演进过程

2.1.3 溃口流速及溃口形态

2.1.4 溃口纵向下切与横向扩展过程

2.2 土石坝漫顶坝面水力特性

2.2.1 坝面水动力参数分布特性

2.2.1.1 坝面水深分布

2.2.1.2 坝面流速分布

2.2.1.3 切应力及摩阻流速分布

2.2.2 漫顶水深、坝坡坡度对坝面水力特性的影响

2.2.2.1 不同漫顶水深的坝面水力特性

2.2.2.2 不同坡度坝面水力特性

2.2.3 坝面切应力、平均流速公式

2.2.3.1 国内外坝面切应力公式研究概况

2.2.3.2 坝面切应力公式推导

2.2.3.3 坝面平均流速公式

2.3 土石坝溃决现场大尺度试验

2.3.1 现场大尺度溃坝试验准备

2.3.1.1 现场试验选址

2.3.1.2 坝区地质勘探

2.3.1.3 坝体施工填筑

2.3.2 现场大尺度漫顶溃坝试验组次及可重复性研究

2.3.3 现场大尺度漫顶溃坝试验成果

2.3.3.1 漫顶溃坝过程

2.3.3.2 漫顶溃坝力学机理

2.3.3.3 溃口峰值流量及坝体纵向下切速度预测

2.3.3.4 宽顶堰流公式在溃口流量分析中的适用性分析

2.4 土石坝溃决小尺度试验

2.4.1 非黏性土均质坝溃决试验

2.4.1.1 非黏性土均质坝溃坝相似准则

2.4.1.2 不同中值粒径D50对坝体溃坝过程的影响

2.4.1.3 不同下游坝坡坡度对溃坝过程的影响

2.4.1.4 不同溃口位置对溃坝过程的影响

2.4.1.5 下游沉积层对溃坝过程的影响

2.4.2 黏性土均质坝溃决试验

2.4.2.1 含水率、压实度对“跌坎”移动速度的影响

2.4.2.2 “跌坎”移动速度的计算表达式

2.4.3 溃坝模型相似率探讨

2.4.3.1 一般均质土石坝溃坝相似准则

2.4.3.2 溃坝模型试验的模型延伸法

第3章 土石坝漫顶溃决数学模型

3.1 漫顶溃决过程的数学描述

3.1.1 水库水位演变

3.1.2 溃口流量计算

3.1.3 溃口扩展模拟

3.1.3.1 溃口的纵向下切

3.1.3.2 溃口的横向扩展

3.1.4 溃面冲槽水流计算

3.2 模型计算方法

3.3 模型的应用

3.3.1 室内溃坝试验演算

3.3.2 野外现场溃坝试验演算

3.3.3 大洼水库自然溃决过程演算

3.3.4 唐家山堰塞湖人工溃决过程演算

3.3.5 河南石漫滩水库漫顶溃坝事件演算

第4章 土石坝漫顶溃决判别分析

4.1 坝体安全应急判别方法

4.1.1 土石坝与天然坝之间的相似性

4.1.1.1 溃决形式的相似性

4.1.1.2 溃坝动力参数之间的相关一致性

4.1.2 简单指标判别法在土石坝安全判别上的应用

4.1.3 判别分析法在土石坝安全上的应用

4.1.3.1 判别分析法原理

4.1.3.2 判别分析法对数据资料要求的验证

4.2 基于判别分析法的土石坝溃决判别模型

4.2.1 数据适用性验证

4.2.2 模型建立

4.2.3 判别分析结果

4.2.3.1 判别模型中各变量重要性分析

4.2.3.2 与简单判别方法的比较

4.3 考虑坝体材料特性的溃决判别分析模型

4.3.1 代表坝体材料综合抗冲能力的变量——起动摩阻流速U*c

4.3.2 判别模型的建立及定量正确性

4.3.3 判别模型各变量影响权重及模型的定性合理性

4.4 判别分析法实例应用

第5章 土石坝溃决时间预测

5.1 溃决时间的定义及统计分析

5.2 溃决时间影响因素

5.2.1 坝高与溃决时间

5.2.2 坝宽与溃决时间

5.2.3 坝长与溃决时间

5.2.4 库容与溃决时间

5.2.5 坝体综合稳定性指标与溃决时间

5.3 溃决时间预测方法——多元回归预测

5.3.1 土石坝溃决时间回归模型的建立

5.3.2 对回归模型的统计检验

5.3.3 案例验证及分析

5.4 溃决时间预测方法——基于切应力的溃决时间预测

5.4.1 预测方法的由来

5.4.2 坝体材料特性U*c的引入

5.4.3 坝面切应力的引入

5.4.4 预测的步骤

5.4.5 实例验证

第6章 应急溢洪道，陕速构建技术

6.1 应急溢洪道快速构建技术的由来

6.2 应急溢洪道坡面水力特性试验

6.2.1 应急溢洪道土工合成材料物理力学特性

6.2.2 土工合成材料表面水流水力特性

6.2.2.1 布面水深与漫顶水深的关系

6.2.2.2 布表面的流速与漫顶水深的关系

6.2.2.3 布面切应力与漫顶水深的关系

6.2.3 土工合成材料摩阻系数

6.2.4 切应力与摩阻系数关系分析

6.2.5 土工合成材料受力分析

6.3 应急溢洪道锚固件抗拔力试验

6.3.1 锚固件抗拔力试验介绍

6.3.2 抗拔力与埋深的关系

6.3.3 抗拔力与锚固件材料的关系

6.3.4 新型自扩刺锚固件研制

6.4 应急溢洪道布置与实施方案

6.4.1 漫顶水流坡面扩散范围

6.4.2 水流经溃口下泄扩散范围

6.4.2.1 水流在坡面上的扩散形状

6.4.2.2 溃口形状及下游坡度对水流扩散范围的影响

6.4.3 应急溢洪道水流最大断面平均流速分析

6.4.4 护坡材料铺设及锚固

6.4.4.1 护坡材料的选择

6.4.4.2 护坡材料铺设及锚固方法

参考文献

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土石坝与堰塞坝溃决机理与溃坝过程模拟是一门涉及岩土力学、水力学与泥沙运动理论的新兴学科，近年来日益频繁发生的极端气候现象和地震，促进了该学科的快速发展。陈生水编著的《土石坝溃决机理与溃坝过程模拟》首先根据国内外典型溃坝案例调查资料，总结分析了土石坝的溃决原因及溃坝特征；重点介绍了国内外在土石坝与堰塞坝形成和溃决机理及溃坝过程模拟领域的研究进展，特别是作者在土石坝三种主要坝型和堰塞坝溃坝离心模型试验和漫顶与渗透破坏溃坝过程数值模拟方面的最新研究成果；最后介绍了国内外溃坝洪水演进数值模拟方法及常用计算机软件，给出了研究成果在水库大坝溃坝洪水风险图编制中的应用实例。

《土石坝溃决机理与溃坝过程模拟》可供从事土石坝工程安全专业的研究和管理人员参考，也可作为水利工程等相关专业本科生、研究生的教材或参考书。