凌汛期粘性土堤防溃堤物理模型试验研究

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堤防溃决失事会对人民群众的生命财产安全造成极大威胁,在中国已溃决的堤坝中,有85%以上为均质粘性土材料,并且50%以上为漫顶溃决。而河流在凌汛期时,由于封河期和开河期的存在,河道两岸堤防有漫顶破坏的隐患。当前国内外的凌汛期溃堤事故缺乏实测资料,为研究冰水动力作用下的溃堤过程,物理模型试验是一项必要的研究手段,但目前此方面的研究较少。因此进行凌汛期条件下的均质粘性土堤堤防溃决物理模型试验研究很有必要。本文针对凌汛期条件下的均质粘性土堤堤防漫顶溃决过程进行了物理模型试验研究,设计了洪水条件、冰凌条件、冻土及冻融循环条件三种试验条件下的溃堤试验,分别对三种条件的溃口破坏方式进行了总结,并通过改变堤身含水率、入口流量和冻融循环次数来对溃口垂向发展和横向展宽过程、堤前水位及流速变化过程规律进行单因素变化对比试验。主要结论如下:(1)洪水条件和冻融条件的溃口破坏形式主要有沿程侵蚀、陡坎冲刷和坍塌破坏,冰凌条件下明显的冰凌挤压破坏堤体的现象出现,冻土条件时会出现平滑堤身与较长悬臂现象。(2)三种条件下当含水率越高,溃口垂向发展越缓慢,同时入口流量越小的时候,溃口垂向发展也越缓慢。与洪水条件相比,冰凌条件和冻土冻融条件下溃口垂向发展速率变缓。(3)随着入口流量的增大,溃口展宽速率和最终宽度会变大。增加堤身的含水率,横向展宽的宽度会减小,展宽速率会变小,同时坍塌次数有明显的减小。冰凌条件下的各工况的溃口展宽阶段速度和最终宽度较洪水条件下都有不同程度的增大,冻土及冻融条件的最终溃口宽度和展宽速度与洪水条件相比则有不同程度的减小。(4)堤前水位变化可以分为三个阶段:平缓上升阶段、水位下降阶段、水位平衡阶段。入口流量越大,水位峰值就越大,水位下降阶段时间缩短,最终稳定水位依次升高。堤身含水率越低,水位峰值增大,最终稳定水位降低,水位降低时长也缩短。冰凌条件溃堤的初期过程变化缓慢,各工况的水位峰值要高于洪水条件。冻土条件的堤前最终稳定水位都要高于洪水条件溃堤后的稳定水位,水位变化幅度随堤身含水率的增加而增加,冻融次数增多会导致水位明显下降的时间节点滞后。
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