初始含水率及人工干預對堰塞壩潰決影響試驗研究

劉 杰， 顏 婷， 周傳興， 陳 偉

(1. 攀枝花學院 土木與建筑工程學院，四川 攀枝花 617000； 2. 四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)與保護國家重點實驗室，四川 成都 610044； 3. 四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

堰塞壩是自然界中因特殊因素(如暴雨，地震等)誘導河岸山體滑坡沖入河中阻斷河水形成的天然壩體，其結構松散、強度低、極易被水流沖刷失穩(wěn)[1]。隨著時間增長，壩前水位不斷升高，壩體隨時有漫頂潰決可能性[2]。一般而言，堰塞壩很難長時間存在，41%的堰塞壩在一周或更短時間內會潰決，80%左右的1年內會潰決，只有極少數(shù)可保存更長時間甚至不會潰決[3]。然而，堰塞壩一旦潰決，對下游人民生命財產安全的威脅不可估量。堰塞壩潰決過程受眾多因素影響，很難對潰壩洪水進行有效準確預測，因此對堰塞壩潰決過程受到的影響因素和影響規(guī)律進行研究顯得十分必要[4]。

堰塞壩是由河道岸坡坍塌滑動等形成的天然松散堆積體，受降雨、滲流等因素影響，不同堰塞壩壩體實際初始含水率不一致，從而造成不同壩體的物理性質會有所差異，進而也影響了漫頂潰決過程中壩體變形破壞規(guī)律，因此學界的很多結論不具有通用性。為分析含水率對堰塞壩潰決過程影響，學界已經(jīng)展開了研究。S. L. BRITTON等[5]通過兩組大尺度室外試驗，對堰塞壩潰決過程中潰口展寬進行了研究，他們認為展寬率受到壩體含水率變化影響，并給出相應的回歸公式。然而該回歸公式缺乏更多組次的試驗驗證，其準確性有待考證。CAO Zhixian等[6]通過28組室內小水槽試驗，考慮含水率情況下研究了不同上游來流、不同壩體形狀和不同初始潰口對潰壩洪水影響，但其含水率是轉換為壩體壓實度來進行分析的，并未單獨討論含水率對潰壩影響規(guī)律。M. AL-RIFFAI[7]通過3組大型水槽試驗，研究了不同含水率對均質非黏性土石壩潰決過程影響；他的研究將含水率轉換為干容重，其3種不同含水率對應的干容重分別為17.8、16.8、15.5 kN/m3；然而該研究只討論了含水率對潰口流量過程影響，對橫向展寬等方面沒做進一步分析。除此之外，XU Fugang等[8]，J.S.WALDER等[9]，楊陽等[10]，周興波等[11]也在研究過程中充分考慮了含水率因素。

目前，大型高危堰塞壩潰決需要進行人工干預，規(guī)模和危害不大的堰塞壩一般采用自然潰決處理。人工干預措施一般是在堰塞壩發(fā)生自然潰決前對壩體開挖引流槽，以降低潰壩水頭。在潰壩過程中很少采取人工干預，潰壩過程是否需要采取人工干預，目前還處于實驗室研究階段。陳曉清等[12-13]采用向潰口拋投預制塊體方法干預堰塞壩潰壩過程，發(fā)現(xiàn)四面體實心框架對潰口發(fā)展影響明顯，滯洪效果最為顯著。趙萬玉等[14]對地震堰塞湖人工排泄斷面的優(yōu)化方案進行了初步探討，提出在堰塞湖應急排險過程中，采用三角形槽復式泄流槽排泄，可提升潰決初期庫水的排泄效率。此外，如白金朋等[15]，鄧宏艷等[16]，楊啟貴[17]，徐富剛[18]等也對堰塞壩潰決人工干預進行了初步分析，研究結論表明：在潰壩過程進行人工干預十分有必要[18]。

綜上所述，初始含水率和人工干預對堰塞壩潰決過程影響明顯，只是很少有學者將含水率作為一單獨因素進行重點研究，使得學界基于這些因素對堰塞壩潰壩過程影響認識不夠全面而深刻。因此，筆者通過一系列水槽試驗，探究初始含水率和人工干預對堰塞壩潰決影響，為工程領域和數(shù)值研究提供理論參考。

1 水槽試驗分析

1.1 試驗裝置

模型試驗最重要的是要具有適用性。M.AL-RIFFAI[7]認為：大多數(shù)工程應用措施都起源于實驗室測試，只有在實驗室中被發(fā)現(xiàn)和證實的結論才對工程有適用性和指導意義。筆者開展的模型水槽試驗在四川大學水力學與山區(qū)河流保護國家重點實驗室陡槽實驗廳進行。

試驗水槽裝置選用自循環(huán)變坡試驗系統(tǒng)。系統(tǒng)由供水裝置、水槽段組成，如圖1。模型可近似重現(xiàn)真實潰壩的觸發(fā)條件和過程，對含水率控制較為準確。對拋投石塊干預對潰壩流量的影響也可及時觀測，因此試驗結果可在一定程度上指導工程實踐，具有一定適用性。

圖1 試驗水槽和儀器布置示意Fig. 1 Experimental flume and equipment setting layout

模型水槽供水裝置采用鋼結構形式，長2.5 m，后接水槽段，槽身直線長12.5 m，寬0.5 m，高0.6 m，邊壁及底板均為透明有機玻璃面板，方便試驗觀測及測量。在距離供水裝置4 m處堆積堰塞體，堰塞體底部長度1.5 m，頂部寬度0.5 m，高0.25 m。試驗過程采用3個浪高儀記錄庫區(qū)水位時時變化，3個高清數(shù)碼相機(編號為D1、D2、D3)記錄潰口演化過程。其中：D1用于記錄潰口展寬過程和通過圖像處理計算潰口水流表面流速；D2用于記錄壩體下坡面沖刷過程；D3用于記錄下游潰壩洪水及壩體潰決全貌。試驗開始后，在壩前不斷拋撒小紙片作為示蹤粒子，用于跟蹤壩前和潰口表面流速變化過程。所有電子設備都通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)酵慌_筆記本電腦，通過電腦可控制設備的啟停和數(shù)據(jù)的存儲。

1.2 試驗材料

由于原型試驗在時間和經(jīng)濟上存在不少困難，只能開展縮比試驗。按照相似理論，幾何相似是運動相似和動力相似的前提。對模型試驗而言(特別是潰壩試驗)，要做到所有參數(shù)都與原型完全相似幾乎不可能，只能取部分相似，即近似模型試驗。

文中材料粒徑與壩體尺寸采用相同幾何比尺參考了文獻[19]的處理方法[19]，同時假設材料粒徑進行縮比后材料容重、泊松比、剪切強度、彈性模量等參數(shù)也滿足相同相似比。此外，本次試驗采用的壩體材料充分參考了老鷹巖堰塞湖、紅石巖堰塞湖和小崗劍堰塞湖的壩體物料組成情況。從以上堰塞壩壩體物料組成情況來看，這些壩主要由巨石(孤石)、塊碎石、以及礫石土等非黏性物料組成。物料所占比重大致為：巨石(孤石)為20%，塊石為30%，碎石為40%，礫石土為20%[20～22]。文中模型壩尺寸受水槽尺寸限制，按照幾何相似，相似比尺取1∶400。根據(jù)原型壩物料組成，文中所有模型壩體物料參數(shù)為：細礫5 mm(4～6 mm)20%，粗砂1 mm(0.5～2 mm)30%，中細砂(0.5～0.2 mm)50%的非連續(xù)級配砂，這3個原型壩物料組成如表1。

表1 堰塞壩壩體物料組成情況Table 1 Material composition of dam body of landslide dam

筆者研究的是非黏性堆石堰塞壩的潰壩過程，忽略了黏聚力影響，認為所有工況壩體黏聚力一致。因為即使是原型壩，其黏聚力也很難精確測量，只能通過土力學關系換算。黏滯力在潰壩過程中對水流與潰口底床剪切力有抵抗作用，影響的是潰口縱向下切過程。所有試驗工況都近似假設為單變量試驗，認為只要所有組次黏聚力相同即可，無需探究黏聚力的具體數(shù)值。若要測量黏聚力，在實驗室試驗條件下，可通過測量流體流速和潰口底部高程變化率反算黏聚力，這部分將在下一階段研究中重點展開。

1.3 試驗工況

試驗工況如表2。

表2 不同壩體初始含水率下漫頂潰決試驗參數(shù)Table 2 Test parameters of overtopping collapse underdifferent initial moisture content of dam body

試驗共分5組，初始含水率從高到低分別為19.59%、8.90%、5.50%、4.2%、2.97%。與實際堰塞體含水率相比，含水率19.59%、8.90%偏高；含水率5.50%比較適中，其試驗結果對工程有一定適用性；含水率2.97%偏低，接近干土的狀態(tài)。這5組含水率值跨度較大，有利于分析出含水率對壩體潰決影響規(guī)律。每組試驗按照相同壓實方法對壩體進行堆筑，壩體堆筑完成后利用環(huán)刀在壩體3個不同地方(壩頂、壩中和壩腳)采樣，對采樣材料混合后立即進行含水量測定。經(jīng)調查發(fā)現(xiàn)：老鷹巖堰塞湖、紅石巖堰塞湖和小崗劍堰塞湖的平均流量為1 000～3 000 m3/s。試驗固定來流不是研究變量，僅僅代表模型壩的一水力條件，比尺為，則根據(jù)幾何比尺1∶400，換算出模型流量在0.000 3～0.000 9 m3/s區(qū)間內，故文中固定來流取0.000 9 m3/s，以體現(xiàn)上游河道處于河水暴漲季節(jié)這一情形。

2 初始含水率試驗結果分析

2.1 潰口演化過程分析

為觀察不同初始含水率條件下堰塞壩潰決過程中潰口演化差異，筆者選取了高(19.59%)、中(5.50%)、低(2.97%)這3種不同含水率工況進行對比，如圖2。

圖2 不同含水率條件下潰口演化過程對比Fig. 2 Contrast of evolution process of breach under different moisture content conditions

由圖2可看出：水流通過引流槽首先侵蝕壩體下坡面，在壩頂和下坡面交界處形成一個逐漸擴大的“陡坎”，“陡坎”向上游發(fā)展到上游庫區(qū)水位線后，潰口流速增大，沖刷轉變?yōu)閷訝顩_刷，這與其他研究者的試驗結果較吻合[23]。同一時刻，初始含水率越高，“陡坎”向上游發(fā)展速度越快，如圖2(a)；含水率越高，潰口最窄處位置越靠近上游庫區(qū)，如圖2(c)；并且在各個時刻，含水率越高則潰口寬度越大。從這些典型現(xiàn)象可看出：含水率對潰壩過程影響十分顯著。選取圖2中3種工況同一斷面(圖2中紅色雙箭頭線位置)潰口寬度變化過程進行對比，如圖3(a)，相應潰口展寬速度變化如圖3(b)。

圖3 3種工況下潰口展寬過程和展寬速度對比Fig. 3 Comparison of breach width change process and width change rate under 3 kinds of conditions

由圖3可看到：壩體初始含水率為5.5%時，其潰口展寬速率最大值最大，均高于較高含水率(19.6%)和較低含水率(2.96%)的潰口展寬速率最大值。在壩體潰決中期，當含水率為5.5%時，其邊坡失穩(wěn)坍塌規(guī)模較大，故展寬速率會明顯高于其余含水率；當含水率為19.6%時，潰口發(fā)展在前期就已經(jīng)開始，土體沒有被過多累積，其發(fā)生大規(guī)模坍塌的可能性小，潰口展寬速率平緩；當含水率為2.96%時，由于含水率降低，壩體基質吸力增加。從下游坡面到壩頂潰口，土體更不容易發(fā)生大規(guī)模崩塌，潰口展緩速率相對5.5%含水率時也有所降低。

2.2 潰決流量過程

圖4為不同含水率下壩體潰決流量過程曲線對比。由圖4可看出：在壩體潰決前期，隨著含水率降低，潰口流量增長速率也相應變慢，即曲線上升變得緩慢。這個階段，當含水率較高時，潰口發(fā)展過程較快，下泄水量也就相應增加；到潰決中期，如含水率為5.5%工況，由于潰口發(fā)生大規(guī)模坍塌，橫向擴展迅速增加，此時積累在水庫的水體短時間大規(guī)模下泄，導致流量突然陡增；到壩體潰決后期，如若含水率較高，壩體基質吸力較小，潰口邊坡更容易隨著水流被沖蝕淘刷，土體累積量少，潰口呈現(xiàn)較大規(guī)模坍塌現(xiàn)象減弱，橫向擴展速率減小，下泄流量過程線也因此變得平緩。

圖4 不同含水率下壩體潰決流量過程Fig. 4 Flow process of dam breaking under different moisture content

總體而言，相比含水率為19.6%的工況，當含水率降低時，壩體潰決歷時從435s(含水率19.6%)增加到588 s(含水率2.97%)；相對含水率為19.6%的工況，隨著含水率降低，峰值流量出現(xiàn)時間向后延遲，延遲時間分別為19、33、43、54 s；以含水率5.50%為轉折點，潰口峰值流量先增大后變小，含水率為5.5%時，峰值流量最大，為0.005 5 m3/s。因此可以認為：含水率越大，潰壩速度越快，峰值流量出現(xiàn)時間越早。

2.3 壩體初始含水率與潰決峰值流量關系

通過壩體不同初始含水率對堰塞壩潰決過程的試驗發(fā)現(xiàn)，初始含水率不同導致堰塞壩潰決過程差異明顯。為總結初始含水率與潰壩峰值流量之間關系，筆者將5個工況峰值流量出現(xiàn)時刻對應的潰口平均展寬率總結如表3。

表3 壩體初始含水率與潰決峰值流量和潰口平均展寬速率關系Table 3 Relationship of initial moisture content of dam body, peakdischarge and average breach change rate

由表3可看出：隨著初始含水率減小，堰塞壩潰決峰現(xiàn)時間滯后，潰口平均展寬率量呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，在初始含水率為5.5%左右達到最大。對于這個現(xiàn)象，可認為在含水率為5.5%左右時，潰口兩側土體易出現(xiàn)間歇性大規(guī)模坍塌失穩(wěn)，由此造成的潰口平均展寬速率較其它含水率下為最高。

圖5(a)展示的是峰值流量與壩體初始含水率之間關系。圖5(b)為潰口平均展寬速率與壩體初始含水率關系。由圖5可看出：隨著含水率增大，峰值流量呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，當初始含水率為5.5%時，峰值流量達到最大。結合表2發(fā)現(xiàn)：在含水率為5.5%時，潰口峰值流量和潰口平均展寬率均為最大。對于這一現(xiàn)象，文獻[24]認為很大程度上與非飽和土體基質吸力有關[24]。同時也說明堰塞壩潰決存在一個最不利于降低堰塞壩潰決洪峰流量的含水率，本試驗中的最不利含水率為5.5%。

圖5 峰值流量和潰口平均展寬速率與壩體初始含水率關系Fig. 5 Relationship between peak discharge, average breach width change rate and the initial moisture content of dam body

3 人工干預措施

3.1 工況設置

堰塞壩潰決過程存在一個最不利壩體的含水率，在這個含水率條件下潰口峰值流量最大，潰口流量線在短時間內急劇增大到峰值，這在堰塞壩應急處置中是不愿看到的情況。目前，對大型堰塞壩潰決應急處理主要以人工泄流為主，而規(guī)模和危害不大的堰塞壩一般采用自然潰決處理。人工干預措施一般為開挖引流槽，以降低潰壩水頭，在潰壩過程很少采取人工干預。

潰壩過程是否需要采取人工干預，目前還處于實驗室研究階段。根據(jù)陳曉清等[11]的研究，在堰塞壩潰決過程向潰口拋投預制塊體可起到降低堰塞壩潰決峰值流量的效果。為進一步探索人工干預必要性，筆者借鑒水利工程中大壩截流相關技術和堰塞壩應急處理過程拋投材料方法，在堰塞壩潰決過程中分別拋投3種不同粒徑的塊石，如圖6。

圖6 拋投塊石粒徑Fig. 6 The particle size of the thrown stone

拋投塊石的粒徑分別為0.5、1.0、1.5 cm，并觀察和記錄潰壩流量差異。堰塞壩潰決過程中的潰口流量受到潰口入口幾何參數(shù)影響[17]。因此，本試驗拋投石塊位置為無拋投石塊條件下峰值流量出現(xiàn)時刻潰口入口位置，如圖7。

圖7 塊石拋投位置Fig. 7 The position of throwing stone

為使試驗結果更具有可比性，選取試驗中的最不利初始含水率(5.5%)條件作為對比工況，在拋投塊石時刻對每組試驗壩體潰決流量進行統(tǒng)計。由于初始含水率為5.5%接近實際堰塞壩含水率，因此該工況的人工干預對工程實際具有一定參考價值。所有試驗參數(shù)均采用相同數(shù)值，即壩高25 cm、入庫流量0.000 9 m3/s，初始含水率5.5%，壩頂中部開槽，頂部、底部和深度尺寸分別為13 cm×3 cm×3 cm，具體工況如表4。

表4 拋投天然石塊(改變粒徑)滯洪試驗參數(shù)Table 4 Test parameters of flood detention by throwing natural stones (changing particle size)

3.2 滯洪效果對比

圖8顯示了不同拋投粒徑對堰塞壩潰決流量過程影響。

圖8 不同粒徑對堰塞壩潰口流量過程線影響對比Fig. 8 Comparison of the influence of different particle sizes onthe flow process line of dam breach

由圖8可明顯看出：不同粒徑塊石作用下和沒有拋投塊石情況(d=0 cm)相比，堰塞壩潰決洪峰流量值均得到削減，峰現(xiàn)時間滯后，塊石粒徑越大，峰值流量削減量越多，峰值流量時間點滯后越長，說明拋投塊石對堰塞壩滯洪能起到效果。

將圖8中特征值和各工況壩體殘余高度統(tǒng)計如表5。

表5 拋投不同粒徑塊石滯洪效果參數(shù)對比Table 5 Contrast of flood detention effect parameters of throwingstones with different particle sizes

由表5可看出：當拋投粒徑為0.5 cm碎石時，相比沒有拋投碎石情況下流量過程曲線，峰值流量從0.005 5 m3/s降低為0.005 2 m3/s，峰值流量消減量為5.45%；當拋投粒徑增加到1.0、1.5 cm時，峰值流量削減從0.004 9 m3/s減小為0.004 7 m3/s，相比未拋投塊石峰值流量分別降低了10.9%和14.55%，削減效果明顯；并且拋投塊石粒徑越大，殘余壩體越高，剩余量越多。

對于以上現(xiàn)象，從土力學和流體力學角度可解釋為：拋投塊石力學性質受到材料的密度、材料塊體形狀、塊體粒徑大小、迎水面積修正系數(shù)等因素影響。粒徑越大，材料穩(wěn)定性越好，在相同潰口水力條件下，拋投材料停留時間越長，潰口附近泥沙顆粒遷移受到塊石阻礙作用越大；在塊石影響下，潰口縱向下切速度變緩，潰口橫向大規(guī)模邊坡坍塌失穩(wěn)受到抑制，峰值流量因此得到控制，并且粒徑越大，控制作用越好。

4 結 論

為探究初始含水率對堰塞壩潰壩過程影響，筆者進行了一系列的堰塞壩潰決試驗，結論如下：

1)初始含水率影響潰口演化過程。表現(xiàn)為初始含水率越高，“陡坎”向上游發(fā)展速度越快，形成最終潰口寬度越大；

2)含水率越大，潰壩速度越快，峰值流量出現(xiàn)時間越早。隨著含水率由19.6%降到2.96%，潰壩時間相繼延長，峰值流量出現(xiàn)時間也向后延遲，即可理解為含水率降低具有延緩潰壩進程作用；

3)堰塞壩潰決存在一個最不利的初始含水率。在最不利含水率下，潰口峰值流量出現(xiàn)得更大，本試驗中的最不利含水率為5.5%；

4)通過拋投不同粒徑塊石方法，探索了人工干預對堰塞壩潰壩過程潰口流量影響。試驗發(fā)現(xiàn)：塊石對潰口峰值流量值有明顯削減效應，對峰值流量出現(xiàn)時間點有延遲效應，表現(xiàn)為塊石越大，峰值流量削減量越大，峰值流量出現(xiàn)時間延后越長，這可對工程排險提供了一定理論指導作用。

5)堰塞壩潰決是一個十分復雜的過程，涉及眾多學科。筆者針對含水率對潰壩過程影響進行了單變量分析，并未考慮壩體形狀、上游來流情況、引流槽開挖方式等眾多因素。對人工干預方法的研究也只探討了塊石粒徑影響，對拋投頻率、拋投強度等因素未做研究，這將是下一階段研究工作的重點。