冰凌作用下均质非粘性土堤溃决机理研究

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堤防溃决失事是一个复杂的水-土动力学过程,研究溃堤问题主要依靠历史统计资料分析和数值模拟,由于缺乏实测资料,物理模型试验也是一项必要的研究手段。目前针对冰水动力作用下的溃堤过程研究较少,由于冰凌的存在,溃堤的危险程度大大增加,溃堤过程就更为复杂,因此进行冰凌作用下的溃堤研究很有必要。本文针对凌汛期堤防溃决过程进行了试验研究,建立了大型双层U型试验水槽,分别针对洪水作用下、冰凌作用下和冻土作用下的堤防进行了模拟溃堤试验,简单分析了溃堤过程中的特点,揭示了堤防溃决发展机理以及溃口演化模式。(1)分析了三种条件下的溃口发展方式异同点将溃堤过程划分为四个阶段:渗透过流、堤后冲刷、溃口快速展宽和冲淤平衡。溃口的发展阶段大致相同,但各阶段发展速度和方式不同。洪水条件和冰凌条件溃口垂向发展方式为表面侵蚀后退,冻土条件下的溃口发展更接近于粘性土溃堤过程,垂向发展方式为陡坎的侵蚀后退。洪水条件下溃口依靠水流冲刷边坡失稳展宽,冰凌条件下主要有水流挟冰展宽和冰块撞击溃口两侧失稳展宽两种方式,冻土条件下有土体坍落和溃口处形成的悬臂失稳崩塌两种展宽方式,最终以哪种形式为主还取决于堤身冻结的时长和环境温度。三种条件下溃口断面形态均呈现前宽后窄的“倒梯形”形态,不同点在于冰凌条件下堤前有冰块堆积,冻土条件下的溃口还存在小型悬臂。(2)分析了溃口宽度的变化规律堤防溃决过程中,溃口宽度呈“阶梯式”增长。溃口宽度增加主要集中在溃口发展初期,初始流量越大,最终溃口宽度越大。堤顶宽度增加,最终溃口宽度减小,增加堤身的边坡比,最终溃口宽度也减小。冰凌条件下的溃口宽度较洪水条件下增大,流量越大,溃口宽度增大的幅度越大。同等流量的条件下,冻土条件下最终的溃口宽度大于洪水条件,但冻土时长增加,溃口宽度反而减小,但依然大于洪水条件。(3)阐述了溃堤时溃口处水流流速及水位的发展过程三种条件下流速和水位变化趋势基本一致。冰凌条件下峰值流速明显增加,出现时间提前,最大可增加两倍。冻土条件下峰值流速与洪水条件下基本相同,只是峰值流速出现的时间滞后。同一流量下,增大堤顶宽对流速和水位影响不大,而增大边坡比能显著降低堤后水位上升速度和峰值流速。(4)采用结构光传感器采集溃堤过程中的堤防高程变化数据结构光传感器在录像的同时还可采集溃口处的高程和尺寸数据,将结构光传感器采集的高程数据通过软件绘制成三维地形图,提高了试验效率,使数据采集简单化,减小了试验误差,提高了试验结果的准确度。
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