山区河道滑坡碎屑流激发涌浪形态演化及其对堰塞坝溃决响应的试验研究

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滑坡涌浪和堰塞坝溃决是山区河道常见的两类次生地质灾害类型,具有成灾规模大、致灾范围广的特点。中国西南山区频繁的地震作用常常会诱发山体滑坡堵江形成堰塞坝,同时堰塞坝上游地区水位抬升,会进一步诱发滑坡涌浪事件。为研究滑坡激发涌浪特性及涌浪作用下的堰塞坝水土力学响应和溃决演化过程,通过室内物理模拟试验,开展了碎屑滑坡涌浪模型试验,系统地研究了碎屑滑坡涌浪特性,在此基础上进一步开展了涌浪作用下的堰塞坝溃决试验,研究了滑坡涌浪作用下的堰塞坝溃决响应特征规律。取得的主要成果如下:(1)基于滑坡涌浪生成、传播及爬高各阶段构建了滑坡涌浪初始波幅预测模型、涌浪传播衰减及涌浪最大爬高预测模型,并通过滑坡涌浪实例验证了预测模型的有效性,真实案例中涌浪初始波幅观测值与模型预测值的平均相对误差仅为6%。通过敏感性分析表明,涌浪初始波幅受滑坡体冲击角度和滑坡体宽度影响最大,滑坡体冲击速度影响居于次要地位,水深影响较小;涌浪最大爬高受坡前波幅、对岸斜坡坡度及坡前水深控制,其中坡前波幅占据主导地位,基本决定了涌浪爬高的大小,其余两因素影响较小。涌浪在传播过程中的波幅衰减受到涌浪初始波幅和传播距离的影响,表现为距离涌浪波源越近,衰减越迅速;涌浪初始波幅越大,相同传播距离内衰减幅度越大。涌浪波峰传播速度低于孤立波传播速度,平均波速约为九成的孤立波速;涌浪波列在传播过程中存在从前至后的速度差,将会使涌浪波列被拉长,且随涌浪非线性增加,―拉长效应”显著。(2)依据涌浪爬高的差异,实现了对具有不同形态特征的涌浪的有效分类,界定了不同波形的边界条件。根据实测涌浪爬高R与计算爬高Rc间的关系可将滑坡涌浪分为三种类型:当R≤0.45Rc时,为类斯托克斯波;当0.45Rc<R≤0.9Rc时,为类椭圆余弦波;当R>0.9Rc时,为类孤立波。(3)堰塞坝在滑坡涌浪作用下出现漫顶溃决与未溃决两种模式,坝体是否溃决取决于初始溃口能否得以顺利形成,而初始溃口的形成依赖于首次漫顶超高和后续间歇性漫顶超高能否得以有效推进和发展;首次漫顶超高是坝体溃决的必要不充分条件,只有后续间歇性漫顶超高也发生时坝体才会溃决,即堰塞坝在涌浪作用下发生溃决的充要条件为:Rmax+h-di>0且R(t)+(h+Δh)-de>0。滑坡涌浪作用下堰塞坝漫顶溃决过程可划分为初始溃口形成阶段与连续漫顶溢流阶段,初始溃口形成阶段包括首次漫顶超高与后续间歇性漫顶超高两个过程,连续漫顶溢流阶段的溃决特征与自然漫顶溃决基本一致。(4)对比分析了坝体发生漫顶溃决与未溃决情况下的迎水坝面涌浪动水压力特征,在漫顶溃决情况下涌浪动水压力振荡衰减过程要明显短于未溃决情况;在未漫顶工况、明显漫顶超高工况及超高不明显时涌浪初始动水压力峰值沿坝高呈现三种不同的分布形态,超高不明显时的涌浪初始动水压力峰值分布形态是其余两种工况间的过渡类型,涌浪动水压力分布特征受涌浪爬坡水面的形态变化控制;基于以上三种工况下的分布特征提出了作用于倾斜坝面的涌浪初始动水压力峰值计算模型。(5)初步探讨了滑坡涌浪作用下的堰塞坝溃决机理。涌浪作用下坝体内部孔隙水压力的振荡波动、渗透水流的潜蚀及坝体外溢水流的强烈侵蚀作用是造成堰塞坝溃决的重要原因,其中,坝体外溢水流的侵蚀作用在坝体溃决过程中占据主导作用;在坝前水深较大时,将在坝体上下游形成较高的水头差,从而产生较强的渗透力,渗透水流的潜蚀作用则是使背水坡发生明显向坡脚的蠕滑现象,但在无漫溢水流作用下,坝体一般不会发生溃决;而坝体内部孔隙水压力的影响则表现在涌浪作用于坝体时坝体内部孔隙水压力将发生频繁激烈的变化,特别是涌浪首次作用于坝体时,距坝体迎水坡一定厚度范围内的孔隙水压力均出现激增的现象,这对坝体的稳定性是极不利的。
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