堰塞壩潰壩過(guò)程分析及影響因素研究

高海涵 劉小毓

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610065;2.西南民族大學(xué)，四川成都 610041)

堰塞壩潰壩過(guò)程分析及影響因素研究

高海涵1劉小毓2

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610065;2.西南民族大學(xué)，四川成都 610041)

本文通過(guò)堰塞壩漫頂潰壩模擬實(shí)驗(yàn)，將堰塞壩潰壩歸納概括為初始潰口形成、潰口發(fā)展、最終穩(wěn)定三個(gè)階段。在其他參數(shù)相同的情況下，通過(guò)對(duì)3組實(shí)驗(yàn)流量變化的比較，研究了壩體高度、長(zhǎng)度與洪峰流量、洪峰來(lái)臨時(shí)間、洪峰持續(xù)過(guò)程的相互關(guān)系，并研究了潰口形狀特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)工程應(yīng)用有一定借鑒意義。

堰塞壩;潰壩過(guò)程;流量;影響因素;分析

1 前 言

堰塞湖是在一定地質(zhì)地貌條件下，由于地震、降雨或火山噴發(fā)等原因引起山崩、滑坡或泥石流等自然現(xiàn)象堵截山谷、河谷，造成上游段壅水形成的湖泊。阻塞山谷、河谷的堆積體為堰塞壩［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料［2］顯示，在形成后10d便發(fā)生潰決的堰塞湖百分比超過(guò)50%，2個(gè)月內(nèi)潰決的百分比超過(guò)60%，1年內(nèi)發(fā)生潰決者超過(guò)90%。堰塞壩擁有如此高的潰壩率，一旦發(fā)生潰壩，后果將十分嚴(yán)重。在1933年8月25日，四川疊溪發(fā)生7.4級(jí)大地震，強(qiáng)烈的地震使岷江兩岸山體崩塌形成3座高達(dá)100余m的堰塞壩，14d后最下游的1個(gè)堰塞壩發(fā)生潰決，形成高40m左右的洪水傾斜而下，將河流下游兩岸的村莊摧毀［3］。對(duì)于堰塞壩潰壩過(guò)程的研究主要有3種途徑:原型觀測(cè)、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)。數(shù)值模擬已經(jīng)發(fā)展了許多成熟的模型，其中模擬潰壩的主要模型有:DAMBRK模型，BEED模型，BREACH模型，LOU模型，HW模型，Cristofano模型，Nogueira模型等［4］。一般堰塞湖潰壩主要由漫頂或滲透管涌引起。漫頂潰壩情況是由于壩體本身沒(méi)有導(dǎo)流或泄洪設(shè)施，水位最終發(fā)生漫頂，而壩體內(nèi)部發(fā)生滲流，使壩體本身的強(qiáng)度降低，最終發(fā)生潰壩。該種潰壩情況水位高，潰壩洪峰流量大，破壞力極大。因此漫

頂潰壩更應(yīng)該得到重視與研究。

2 堰塞壩漫頂模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)布置及材料

該實(shí)驗(yàn)旨在模擬土石壩漫頂時(shí)發(fā)生潰壩的情況，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用以概括潰口形成過(guò)程，分析不同壩高、不同壩后坡度對(duì)漫頂潰壩過(guò)程的影響。該實(shí)驗(yàn)在一矩形水泥河道中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置分為供水箱、水槽、泥沙收集池3個(gè)部分。供水箱長(zhǎng)寬高均為1.0m，通過(guò)水泵供水，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水箱中一直保持滿水，水箱下游側(cè)安置最大流量為0.17L/s的LZB-25玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。水槽段寬高均為0.5m，坡降為5°，水槽下游連接泥沙收集池，上游庫(kù)區(qū)安置水位儀(E1)，在壩下游區(qū)安裝攝像機(jī)(C1)，拍攝潰口變化過(guò)程。如圖1所示。此次實(shí)驗(yàn)取無(wú)黏性沙作為填壩材料，其級(jí)配曲線如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

圖2 填料級(jí)配曲線

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

此次實(shí)驗(yàn)設(shè)置壩高分別為13cm和15cm，頂長(zhǎng)分別為20cm與25cm，上游壩坡1∶1.5，下游壩坡1∶1.5，上游來(lái)水量為0.17L/s，實(shí)驗(yàn)分為3組，如右側(cè)表所示。

實(shí)驗(yàn)方案表

該實(shí)驗(yàn)先在水槽內(nèi)按設(shè)計(jì)方案堆設(shè)壩體，為引導(dǎo)潰口在壩體中部產(chǎn)生，堆設(shè)時(shí)壩體中部略低。緩慢向水槽中灌水，快達(dá)壩頂時(shí)，關(guān)水靜置1h，使壩體上游面與水充分接觸。之后打開(kāi)流量?jī)x，固定流量0.17L/s放水，直到整個(gè)潰壩過(guò)程完成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，水位儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩體上游水位變化，攝像機(jī)拍攝潰口變化過(guò)程。

2.3 潰口變化過(guò)程分析

漫頂破壞的一大特點(diǎn)是溯源沖刷破壞，潰口發(fā)展過(guò)程可分為3個(gè)階段:初始潰口形成階段、潰口發(fā)展階段和最終穩(wěn)定階段。

階段Ⅰ初始潰口形成階段。當(dāng)上游水位上升時(shí)，壩體發(fā)生滲流現(xiàn)象。當(dāng)水位達(dá)到壩頂高度時(shí)，發(fā)生漫頂，水流總是向最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，因此水流在壩頂中部成股水流緩慢向前移動(dòng)，水流產(chǎn)生剪應(yīng)力作用于過(guò)流界面，產(chǎn)生微小的局部破壞，微小顆粒因被水流包裹，相互之間摩擦力大幅度降低，因此水流很容易將其帶走，使壩體頂部強(qiáng)度降低。當(dāng)水流到達(dá)壩頂與下游坡面接觸位置時(shí)，水流在交接處沖刷出一個(gè)小缺口，但由于此時(shí)水流流量較小，水流的破壞力有限，因此下游坡面未出現(xiàn)大面積的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。但此時(shí)在壩體下游下切作用較強(qiáng)，缺口以喇叭狀不斷擴(kuò)大，橫向拓寬速度較為緩慢，縱向下切速度較快，因此潰口下切深度增長(zhǎng)較快。隨著水流的不斷沖刷，由于水體自身的重力及沖蝕作用，水流使下游坡面出現(xiàn)凹槽，形成陡坎沖蝕，流量開(kāi)始增大。下游坡度越緩，陡坎現(xiàn)象越明顯。在水流的持續(xù)沖刷作用下，下游坡面的陡坎深度不斷增加，同時(shí)也在不斷拓寬，水流流量逐漸變大，此時(shí)下游坡底部分向遠(yuǎn)端呈扇形擴(kuò)大。同時(shí)，陡坎的上半部分，在縱向深度與橫向?qū)挾炔粩嘣黾拥耐瑫r(shí)，陡坎的輪廓不斷擴(kuò)大，侵蝕向上游擴(kuò)展，在水流的攜帶作用下，陡坎靠近上游

邊緣的邊沿細(xì)顆粒被沖向下游，一些大粒徑顆粒在自身重力作用與水流沖刷作用下掉落，使得陡坎規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)水流向上沖蝕達(dá)到上游壩頂邊緣時(shí)，壩體頂部形成貫通的凹槽，此時(shí)初始潰口形成，如圖3。

圖3 水流侵蝕形成潰口

階段Ⅱ潰口發(fā)展階段。當(dāng)凹槽貫通時(shí)，形成了初始潰口。此時(shí)的潰口斷面形狀大致為矩形，見(jiàn)圖4。此時(shí)潰口流量開(kāi)始急劇增加，大股水流的涌入也使?jié)⒖诘南虑兴俣扰c擴(kuò)寬速度大幅度增加。由于水流的剪切力作用，潰口橫向拓寬的速度明顯大于潰口縱向下切的速度，潰口寬度迅速增加。洪峰流量也在該階段達(dá)到最大值。此時(shí)，潰口兩側(cè)邊坡基部的泥沙被大量沖刷帶走，使邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，為邊坡失穩(wěn)坍塌提供發(fā)展空間。根據(jù)BREACH模型［6］建立的潰口模型，當(dāng)潰口的下切深度達(dá)到某一臨界深度時(shí)，邊坡大量泥沙被水流帶向下游，提供強(qiáng)度保證的大粒徑顆粒失去穩(wěn)定最終使邊坡失穩(wěn)坍塌，潰口形狀由矩形轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪巍?/p>

圖4 水流沖蝕為矩形潰口

階段Ⅲ最終穩(wěn)定階段。當(dāng)邊坡失穩(wěn)坍塌后，潰口流量開(kāi)始減小，當(dāng)水流減小至一定程度后，不足以維持泥沙的層移運(yùn)動(dòng)，泥沙開(kāi)始貼著底部滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。大粒徑顆粒因自身重力過(guò)大先停止運(yùn)動(dòng)，細(xì)顆粒受到阻礙也停止運(yùn)動(dòng)。水流與顆粒達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。潰口此時(shí)穩(wěn)定最終形狀為梯形，見(jiàn)圖5。

圖5 最終梯形潰口

3 潰壩流量與影響因素分析

對(duì)于潰口的分析，除需確定潰口形狀外，潰口流量也是根本任務(wù)之一。一般情況下，潰壩的下泄流量可由水庫(kù)水量動(dòng)態(tài)平衡方程計(jì)算:

式中 V——庫(kù)區(qū)容量;

Qin——入庫(kù)流量，包括降雨、徑流等;

Qout——出庫(kù)流量。

在該實(shí)驗(yàn)中，不考慮蒸發(fā)等因素，水量出庫(kù)方式主要為滲透和潰口出流，因此可得出:

式中 Qs——滲透出流量;

Qb——潰口出流量。

則式(1)可變?yōu)?

在該實(shí)驗(yàn)中入庫(kù)流量Qin概化為恒定的上游來(lái)水流量0.17L/s。因水位儀測(cè)得上游實(shí)時(shí)水位變化，因此dV/dt也為已知量。在此，設(shè)［7］:

式中 Q*為無(wú)量綱化的出庫(kù)流量。

由于在水位達(dá)到壩頂高度前，水位持續(xù)上升，并未發(fā)生異象，因此以水流漫頂后達(dá)到壩頂邊緣與下游坡面交界處、產(chǎn)生初始潰口時(shí)為時(shí)間起點(diǎn)，一直到潰口形狀穩(wěn)定，水流與顆粒達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的潰壩流量過(guò)程制成圖6。

圖6 Q*隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

通過(guò)圖3～圖5可以看出，3組試驗(yàn)的潰壩流量過(guò)程的總體變化趨勢(shì)是一致的。開(kāi)始時(shí)，流量較小，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，流量變化不大，之后流量突然增大;達(dá)到洪峰流量，該最大流量保持時(shí)間較短;之后流量開(kāi)始減小，最終趨于穩(wěn)定。在時(shí)間起點(diǎn)，潰口還未形成，潰口流量為零，因此Q*在此時(shí)應(yīng)為滲透流量Qs，3組試驗(yàn)滲透流量Qs≈(0.5～0.6)Qin，之后初始潰口形成，并未貫通，流量在一定時(shí)間內(nèi)變化不大，但此時(shí)潰口對(duì)流量的影響遠(yuǎn)大于滲流對(duì)流量的影響，則Q*≈Qb;潰口貫通后，大量水流涌入潰口，Q*在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，為洪峰流量。大量水流在短時(shí)間內(nèi)下泄，流量下降迅速，最終趨于穩(wěn)定，此時(shí)潰口也保持穩(wěn)定。

通過(guò)3組試驗(yàn)流量變化圖可以發(fā)現(xiàn):壩體高度與洪峰流量大小成正相關(guān)，并且壩體越高，洪峰來(lái)臨的時(shí)間越為延后。因壩體高度越高，上游水位越高，壅水總量越大，因此潰壩后，更多的水量下泄，洪峰流量較大。而壩體的高度越高，水位到達(dá)壩頂高度的時(shí)間也越長(zhǎng)，因此洪峰來(lái)臨時(shí)間相比低壩高工況較為延后;壩體長(zhǎng)度越短，洪峰來(lái)臨的時(shí)間越短，持續(xù)時(shí)間也越短，洪峰流量越大。究其原因，壩體長(zhǎng)度越短，漫頂水流到達(dá)壩頂邊緣與下游坡面交界處的時(shí)間越短，能更早地形成陡坎沖刷，形成初始潰口，水流溯源的時(shí)間也越短，能更早貫通潰口。相對(duì)于壩頂長(zhǎng)度較長(zhǎng)的壩體，壩頂長(zhǎng)度較短的壩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，水流的剪切能力和沖刷能力更強(qiáng)，更容易較快地沖毀壩體。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)控制壩高，盡可能加大壩長(zhǎng)，對(duì)上游進(jìn)行水土保護(hù)，盡量減少泥沙入庫(kù)［8］，保證庫(kù)區(qū)有效庫(kù)容，防止?jié)伟l(fā)生，盡可能減小潰壩帶來(lái)的危害。

4 結(jié) 論

堰塞壩具有極高的潰壩幾率，潰口的形成與潰口流量是決定潰壩嚴(yán)重程度的重要因素。本文通過(guò)模擬潰壩實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論:

潰口形成可以概化為3個(gè)階段:?初始潰口形成階段、?潰口發(fā)展階段和?最終穩(wěn)定階段。在初始潰口形成階段，水流對(duì)壩體沖蝕形成初始矩形潰槽，同時(shí)，水體的滲流作用也加速了該過(guò)程。潰口的縱向加深與橫向拓寬同時(shí)進(jìn)行，但縱向下切速度大于橫向拓寬速度。水流發(fā)生溯源沖蝕，使?jié)⒉圬炌?在潰口發(fā)展階段，水流流量快速增大，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到洪峰流量，橫向拓寬速度更快，此時(shí)大量水流不僅沖蝕潰槽底部，也帶走大量邊坡基部泥沙，當(dāng)潰口深度超過(guò)臨界深度，邊坡失穩(wěn)坍塌，潰口形狀變?yōu)樘菪?在最終穩(wěn)定階段，水流流量減小，水流與泥沙顆粒達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，潰口不再發(fā)展。

在其他參數(shù)相同的情況下，壩體高度越高，洪峰流量越大，洪峰來(lái)臨時(shí)間越遲;壩體長(zhǎng)度越短，洪峰流量越大，持續(xù)時(shí)間越短，洪峰來(lái)臨時(shí)間越短。因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況控制壩高，對(duì)上游進(jìn)行水土保護(hù)，在盡可能降低壩高的情況下保證有效庫(kù)容，增加壩長(zhǎng)，減小潰壩產(chǎn)生的威脅。

［1］嚴(yán)祖文，魏迎奇，彩虹．堰塞壩形成機(jī)理及穩(wěn)定性分析［J］．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2009，20(4):55-59．

［2］聶高眾，高建國(guó)，鄧硯．地震誘發(fā)的堰塞湖初步研究［J］．第四紀(jì)研究，2004，24(3):293-301．

［3］任強(qiáng)，陳生水，鐘啟明，等．堰塞壩的形成機(jī)理與潰決風(fēng)險(xiǎn)［J］．水利水電科技進(jìn)展，2011，31(5):30-34．

［4］魏勇，許開(kāi)立，鄭欣．常見(jiàn)潰壩模型綜述［J］．工業(yè)安全與環(huán)保，2009，35(4):45-60．

［5］魏紅艷，余明輝，梁艷潔．無(wú)粘性土堤漫頂潰決水流運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究［J］．水科學(xué)進(jìn)展，2011，22(4):532-538．

［6］陳生水，鐘啟明，陶建基．土石壩潰決模擬及水流計(jì)算研究進(jìn)展［J］．水科學(xué)進(jìn)展，2008，19(6):903-910．

［7］楊陽(yáng)，曹叔尤．堰塞壩潰決機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究［J］．水力學(xué)報(bào)，2012，43(2):60-67．

［8］張淑玉，聞喜縣土石壩潰壩原因與防治對(duì)策［J］．中國(guó)水利，2010，(12):44-47．

Analysis of weir dam break process and study of influence factors

GAO Haihan1，LIU Xiaoyu2
(1．Sichuan University Water Conservancy and Hydropower Institute，Chengdu 610065，China; 2．Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，China)

In the paper，weir dam breaks are concluded into three stages of initial dam break formation，dam development and ultimate stability through weir dam overflow dam break simulation experiment．Under the condition that other parameters are the same．Experiment flow changes of the three groups are compared for studying mutual relationship between dam height and length with flood peak flow，flood peak coming time and flood peak duration，and the characteristics of break shapes are studied，thereby providing certain

ignificance for related projects．

weir dam;dam break process;flow;influencing factors;analysis

TV122.4

A

1005-4774(2015)05-0026-04