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水利工程

极端干旱对黏土斜墙坝的致灾机理及对策研究

作者：马福恒

出版社：科学出版社出版时间：2021-10-01

开本： B5 页数： 284

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目录
节选

极端干旱对黏土斜墙坝的致灾机理及对策研究版权信息

ISBN：9787030698544
条形码：9787030698544 ; 978-7-03-069854-4
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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水利工程

极端干旱对黏土斜墙坝的致灾机理及对策研究本书特色

适读人群：设计单位、水库大坝管理单位和从事大坝安全评估的技术人员，也可作为高等学校水利类专业的教材或参考书。该书所研究的科学技术对保证土石坝在低水位情况下安全运行、保障居民生产生活用水、发挥水库供水、生态等方面具有重要指导作用，社会效益和经济效益巨大。

极端干旱对黏土斜墙坝的致灾机理及对策研究内容简介

优选气候变化导致特别事件频发，给大坝的安全运行和管理带来了新的挑战。本书针对特别干旱对黏土斜墙坝的致灾作用机理进行了系统研究，通过理论分析、数值模拟、物模试验等方法，探究了黏土体干缩裂缝受旱扩展模式以及裂缝出现后的防渗体渗流变化情况，并结合实际工程提出了应对措施。主要内容包括：构建了黏土干缩裂缝扩展模型，模拟了干缩裂缝扩展过程以及分布情况；建立了裂缝表征体系，挖掘出裂缝扩展与土体参数之间的关系；讨论了裂缝出现之前的降雨入渗以及积水入渗机理，明晰了不同时期渗流水在裂缝土体内的渗流过程；开展了大比尺模型试验与离心模型试验，揭示了黏土斜墙防渗体干缩裂缝对大坝的致灾过程；计算分析了干旱过程黏土斜墙的脆弱性，探究了特别干旱中土石坝的恢复力；挖掘了裂缝扩展特征，以宽度信息确定了裂缝深度发育大小；建立了裂缝参数与大坝渗流之间的关系，确定了干旱后的裂缝渗流预警指标；结合实际工程，制定了应对持续干旱、低水位工况的水库运行应急综合决策方法，提出了土石坝应对特别干旱的工程和非工程防灾减灾措施。

极端干旱对黏土斜墙坝的致灾机理及对策研究目录

目录
前言
第1章绪论 1
1.1 气候变化与极端干旱事件 1
l.1.1 气候变化 1
1.1.2 极端干旱 3
1.2 极端干旱对大顼安全的影响 7
1.2.1 极端干旱的影响 7
1.2.2 旱涝急转的影响 10
1.3 干缩裂缝影响下的黏土体渗流演化研宄进展 11
1.3.1 裂缝影响土体渗透性 11
1.3.2 裂缝影响土体渗流过程 12
1.4 土石坝渗透破坏研宄进展 14
1.4.1 土石坝渗透破坏 14
1.4.2 土石坝渗透破坏的试验研宄 17
1.4.3 土石坝渗透破坏的数值模拟 19
参考文献 20
第2章受旱过程黏土体干缩裂缝扩展机理 28
2.1 受旱过程中黏土体裂缝扩展理论 28
2.1.1 微观层面颗粒间作用力 28
2.1.2 宏观层面体积收缩 33
2.2 土体干缩裂缝深度扩展模型 41
2.2.1 土中基质吸力垂直分布 41
2.2.2 干缩裂缝发展深度计算模型 44
2.2.3 干缩裂缝发展宽度计算模型 47
2.2.4 复杂裂缝网络形态表征体系 51
2.3 受旱过程中黏土体裂缝扩展试验 54
2.3.1 试验过程 54
2.3.2 裂缝度量指标确定 56
2.4 受旱过程中黏土体裂缝扩展数值模拟 66
2.4.1 裂缝出现时刻含水率 66
2.4.2 裂缝深度 67
2.4.3 裂缝宽度 68
2.4.4 裂缝随机分布模拟 79
参考文献 80
第3章极端干旱后黏土斜墙坝渗流性态模型试验 82
3.1 干湿循环模型试验 82
3.1.1 试验系统 82
3.1.2 试验过程 87
3.1.3 试验结果 88
3.2 水槽模型试验 91
3.2.1 相似性分析 91
3.2.2 试验系统 93
3.2.3 试验过程 98
3.2.4 试验结果分析 103
3.3 离心模型试验 110
3.3.1 相似性分析 110
3.3.2 试验系统 112
3.3.3 试验过程 114
3.3.4 试验结果分析 116
参考文献 124
第4章极端干旱后黏土斜墙坝渗流性态数值模拟 125
4.1 降雨条件下斜墙现入渗过程 125
4.1.1 降雨入渗理论 125
4.1.2 积水入渗理论 128
4.2 水位上升条件下斜墙坝渗流过程 130
4.2.1 初始阶段水流进入裂缝 131
4.2.2 后续阶段水流进入土体 133
4.2.3 水力劈裂 136
4.3 不同条件下黏土斜墙坝渗流性态的数值模拟分析 138
4.3.1 旱前稳定饱和渗流分析 139
4.3.2 旱涝急转渗流分析 140
4.3.3 裂缝存在时渗流分析 146
4.3.4 计算成果与试验对比分析 148
参考文献 149
第5章极端干旱下黏土斜墙规脆弱性与恢复力 151
5.1 大坝脆弱性与恢复力 151
5.1.1 大坝脆弱性 151
5.1.2 大坝恢复力 153
5.2 极端干旱中黏土斜墙坝脆弱性 156
5.2.1 受旱过程中黏土体脆弱性 156
5.2.2 旱涝急转工况下黏土斜墙坝脆弱性 164
5.2.3 旱后正常运行期黏土斜墙坝脆弱性 184
5.3 极端干旱后黏土斜墙坝恢复力 188
5.3.1 裂缝愈合分析 188
5.3.2 裂缝愈合后渗流计算 209
参考文献 210
第6章极端低水位下水库运行安全综合处置措施 212
6.1 干缩裂缝检测与探测 212
6.1.1 土体开裂部分检测 212
6.1.2 裂缝深度探测 217
6.2 综合决策方法 218
6.3 渗流安全预警指标 218
6.3.1 常规渗流安全预警指标 218
6.3.2 裂缝渗流安全预警指标 220
6.3.3 裂缝深度确定 222
6.4 综合处置措施 224
6.4.1 运行管理措施 224
6.4.2 工程施工措施 225
参考文献 226
第7章工程应用 227
7.1 昭平台水库极端低水位下运行综合决策 227
7.1.1 工程概况 227
7.1.2 动用死库容的必要性 228
7.1.3 库容曲线估算 228
7.1.4 监测资料分析 230
7.1.5 渗流安全复核 235
7.1.6 结构安全分析 242
7.1.7 综合决策 243
7.2 白龟山水库极端低水位下应对措施 244
7.2.1 工程概况 244
7.2.2 运行管理措施 246
7.2.3 工程施工措施 248
7.2.4 渗流安全预警指标 250
参考文献 259
第8章极端干旱下黏土斜墙坝安全运行经验与总结 260
8.1 极端干旱中黏土体裂缝发育机理 260
8.2 极端干旱后黏土斜墙坝渗流性态变化 260
8.3 极端干旱中黏土斜墙坝安全运行对策 261
附录裂缝分布模拟程序 263

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极端干旱对黏土斜墙坝的致灾机理及对策研究节选

第1章绪论 1.1 气候变化与极端干旱事件 1.1.1 气候变化气候变化已成为全球性问题，并受到国际社会的普遍关注。迄今为止，联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC）已经发布五次评估报告对全球气候变化状况及未来可能的发展趋势做了研究和判断。IPCC **工作组第五次评估报告 Climate Change 2013： The Physical Science 从观测、归因分析、未来预测3个不同角度，表明地球系统正在经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化[1]。自1950年以来，气候系统观测到的许多变化是过去几十年甚至近千年以来史无前例的。全球几乎所有地区都经历了升温过程，变暖体现在地球表面气温和海洋温度的上升、海平面的上升、格陵兰和南极冰盖消融和冰川退缩、极端气候事件频率的增加等方面。全球地表持续升温，1880～2012年全球平均温度已升高0.85°C ；过去30年，每10年地表温度的增暖幅度高于1850年以来的任何时期[2，3]。气候变化是指能够识别的气候状态的变化，即平均值变化和/或各种特性的变率，并持续较长的时间，一般达几十年或更长时期。气候变化或许是自然气候变率或人为气候变化所致。不断变化的气候可导致极端天气和气候事件在频率、强度、空间范围、持续时间和发生时间上的变化，并能够导致前所未见的极端天气和气候事件。极端天气和气候事件中天气和气候的状态严重偏离其平均态，在统计意义上属于小概率事件，虽然极端事件的发生频率比较低，但是往往会给自然环境和人类社会带来较大的影响[4]。在过去的几十年，全球变暖导致的极端天气气候事件不断增加以及人和经济资产（承灾体的）暴露度和脆弱性的增加，导致与天气和气候有关的灾害经济损失不断增加（主要反映了货币化的资产直接损害）。自1980年以来，年损失估计值区间从几十亿美元到2000亿美元（按2010年美元价值计），2005年值*高[5]。损失估计值是各估计值的*低值，因为许多其他影响诸如人的生命、文化遗产和生态系统的损失难以估量和货币化，因而在损失估计值中无法体现。在发达国家，与天气、气候和地球物理事件相关的灾害经济损失（包括保险覆盖的损失）更高。在发展中国家，死亡率。图1.1 1901～2014年中国地表温度距平变化曲线降水模式的变化、地表温度上升、洪水和干旱的频率与强度增加、冰川大面积融化以及降雪量的减少，这些都是全球气候变化带来的水文变化。气候变化引起暴雨、洪水、干旱等水文极值变化，必将影响水库大坝设计洪水的大小，继而影响水利工程的设计。1954～2017年全国各类水库发生溃坝事件3539起，其中1/3以上是由于遭遇特大洪水、设计洪水偏低和泄洪设备失灵，从而引起洪水漫顶而失事。在气候变化背景下，水利工程的设计和运行管理中需要考虑以下一些问题：①气候变化引起流域降雨和径流的变化，将影响流域的设计暴雨和设计洪水，需要适当地提高水利工程防洪的设计标准；②气候变化将可能加剧干旱发生的频率、范围和程度，进而影响水利工程的供水保证率；③暴雨强度和暴雨次数的增加，可能会引发地质灾害和加大泥沙冲淤对水利工程安全和寿命的影响；④气候变化和变异将可能加大极端水文气候事件发生的频次和强度，对已建工程的运行规则和规程需要做相应的必要调整，以保障水利工程的安全和洪水资源化；⑤由经济损失占国内生产总值（GDP）的比重更大。在1970～2008年，95%以上由自然灾害造成的死亡发生在发展中国家。拥有迅速扩大的资产基数的中等收入国家所承担的负担*大。在2001～2006年，根据有限的证据，对于中等收入的国家，损失约占GDP的1%，而对于低收入国家这一比例约占GDP的0.3%，对于高收入国家则不足GDP的0.1%[6]。在气候变化的大背景下，中国近百年的气候也发生了明显变化[7，9]，统计分析1901～2014年中国地表温度距平变化曲线（图1.1）可见，平均地表气温上升了0.9～1.5°C，近60年陆地表面温度上升了1.38°C，每10年升髙0.23°C，髙于全球平均水平。由1956～2014年中国平均降水量变化曲线可知，年降水呈现出明显的年际振荡规律[10，11]。于极端气象灾害发生的频率和强度有进一步增强的趋势，在运行管理中要重视水情信息的监测和预报，加强防洪抗旱应急预案的编制和执行。 1.1.2 极端干旱 1.极端气候变化极端天气气候事件有多种定义方法，如Easterling等[12]指出极端事件可以从三个方面进行定义：①基于简单的气候统计来定义，如极端温度和极端降水量等;②从天气气候事件的发生与否来定义，如干旱和飓风等；③从天气气候事件对社会所造成影响的大小来判定。Bengtsson等[13]归纳了定义极端事件的三个标准：①发生频率较低；②具有较大或较小的强度；③造成了严重的社会经济损失。极端事件的变化可能与平均值、变率或概率分布形态的变化或所有这些变化有关联。《气候变化国家评估报告》中定义了27种与极端天气气候事件相关的指数，其中16种与气温有关，11种与降水有关[9]。IPCC第四次评估报告指出：近年，全球范围的冷日、冷夜和霜冻的发生频率减小，而暖日、暖夜和热浪的发生频率增加。其中特别是高温热浪发生频率增多，强度增强，并且分布范围较广。预计今后这种极端事件的发生将更加频繁[14]。全球部分地区（如东南亚、南美洲、非洲、英国和加拿大等地区）的极端温度事件也出现了类似的现象。气候异常变化改变了全球水文循环的现状。全球地表温度的升高会使地表蒸发加剧，大气保持水分的能力也会增强，这表示大气中的水分可能增加。地面的蒸发能力增强，将会更易发生干旱，同时为了蒸发相平衡，降水也将增加，从而易发生洪涝灾害。图1.2统计了1900～2016年全球自然灾害事件，可见极端水文、气象类灾害事件发生的频率、频次有明显增强趋势，如台风及超强台风个数和强度均明显增加[15]。图1.2 1900～2016年全球自然灾害统计我国东部位于东亚季风区，西部地处西亚内陆区，天气和气候系统复杂，既受亚洲季风系统的影响，又有青藏高原大地形的作用，是世界上受气象灾害影响极为严重的国家之一。近年来，我国发生的极端事件越来越频繁，破坏性越来越大，并且表现出极为明显的群发性特征。2006年夏，我国四川、重庆等地发生了百年一遇的干旱，与之相伴的是历史罕见的高温热浪，高温日数、持续时间和极端高温强度（44.5°C）均创下了当地有气象观测以来的历史同期*高[16]。2007年夏天，重庆发生了有气象观测记录以来*强的强降水，从而引发洪涝，造成25个区县共300余万人受灾，同时淮河流域遭遇了1954年以来的*大降水量，导致发生流域性大洪水，而东北地区入夏以来则持续严重干旱，局部地区高温少雨，均创造有记录以来**位。2008年1月至2月初，我国南方地区经历了历史罕见的大范围低温雨雪和冰冻灾害，持续时间之长、影响程度之严重均为历史罕见，给南方的国民经济和人民生命财产造成了巨大损失，特别是对交通、能源供应、电力传输、通信设施、农业生产、生态系统和人民生活造成了严重影响，造成的直接经济损失达上千亿元[17]。此外，全国其他地区大大小小的极端气象灾害造成人员和财产损失不可估量[18]。2009年以来云南省连续4年大旱，其中2010年遭遇百年一遇的全省性特大干旱，多条河道干涸，大片农田龟裂，数百万人口受灾，损失之严重历史少有[19]。2014年河南省遭遇大旱，为保障城乡居民生活供水，多座水库启用了死库容[20]。2000～2010年，我国（未包括香港、澳门、台湾）发生的洪涝灾害年平均受灾人口12831.5万人，农业年平均受灾面积1057.9万hm2，年平均直接损失为989.15亿元[21]2011年6月，我国南方地区连续遭受两次强降雨袭击，部分地区发生严重的洪涝灾害，两次灾害造成105人死亡，63人失踪，直接经济损失达50亿元人民币。2012年7月，我国大部分地区遭遇暴雨，其中，北京及其周边地区遭遇61年以来*强暴雨及洪涝灾害，不仅导致城市交通混乱，而且还有66人遇难，直接经济损失高达150亿元[22]。2013年全国洪涝灾害受灾人口多达1.2亿人，因灾死亡774人、失踪374人[23]。2000年以来的洪涝灾害引起的死亡人数是洪涝、地质、地震、海洋灾害及森林火灾五类自然灾害中排名**的，约占六成；所造成的经济损失，也占到八成以上，可见我国受洪涝灾害影响程度之深。洪涝灾害已经成为我国社会经济可持续发展的重要制约因素之一[24]。事实已经说明，我国伴有群发性的极端气候事件正在不断加剧。 2.极端干旱事件由于干旱是一种复杂的气象现象，干旱的出现及持续与下垫面的状况关系非常密切，目前不同的研究领域对干旱的定义和强度并没有一个统一的标准。据世界气象组织（WMO）1980年的统计，实际应用中的干旱指数多达55种。定义一个客观的干旱指数并能较好地反映干旱程度是干旱研究的一个基本问题[25]。常用的干旱指数可以分为3类：①单因素指数。主要有降水距平、降水距平百分率、历史干旱分级描述指标、土壤湿度干旱指数等，这类指数的特点是以单个要素的值或其距平值的大小作为干旱的衡量标准。虽然简单易行，但把干旱这种复杂的综合现象，简单归结为一个要素的影响，是不够全面和完善的。②简单多因素综合指数。主要有降水量-蒸发量、蒸发量/降水量、降水量-作物需水量、作物需水量/降水量、水分供求差（比）、土壤水分亏缺量等，这类指数一般考虑了两个或更多的要素，而且以它们之间的差值、比值、百分值及组合值作为衡量标准，计算简单，涉及的要素值易于查找，但是这类干旱指数往往有明显的针对性和适用范围，因而同样缺乏普适性。③复杂综合指数。这类指数又可细分为两类，一类从因子上说是单因子指数，它由降水的特点和变化特征，经过复杂计算定义出指数，如降水异常指数（RAI）[26]、Bhalme和Mooley干旱指数（BMDI）[26]，标准化降水指数（SPI）[27]等；另一类在资料处理和计算程序上较前一类复杂，一般都包含两个以上的要素，并且考虑了水分平衡过程或热量平衡过程，如帕尔默干旱指数（PDSI）[28]，表层水供应指数（SWSI）[29]、复垦干旱指数（RDI）[30]，地表湿润指数（丑）[31]等。Byun和Wilhith[32%列表比较了这些干旱指数的特点。对于不同的领域，干旱的定义各不相同而且种类较多，可以参考这些干旱的定义，综合考虑土壤水分、供水、人类需水指标（考虑对社会经济的影响和损失）、人类活动等，提出一套适用的干旱指标体系，再采用评分的办法，*后依据研究的区域划分出干旱的等级和程度（如轻微、中等、严重、极端干旱），进而可以判断和定义出极端干旱。美国国家大气研究中心（NCAR）的研究成果表明，受全球气候变化的影响，在接下来的几十年中，全球干旱呈严重加剧趋势，持续时间长、影响范围广和强度高的极端干旱气候发生频率显著增加，某些地区的干旱会持续恶化，局部地区甚至可能遭遇百年一遇甚至几百年一遇的打破历史纪录的特大旱情。可以预见，干旱气候带来的灾害问题将越来越严重，必须引起人们的高度重视，并开展深入而系统的防灾减灾对策研究。受气候变化影响，近年来，我国局部性、区域性的干旱灾害连年发生，重特大干旱灾害也呈现频发的态势[33]。在我国发生的所有自然灾害中，干旱灾害发生频率*髙，对工农业生产、生态环境和社会经济的影响也*为深远，年均经济损失超千亿元。我国历史上平均每2～3年即发生一次较大影响的旱灾。20世纪的100年间我国发生严重旱灾18次，而进入21世纪以来的前20年就已发生10次较严重的旱灾。2006～2007年，我国川渝地区发生严重干旱；2009年底至2010年6月，西南5省（区、市）发生特大干旱灾害；2011年1～5月，长江中下游地区湖北、湖南、江西

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