簡析唐家山堰塞體潰口寬度的模擬計算論文
唐家山堰塞體為地震誘發(fā)山體滑坡而堆積形成的天然壩,相對堆石壩具有以下特點:泥沙顆粒不均勻,組成物質(zhì)松散,滲流嚴重,岸坡不穩(wěn)定,壩體穩(wěn)定性更低,其力學穩(wěn)定性、抗沖性較差.受二次滑坡的影響,壩體呈現(xiàn)明顯的雙層結(jié)構(gòu),上層為含水性較好的粘性土層,下層為較易崩塌的砂土層.唐家山潰口的形成發(fā)展過程也較為復雜,為人工開挖、溯源沖刷和潰口崩決的混合過程,在潰決過程中存在一定的漫流,同時雙層土體結(jié)構(gòu)導致水頭差較大,滲流明顯.匡尚富提出,天然壩的潰決過程可以分為溢流侵蝕潰決型、滑動崩決型、逆流漸進潰決型等.對比唐家山堰塞體的實際情況,其侵蝕方式為溢流侵蝕,而堰塞體則與多發(fā)生滑動崩決型潰決的壩體接近.
1唐家山堰塞湖潰口
唐家山堰塞湖庫水位持續(xù)上升,嚴重威脅水庫下游人民群眾的生命和財產(chǎn)安全.因此在壩頂位置沿河開挖了溢洪道宣泄洪水以減輕潰壩洪水災害.溢洪道底部尺寸為695m×4m,兩側(cè)邊坡1∶1.5,入口處高程為742m.由于底部及邊坡均由碎石堆砌而成,溢洪道可蝕性強.2008年6月7日7:06時,溢洪道開始排水,入口處的初始水位為740.37m,初始水面寬為58m,初始水深0.18m.到6月10日1∶30時,水位攀升至最大值743.10m,隨后逐漸降落,在6月10日8:00時降落至742.18m.該水位持續(xù)了1h,隨后迅速降落,從9:00時的742.17m降落至11:30時的735.81m,對應的最大洪峰流量為6900m3/s.隨后,在水流的持續(xù)沖刷及重力作用下,溢洪道迅速垮塌.在6月10日15:00時,溢洪道達到臨時穩(wěn)定狀態(tài),此時水面寬145m,河底高程721.2m.最后相對穩(wěn)定的潰口寬為131.2m,潰口深為20.8m.
2計算結(jié)果及分析
為了尋求合適的模型以模擬唐家山堰塞體的潰決,采用以Osman公式為代表的河岸展寬模型及以Froehlich方法和墾務局模型為代表的土石壩潰決模型,比較分析其應用于計算唐家山潰口模擬的結(jié)果.
2.1河岸展寬模型
Osman和Thorne提出計算河岸橫向沖刷距離的公式,在Δt(s)時間內(nèi),粘性土河岸被水流橫向沖刷后退的距離為
ΔB=Cl×Δt×τf-τce-1.3τcγbk(1)
式中,ΔB為Δt(s)時間內(nèi)河岸因水流側(cè)向沖刷而后退的.距離,m;γbk為河岸土體容重,kN/m3;τf為作用在河岸上的水流切應力,N/m2;τc為河岸土體的啟動切應力,N/m2;Cl為河岸抗沖系數(shù).
2.2土石壩潰壩模型
在Fu等中,采用Macchione提出的預測土壩潰決洪水的方法模擬預報了唐家山潰口的洪水過程,但是Fu等的模擬計算表明,需要采用不同的特征速度ve來分別模擬洪峰的峰現(xiàn)時間和洪峰流量,特征流速ve分別取值0.33m/s和1.9m/s可以模擬得到洪峰流量和洪峰流量的發(fā)生時間,而Macchione特征流速范圍為0.05—0.10m/s.即Fu等的模擬中特征速度ve取值0.33m/s才能較為合理地模擬唐家山堰塞湖潰口的洪峰流量,相比原文獻中的區(qū)間范圍取值偏大約3倍.因此,本節(jié)不再對比分析Macchione方法的適用性.
對比Froehlich和Macchione公式的適用范圍可發(fā)現(xiàn):Macchione為土石壩的潰壩模擬,用于驗證Macchione模型的潰壩實例多為土壩,僅少量壩體為細沙、土和卵石的混合物,而潰決原因多為管涌,少部分為漫流和滲流導致的潰堤,此外,Macchione假定潰決斷面為三角形,在潰口的發(fā)展過程中與實際相差較大.而Froehlich和墾物局的方法則是較多地依賴水深,與壩體結(jié)構(gòu)等關系不大,與實際情況不符,導致計算結(jié)果與實測不符.
3結(jié)論
從計算與實測結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn),Osman方法、Froehlich和墾務局的模擬結(jié)果均不是很理想,不能滿足唐家山堰塞體的潰口寬度計算,需要針對堰塞體的具體特點改進模型.由于Osman公式為模擬非粘性河岸展寬的水動力學-土力學方法,是基于物理機理的河岸坍塌模型.接下來僅討論Osman公式中尚需要改進的地方.
對于將Osman公式應用于唐家山堰塞體,除夏軍強等指出的兩處不足(不能考慮孔隙水壓力和靜水壓力對河岸穩(wěn)定性的影響,和假定河岸崩塌時的平面滑動面必須限于通過坡腳),本文認為還存在以下困難:一是不能考慮土體具有明顯的雙層結(jié)構(gòu)情況下的大水壓差;二是導流渠彎道中二次環(huán)流的影響難以估計.有學者針對各項不足提出改進方法.如Darby和Thorne針對不考慮孔隙水壓力和靜水壓力對穩(wěn)定性的影響及滑動面必須通過坡腳的假定這兩個不足改進了Osman模型.在模擬順治河段的河床變形中,Darby和Thorne考慮河岸可能發(fā)生平面滑動和圓弧滑動兩種破壞情況,夏軍強等指出,雖然計算值與實測值仍存在一定的誤差,但同時考慮兩種破壞情況更符合實際.彎道對河岸展寬的作用則可根據(jù)Thorne和Osman中的方法得到改進,彎道剪切力與平均剪切力的關系式為τbτ=frcW,其中,τb為彎道外測的剪切力,τ為平均剪切力,τ=rwRS,rc為彎道曲率半徑,W為河寬,將τb代替式(1)中的τf即可考慮彎道作用,該關系根據(jù)文獻中的圖即可獲.但是,雙層土體導致的大水壓差仍需要深入的研究.
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