茂縣宗渠堰塞湖漫頂潰決洪水演進規(guī)律模型試驗研究

胡桂勝 ，陳寧生 ，鄧明楓 ，鄧 虎

(1.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都610041;2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049;3.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，成都610041;4.成都理工大學(xué)，成都610059)

由于滑坡、地震、泥石流或火山熔巖等因素導(dǎo)致河道阻塞進而形成的湖泊稱為堰塞湖[1]。5?12汶川大地震誘發(fā)了大量的堰塞湖，根據(jù)四川水利抗震救災(zāi)指揮部的匯總，截至2008年5月19日，共發(fā)現(xiàn)壩高10 m以上的堰塞湖33個[2]。堰塞湖對人類的最大威脅，主要來自堰塞湖壩體突然潰決導(dǎo)致堰塞湖中大量蓄水快速下泄而引發(fā)的洪水災(zāi)害[3]，如1933年8月25日四川疊溪7.5級地震導(dǎo)致岷江疊溪段形成3處堰塞湖(大海子、小海子、疊溪海子)，使岷江斷流43 d，江水回水長度達20余公里[4]。10月9日(地震后45 d)晚上7點發(fā)生第一次潰堤，潰決洪峰流量達10 500 m3/s，最大水頭高度達70 m，潰決洪峰到達下游150 km的都江堰市，這次潰決洪水造成12 500人死亡，大量建筑被毀，財產(chǎn)損失巨大[5]。之后，在1936年8月21日、1986年6月15日、1992年6月28日又發(fā)生了三次潰壩，每次潰決都給下游人民帶來了不同程度的禍害。據(jù)不完全統(tǒng)計，堰塞湖潰決洪水造成近萬人員傷亡，次生災(zāi)害超過地震本身[6]。因此，在對堰塞湖安全處置、下游居民安全轉(zhuǎn)移等決策過程中，科學(xué)預(yù)測堰塞湖潰壩風(fēng)險及其洪水影響是關(guān)鍵[3]。

目前專門針對堰塞壩開展的潰壩研究還比較少見，大多是與人工土石壩的潰壩、水利工程土壩潰壩研究相結(jié)合，或借用人工土石壩潰壩模擬的研究成果。國內(nèi)外學(xué)者對災(zāi)難性潰壩洪水做了大量的試驗研究[7-10]，對洪水的演變進行了一系列的模型試驗，有的研究者還進行了野外試驗，前人的這些工作使?jié)魏樗难芯坑辛撕艽筮M步[11]。Costa等人統(tǒng)計了73處堰塞湖的潰決，發(fā)現(xiàn)潰決的主要方式為溢流，而管涌和邊坡失穩(wěn)引起的潰決只占很小比重[12]。許強等人統(tǒng)計了汶川地震后有一定規(guī)模和代表性的32處潰決堰塞湖，發(fā)現(xiàn)84.4%的堰塞湖潰決屬于漫頂潰決[13]。但目前國內(nèi)外針對地震堰塞湖漫頂潰決(漫頂可分為溢流漫頂和涌浪漫頂[14])洪水演進的研究相對比較缺乏，本文選取四川省茂縣宗渠溝堰塞湖為原型，通過野外模型試驗?zāi)M宗渠堰塞湖漫頂潰決過程，來揭示堰塞湖漫頂潰決洪水的演進規(guī)律，為今后更好地進行堰塞湖排險、潰決洪水的深入研究奠定良好的基礎(chǔ)。

1 宗渠堰塞湖概況

宗渠堰塞湖位于宗渠溝兩河口下游約0.5 km處。宗渠溝系岷江中游左岸的一級小支流，發(fā)源于龍門山中段九頂山。宗渠溝流域位于茂縣石鼓鄉(xiāng)境內(nèi)，流域地理坐標(biāo)為東經(jīng) 103°48′17″-103°53′52″，北緯31°33′31″-31°38′39″。流域形狀呈扇形，河流走向大致東南流向西北。流域面積34.5 km2，主溝長10.7 km，河道平均比降16.7%。在5?12汶川地震作用下，宗渠溝中游左岸的龍頭包峰發(fā)生崩塌，總崩塌方量約為150萬m3，其中120萬m3沖入宗渠溝內(nèi)，形成一個高60～80 m，寬100 m，順溝長度近350 m的堰塞壩，堵斷宗渠溝正常水流，形成一個35 m最大水深，25萬m3庫容的堰塞湖，堰塞體主要為崩塌堆積物，巖性為泥盆系層堅硬-半堅硬工程地質(zhì)巖組，灰色厚層結(jié)晶灰?guī)r與薄層石英千枚巖板巖，粗顆粒較多，塊徑一般30～100 cm，最大粒徑達700 cm以上。2009年3月21日，由于茂縣氣溫急劇升高，堰塞體的左岸龍頭包的前期積雪及九頂山脈積雪融化，龍頭包坡面松散固體物質(zhì)啟動產(chǎn)生泥石流，部分泥石流進入湖體淤塞庫區(qū)，同時主溝大量冰雪融水進入堰塞湖，該堰塞湖歷時310 d，于2009年3月21日發(fā)生漫頂潰決。

2 模型試驗設(shè)計

2.1 模型試驗原型選取

本文模型試驗選取四川省茂縣宗渠溝堰塞湖為原型，地點選為茂縣宗渠溝堰塞湖下游約1 km處，如圖1所示。宗渠堰塞湖是5?12汶川地震誘發(fā)的堰塞湖之一，而且是汶川地震后為數(shù)不多的沒有經(jīng)過應(yīng)急處理的已潰堰塞湖，所以選取宗渠堰塞湖為模型試驗原型具有一定的代表性。筆者曾先后三次到達過宗渠堰塞湖現(xiàn)場，獲得了比較全面的基礎(chǔ)資料，為模型試驗的順利進行奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖1 模型試驗現(xiàn)場示意圖

2.2 模型布置

整個模型試驗區(qū)由三部分組成:供水和補水系統(tǒng);壩體、庫區(qū)模擬段;下游河道。模型試驗布置圖見圖2-3。

圖2 試驗?zāi)Ｐ筒鄹┮晥D(單位:m)

圖3 試驗槽橫斷面圖

圖4 試驗堰塞體縱剖面圖

2.3 模型參數(shù)

筆者通過對四川省安縣肖家橋堰塞湖、罐灘堰塞湖、茂縣宗渠溝堰塞湖的現(xiàn)場調(diào)查，確定堰塞體的主要特征值，并參考以往的經(jīng)驗[15]，同時考慮試驗場地的限制，確定模型參數(shù)見表1，試驗堰塞體縱剖面見表1，圖4。

試驗前通過顆分試驗得到宗渠堰塞湖壩體的顆粒級配，然后將大于5 mm的顆粒按100∶1進行縮放后進行等質(zhì)量替換，小于5 mm的顆粒保持原級配不變。等量代替后的級配仍保持原來的粗粒含量，細料含量和性質(zhì)不變。試驗用料為2009年3月21日宗渠堰塞湖潰決后沖刷到下游的堆積體。將堆積體進行人工篩分后按試驗設(shè)計的顆粒級配配樣。最終采用的顆粒級配見圖5。

圖5 試驗用料顆粒級配曲線

表1 模型設(shè)計參數(shù)

3 試驗過程與結(jié)果分析

3.1 試驗過程

試驗過程中，堰塞體潰口處通過DV攝像進行試驗觀測和進行潰口斷面與流速測量，壩體下游1～10 m通過標(biāo)記記錄水位最大值(圖6)，壩體下游10 m處通過DV攝像記錄水位隨時間變化(圖7)。試驗布置完成后啟動上游進水閥門，保持堰上水頭4 cm，按照直角三角堰流量計算公式[16]

式中:C0——直角三角堰的流量系數(shù)，一般取值為1.4;H——堰上水頭，對應(yīng)的流量為448 cm3/s。當(dāng)水位逐漸上升到壩頂高程以上后，發(fā)生漫頂潰決破壞。

圖6 潰壩后下游某處最大水位圖

圖7 潰壩過程中下游10 m處水位變化

3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗后整理潰決洪水最大水深觀測值、下游10 m處水深隨時間變化的DV攝影資料，從而得到潰決洪水最大水深隨距離的變化關(guān)系(圖8)、下游10 m處水深隨時間變化關(guān)系(圖9)、用DV記錄整個過程中庫區(qū)水位變化，通過對時間差分推導(dǎo)出堰塞湖水量平衡方程:

式中:V——堰塞湖的蓄水量;Δt——考慮的時間段;Q1——Δt時間內(nèi)堰塞湖的出庫水量;Q2——Δ t時間內(nèi)堰塞湖的入庫水量。得到潰決流量隨時間變化關(guān)系如圖10所示。

圖8 潰決洪水最大水深隨距離變化曲線

圖9 潰決過程中10 m處水深隨時間變化曲線

由圖8可見，下游2～10 m處潰決洪水最大水深隨下游距離的增大呈波動變化，壩體中軸線下游起始2 m處最大水深值最大，而且總體上呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢。筆者于2009年11月7日在當(dāng)?shù)卮迕裉茦浔蟮呐阃聦γh宗渠溝堰塞湖潰決洪水演進過程進行實地調(diào)查，從堰塞湖潰口(N31°37′16.5″，E103°50′05.9″)出發(fā)，沿著潰決洪水下游 1 km 進行潰決洪水水位調(diào)查，其沿程最大水位變化見圖11。從圖11中可以發(fā)現(xiàn)其最大水深變化趨勢與模型試驗所得到最大水深隨距離變化的關(guān)系曲線較為接近。

由圖9可見，潰決洪水水位在某處的變化呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，在潰決過程中某一時刻到達最大值(模型試驗中這一時刻為漫頂過流后225 s)，這主要是由于潰壩流量先增大后減小。

圖10 潰決流量隨時間變化曲線

圖11 實地調(diào)查堰塞湖潰決洪水水位變化曲線

潰決流量是潰決過程中的一個重要參數(shù)，決定著下游的危險區(qū)范圍，是堰塞湖漫頂潰決研究中的一個重要內(nèi)容。按照庫區(qū)水量平衡方程推導(dǎo)出不同時刻潰決洪水流量計算公式:

根據(jù)庫區(qū)水位視頻錄像，以壩頂過流為起點，對過流時間進行差分，讀取某一時刻的標(biāo)尺刻度，并換算得到庫區(qū)水位。根據(jù)試驗槽的幾何規(guī)格確定對應(yīng)水位時的水面面積。根據(jù)式(3)計算得到潰壩流量(圖10)。由于湖區(qū)標(biāo)尺處水位在潰決過程中有波動現(xiàn)象，造成流量計算中水位取值存在誤差，流量計算結(jié)果出現(xiàn)不規(guī)則突變，但潰決流量的總體趨勢不會受到較大的影響。結(jié)合潰口發(fā)展與潰決流量過程，將潰決過程分為緩慢侵蝕和快速侵蝕兩個階段，二者以潰口發(fā)展到上游坡面為界。緩慢侵蝕段一般形成多個陡坎，陡坎分層分布，分層侵蝕。由于壩體擋住了所有庫區(qū)水體，庫區(qū)水量不變，僅有上游來水侵蝕潰口，水流作用水頭低，流量小(圖10)，陡坎發(fā)展緩慢;潰口發(fā)展到上游坡面之后，殘余陡坎變成一個三角體，抗侵蝕能力變?nèi)?，陡坎高程加速下降，庫區(qū)水體參與到潰口的侵蝕過程，作用水頭(等于陡坎降低高度加上原壩上水頭)增大，流量迅速增加，侵蝕速度明顯加快。潰決完成后，壩體進入穩(wěn)定常態(tài)化過程，在這個階段內(nèi)，壩體潰口與過壩流量保持不變。

從圖10可以發(fā)現(xiàn)，過壩流量首先隨著漫頂時間的增加逐漸增大;當(dāng)漫頂時間達到一定值時(模型試驗中這一值為距漫頂過流124 s)，過壩流量急劇上升繼而到達最大值;當(dāng)過壩流量達到最大值之后，流量隨著漫頂時間的增加出現(xiàn)波動但總體趨勢是減小。這是由于土體的沖刷破壞是水流運動時產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過土體的抗剪強度所造成的。由于堰塞體的顆粒大小不一，分布不均，各處的抗剪強度存在較大差異。細小顆粒間接觸面小，抗剪強度低，最先發(fā)生剪切破壞，破壞后，小顆粒即被水流搬運;大顆粒與其他顆粒的接觸面積大，抗剪強度較高，不易發(fā)生剪切破壞，它們只有在與之接觸的小顆粒完全被搬運后才會發(fā)生運動。由此可見，土體強度的差異使水流表現(xiàn)出差異性侵蝕(即水流在大小顆粒接觸面表現(xiàn)出不同的侵蝕能力)，并使?jié)瘟髁侩S時間呈現(xiàn)出波動特征。根據(jù)圖10得到的潰決流量隨時間的變化關(guān)系建議在堰塞湖排險過程中，排導(dǎo)槽應(yīng)選擇在大石塊比較集中的部位或者固結(jié)程度更高的部位。由于大石塊可視為局部的土體固結(jié)，所以大石塊集中的部位不易被水流侵蝕。實際操作中可運用地質(zhì)雷達等手段得到土體密度更高或含更多大石塊的部位，從而設(shè)計出更加有效的排導(dǎo)槽，更好地進行堰塞湖的人工排險。

4 結(jié)語

堰塞壩潰決過程與潰決流量變化是非常復(fù)雜的，涉及到水文學(xué)、水力學(xué)、泥沙運動力學(xué)、河床演變學(xué)、土力學(xué)等多門學(xué)科。本試驗針對地震堰塞湖漫頂潰決情況進行研究，描述了潰壩洪水演進過程，分析潰口發(fā)展過程及其潰口流量隨時間的變化規(guī)律。

壩體漫頂潰決是水流與壩體相互作用的結(jié)果，而漫頂情況下水流的主要作用區(qū)域在潰口，因此，潰口發(fā)展過程的實質(zhì)是壩體漫頂潰決的過程。水流運動過程中侵蝕溝道形成陡坎，水流在陡坎處形成跌水，在陡坎底部出現(xiàn)旋流，水流旋流產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力不斷侵蝕陡坎，使陡坎不斷向前推進。陡坎向前推進后，兩岸形成陡立的臨空面，由于土體疏松，強度較低，加上土體飽和后，滑動力增大，強度降低，兩岸土體在重力作用下發(fā)生坍滑破壞，小規(guī)模坍滑發(fā)生后，坍滑土體中的細顆粒隨即被水流沖刷，粗大顆粒沉積在潰口表層;而大規(guī)模坍滑發(fā)生后則有可能堵塞潰口，阻止堰塞湖的進一步潰決。由此可見，潰口在縱向上的發(fā)展主要以陡坎前進的方式推進，而橫向上主要由土體坍滑失穩(wěn)引起。本模型試驗較好地模擬了地震堰塞湖漫頂潰決洪水演進過程，及其潰壩流量過程，為今后類似研究和應(yīng)急排險奠定了基礎(chǔ)，但由于堰塞壩體下游河道參數(shù)較為缺乏，本試驗未能進行模擬，模擬結(jié)果準確性有待進一步提高，其規(guī)律有待更深入的揭示，這也是下一步的研究重點。

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