CN103147422A - 一种土石坝漫顶溃坝现场试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土石坝漫顶溃坝现场试验方法，本发明针对国内的粘性土均质坝情况，对在漫顶溃坝试验中如何确定能确保形成溃坝的引冲槽深度及宽度的技术问题提出了一个新的解决思路以及相关参数的计算方法。发明人结合溃决机理提出：如果要确保坝体在漫顶试验中溃决，一半坝高位置处水流摩阻流速值应超过筑坝材料起动摩阻流速6倍。因此在试验时，首先采用起动摩阻流速试验测定筑坝材料的起动摩阻流速，结合无量纲公式计算不同的漫顶水深下的摩阻流速分布，从而计算确定引冲槽的最小深度，再根据宽深比确定引冲槽的宽度。该套试验方法具有安全可靠和实施方便等优势，对于开展更多的土石坝漫顶溃决试验具有较高的指导和实用价值。

Description

一种土石坝漫顶溃坝现场试验方法

技术领域

本发明涉及一种溃坝试验方法，具体涉及一种土石坝漫顶溃坝现场试验方法。

背景技术

水库大坝在给人类带来巨大经济和社会效益的同时也存在着溃决的风险，特别是受全球性气候变化影响，我国极端天气事件明显增多，洪水灾害的突发性、反常性、不可预见性日显突出，对水库大坝安全提出了巨大挑战。鉴于溃坝带来的严重后果，人们越来越重视对坝体溃决机理的研究，在对现有的坝体溃决机理研究中，试验是一种非常重要的手段。根据溃坝试验模型大小主要分为室内和现场两种，尽管现场试验与室内试验相比存在试验成本高，试验过程控制难等特点，但是现场溃坝试验不用考虑模型缩尺的影响，能完整再现土石坝溃决过程，准确模拟溃坝水力特性，因此有必要开展足够多的现场试验。

目前，国内外针对溃坝开展了众多的现场试验，国外对于引冲槽的研究较少，主要是因为：国外的筑坝材料以沙颗粒为主，在较小的水流条件下便能实现溃坝过程；另一方面，国外开展试验普遍存在坝体较小的特点，采用机械构建引冲槽方便快捷，因此对于引冲槽的构建技术要求不高。而国内的筑坝材料以粘性土为主，坝体体型较大。发明人曾多次开展现场溃决试验，试验前，曾尝试采用窦国仁、张瑞瑾等人的泥沙输移公式计算筑坝材料的起动切应力及流速，以设计引冲槽，事实证明，当前粘性土泥沙输移机理尚不成熟，计算结果存在较大偏差，导致多次现场试验未能成功，损失巨大。

而且，在国内外进行土石坝漫顶试验时，基本采取的方法是：在试验开展地点的坝基处堆筑试验用坝，再在坝体顶部开挖一条引冲槽，然后通过对坝体上游不断蓄水，使水通过引冲槽漫过坝体并对下游侧的坝体坡面形成冲刷最终发生溃坝。但是对上游蓄水是一个周期较长的工作，不仅不利于对实验进度的掌握，还容易导致大坝提前溃坝，从而危害到下游人民群众的生命财产安全。

因此，针对模拟国内的粘性土均质坝漫顶溃坝试验的特点，提出一种能在试验开始后才形成漫顶并且在水流的冲刷下能顺利形成溃坝的试验方法成为亟须解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种适用国内粘性土质的土石坝漫顶溃坝现场试验方法。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种土石坝漫顶溃坝现场试验方法，其特征在于具有以下步骤：

a、用土石物料堆筑试验坝体，并确定试验坝体的高度H、试验坝体的下游坡度1：n；

b、通过现有的泥沙起动摩阻流速试验测定所述试验坝体的筑坝材料的起动摩阻流速u_*，并通过下面的无量纲公式计算出可使坝体溃坝的最小漫顶水深h；

当所述试验坝体的坡度为1：2时，所述用于计算坝体溃坝漫顶水深h的无量纲公式为 $\frac{u^2}{g}=0.057h-0.052\mathrm{hexp}(-\frac{1}{15.29\frac{h}{H}-0.18});$

当所述坡度为1：2.5时，所述用于计算坝体溃坝漫顶水深h的无量纲公式为 $\frac{u^2}{g}=0.049h-0.044\mathrm{hexp}(-\frac{1.13}{15.29\frac{h}{H}-0.18});$

当所述坡度为1：3时，所述用于计算坝体溃坝漫顶水深h的无量纲公式为 $\frac{u^2}{g}=0.044h-0.038\mathrm{hexp}(-\frac{1.27}{15.29\frac{h}{H}-0.18});$

c、在所述坝体的顶部中部开挖有引冲槽，所述引冲槽连通所述坝体的上、下游，所述引冲槽的深度为h₀，所述引冲槽的宽度为b，所述引冲槽的深度h₀≥h，所述引冲槽的宽度b=0.8h₀；

d、在所述引冲槽的中部设置闸门并使闸门保持关闭状态，所述闸门将引冲槽分隔成上游段引冲槽和下游段引冲槽两段；

e、在所述下游段引冲槽内填埋有土袋,并在坝体上游蓄水；

f、打开所述闸门，上游的蓄水快速流过所述引冲槽并对下游坝体坡面形成冲蚀，再现溃决全过程。

本发明的有益效果是：

本发明针对国内的粘性土均质坝情况，对在漫顶溃坝试验中如何确定能确保形成溃坝的引冲槽深度及宽度的技术问题提出了一个新的解决思路以及相关参数的计算方法。通过本发明的方法确定的引冲槽在实验时可以满足坝体因漫顶而溃坝时所需的漫顶深度。

发明人结合溃决机理提出：如果要确保坝体在漫顶试验中溃决，一半坝高位置处水流摩阻流速值应超过筑坝材料起动摩阻流速6倍。因此在试验时，首先采用起动摩阻流速试验测定筑坝材料的起动摩阻流速，结合无量纲公式计算不同的漫顶水深下的摩阻流速分布，从而计算确定引冲槽的最小深度，再根据宽深比确定引冲槽的宽度。该套试验方法具有安全可靠和实施方便等优势，对于开展更多的土石坝漫顶溃决试验具有较高的指导和实用价值。

上述技术方案的完善和改进有：

为了可以更方便和更快速地打开闸门，所述闸门主要由钢化玻璃制成，所述钢化玻璃的背面通过π型木桩固定，所述打开闸门指将所述钢化玻璃击碎。

为了防止引冲槽因受长时间的浸泡提前坍塌，堵塞引冲槽，所述上游段引冲槽的槽体两侧设有槽体护板。

引冲槽后半段预留下游侧一半土体不开挖，并在钢化玻璃附近用土袋填埋，加固钢化玻璃同时，方便迅速打开引冲槽。

为了对钢化玻璃进行进一步的加固，所述下游段引冲槽在水流流动方向上又分为两段，靠近钢化玻璃的一段填充有土袋，远离钢化玻璃的另一段回填有土石料；当开始试验时，将所述土袋和土石料移除。

附图说明

下面结合附图对本发明的土石坝漫顶溃坝现场试验方法作进一步说明。

图1是本发明中所涉及的土石坝结构示意图。

图2是图1中A部放大图。

图3是本发明中钢化玻璃的固定结构示意图。

具体实施方式

实施例一

现需开展土石坝漫顶溃坝试验，在试验计划中确定试验坝体1高9m，库容10万方。本发明中漫顶溃坝现场试验方法，包括以下步骤：

1、在坝基上用土石物料堆筑试验坝体1，确定试验坝体1的坝高9m，下游坡度1：2；

2、根据现场试验条件确定筑坝材料为某种粘性土，通过起动摩阻试验测定材料的起动摩阻流速为0.09m/s，则对应的所需水流摩阻流速为0.54m/s，试验坝体1体型见图1，通过无量纲公式：

$\frac{u^2}{g}=0.057h-0.052\mathrm{hexp}(-\frac{1}{15.29\frac{h}{H}-0.18})$

求得保证土石坝溃决所需的最小漫顶水深约为h=1m。

3、坝体1的顶部中部构建、开挖深度为1m的矩形引冲槽2，并依据试验经验确定引冲槽2的宽度为深度的0.8倍，即b=0.8m。

4、选用厚度为8mm的钢化玻璃3隔设在冲槽中部（或将钢化玻璃3替换为其它的闸门机构，在安装后保持闸门关闭即可），将引冲槽2分隔成上游段引冲槽2和下游段引冲槽2两段；对钢化玻璃3的固定时如图3所示，采用π型木桩6固定钢化玻璃3。

5、在所述下游段引冲槽2内填埋有土袋4,并在坝体1上游蓄水（在对下游段引冲槽2进行填埋时，将下游段引冲槽2在水流流动方向上又分为两段，靠近钢化玻璃3的一段填充有土袋4，远离钢化玻璃3的另一段回填有土石料5）；为了防止引冲槽2因受浸泡坍塌，在上游段引冲槽2的槽体两侧设有槽体护板，槽体护板可以为木板也可以为其它护具，木板采用木桩固定。

6、采用人工开挖或者机械挖掘的方法将土袋4去除，人工将钢化玻璃3击碎（或打开前述闸门），上游的蓄水快速流过引冲槽2并对下游坝体1坡面形成冲蚀，再现溃决全过程，达到模拟溃坝水力特性的目的。

实施例二

现需开展土石坝漫顶溃坝试验，在试验计划中确定试验坝体1高8m，库容10万方。本发明中漫顶溃坝现场试验方法，包括以下步骤：

1、在坝基上用土石物料堆筑试验坝体1，确定试验坝体1的坝高8m，下游坡度1：2.5；

2、根据现场试验条件确定筑坝材料为某种粘性土，通过起动摩阻试验测定材料的起动摩阻流速为0.078m/s，则对应的所需水流摩阻流速为0.47m/s，试验坝体1体型见图1，通过无量纲公式：

$\frac{u^2}{g}=0.049h-0.044\mathrm{hexp}(-\frac{1.13}{15.29\frac{h}{H}-0.18})$

求得保证土石坝溃决所需的最小漫顶水深约为h=1m。

3、坝体1的顶部中部构建、开挖深度为1m的矩形引冲槽2，并依据试验经验确定引冲槽2的宽度为深度的0.8倍，即b=0.8m。

4、选用厚度为8mm的钢化玻璃3隔设在冲槽中部（或将钢化玻璃3替换为其它的闸门机构，在安装后保持闸门关闭即可），将引冲槽2分隔成上游段引冲槽2和下游段引冲槽2两段；对钢化玻璃3的固定时如图3所示，采用π型木桩6固定钢化玻璃3。

5、在所述下游段引冲槽2内填埋有土袋4,并在坝体1上游蓄水（在对下游段引冲槽2进行填埋时，将下游段引冲槽2在水流流动方向上又分为两段，靠近钢化玻璃3的一段填充有土袋4，远离钢化玻璃3的另一段回填有土石料5）；为了防止引冲槽2因受浸泡坍塌，在上游段引冲槽2的槽体两侧设有槽体护板，槽体护板可以为木板也可以为其它护具，木板采用木桩固定。

6、采用人工开挖或者机械挖掘的方法将土袋4去除，人工将钢化玻璃3击碎（或打开前述闸门），上游的蓄水快速流过引冲槽2并对下游坝体1坡面形成冲蚀，再现溃决全过程，达到模拟溃坝水力特性的目的。

发明人通过大量实验还总结出当所述坡度为1：3时，用于计算坝体1溃坝漫顶水深h的无量纲公式为 $\frac{u^2}{g}=0.044h-0.038\mathrm{hexp}(-\frac{1.27}{15.29\frac{h}{H}-0.18}).$

本发明的不局限于上述实施例，凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种土石坝漫顶溃坝现场试验方法，其特征在于具有以下步骤：

a、用土石物料堆筑试验坝体，并确定试验坝体的高度H、试验坝体的下游坡度为1：n；

b、通过现有的泥沙起动摩阻流速试验测定所述试验坝体的筑坝材料的起动摩阻流速u_*，并通过下面的无量纲公式计算出可使坝体溃坝的最小漫顶水深h；

当所述试验坝体的坡度为1：2时，所述用于计算坝体溃坝漫顶水深h的无量纲公式为 $\frac{u^2}{g}=0.057h-0.052\mathrm{hexp}(-\frac{1}{15.29\frac{h}{H}-0.18});$

当所述坡度为1：2.5时，所述用于计算坝体溃坝漫顶水深h的无量纲公式为 $\frac{u^2}{g}=0.049h-0.044\mathrm{hexp}(-\frac{1.13}{15.29\frac{h}{H}-0.18});$

当所述坡度为1：3时，所述用于计算坝体溃坝漫顶水深h的无量纲公式为 $\frac{u^2}{g}=0.044h-0.038\mathrm{hexp}(-\frac{1.27}{15.29\frac{h}{H}-0.18});$

c、在所述坝体的顶部中部开挖有引冲槽，所述引冲槽连通所述坝体的上、下游，所述引冲槽的深度为h₀，所述引冲槽的宽度为b，所述引冲槽的深度h₀≥h，所述引冲槽的宽度b=0.8h₀；

d、在所述引冲槽的中部设置闸门并使闸门保持关闭状态，所述闸门将引冲槽分隔成上游段引冲槽和下游段引冲槽两段；

e、在所述下游段引冲槽内填埋有土袋,并在坝体上游蓄水；

f、打开所述闸门，上游的蓄水快速流过所述引冲槽并对下游坝体坡面形成冲蚀，再现溃决全过程。

2.根据权利要求1所述土石坝漫顶溃坝现场试验方法，其特征在于：所述闸门主要由钢化玻璃制成，所述钢化玻璃的背面通过π型木桩固定，所述打开闸门指将所述钢化玻璃击碎。

3.根据权利要求1所述土石坝漫顶溃坝现场试验方法，其特征在于：所述上游段引冲槽的槽体两侧设有槽体护板。

4.根据权利要求1、2或3所述土石坝漫顶溃坝现场试验方法，其特征在于：所述下游段引冲槽在水流流动方向上又分为两段，靠近钢化玻璃的一段填充有土袋，远离钢化玻璃的另一段回填有土石料；当开始试验时，将所述土袋和土石料移除。

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