众多自然因素(如强降雨或地震)及人为因素等可能诱发大型滑坡体堵塞河道,进而形成天然水库或堰塞湖。另外,全球气候变暖导致冰川消融退却,进而形成冰湖。这些天然水库的坝体一般由松散材料组成,在水流漫顶后能够发生溃决,并在短时间内形成溃坝洪水甚至泥石流灾害,从而给流域内的经济、人员生命及环境等造成巨大损失。准确而快速地进行溃坝洪水预报能够为防灾减灾工作提供重要的参考。但是,目前对于这一问题的研究远未充分。自然坝体溃决能够诱发强非恒定流、活跃的泥沙运动及快速的河床变形过程,三者之间存在着强烈的相互作用,属于典型的强冲积河流过程。同时,由于自然坝体溃决属于渐变溃方式,这其中涉及水-土耦合动力学相互作用机理,更加深了这一问题的复杂性。一方面,受观测环境和观测条件的限制,现场观测几乎不可能；同时,现有对自然坝体溃坝洪水过程的研究也非常少,特别缺少对水流条件的观测。另一方面,用于研究自然坝体溃决洪水过程的数学模型大多为适用于弱冲积河流的非耦合数学模型,且要依赖于坝址流量过程,具有相当的不确定性。论文首先进行了大尺度水槽溃坝系列水沙试验。试验在80 m×1.2 m×0.8 m的大尺度水槽内进行,考虑了不同初始坝高、来流流量、坝体组成材料、初始溃口尺寸、不同坝面坡面以及梯级坝溃决等不同情况,共计完成40组试验。采用12台自动水位仪,取得了全新的实测水位过程数据。此外,记录了每组试验的坝体溃决过程,可以估测溃口展宽过程。试验有助于理解不同条件下自然坝体的溃决机理,从而为为建立数学模型提供重要的参考。试验水位过程数据第一次系统地描述了单个坝体和梯积坝体溃决水位变化过程及其影响因素。此外,多系列溃坝水位过程数据为系统地检验数学模型提供了重要的数据资源。其次,建立了浅水二维水沙耦合数学模型。模型的基本控制方程采用完整的浅水二维水沙动力学方程,采用能够有效捕捉激波和泥沙运动不连续性的WAF TVD (total-variation-diminishing version of the weighted average flux method)数值格式求解基本控制方程,这样模型能够充分地模拟自然坝体溃决过程中复杂水流条件下的活跃泥沙运动和快速的河床变形过程。运用修正的Meyer-Peter公式描述坝体溃决受水流侵蚀作用而发生的坝体变形及河床变形过程,采用—几何方法来描述坝体质量坍塌过程。基于2两组特定试验条件下的实测水位过程校核了模型参数,并研究应用此校核参数后数学模型对其它不同的条件下的溃坝洪水过程适用性。最后,将模型初步用于研究自然尺度条件下坝体溃决流量过程及梯级坝溃决洪水渐进增强机制。