不同水頭高度下堤防潰決沖刷坑變化特性研究

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

1 概 述

我國(guó)地域廣闊，江河湖泊數(shù)量眾多，但是，受到氣候條件的影響，水資源總量在地域和時(shí)空上分布極不均勻，集中降雨造成的大量水流匯集，極易誘發(fā)洪澇災(zāi)害。為了減少洪水災(zāi)害帶來的人員和財(cái)產(chǎn)損失，人們創(chuàng)造了許多防洪工程和非工程措施。其中，堤防作為最古老的防洪工程措施，可以在抵御洪水災(zāi)害方面發(fā)揮重要作用。但是，堤防本身也存在一定的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，一旦發(fā)生超過堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的洪水，就可能產(chǎn)生堤壩潰決，由于人造堤壩蓄積的勢(shì)能瞬間釋放，往往會(huì)產(chǎn)生難以抵御的毀滅性力量[1]。堤防潰決之后，潰口會(huì)持續(xù)發(fā)展并對(duì)下游產(chǎn)生復(fù)雜的沖刷作用，該方面的研究對(duì)堤防潰決應(yīng)對(duì)預(yù)案的制定和防災(zāi)減災(zāi)具有重要價(jià)值。與理論和數(shù)學(xué)模型研究相比，物理模型具有直觀性和真實(shí)性的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行清晰反映，因此一直是水利工程領(lǐng)域的重要研究手段。

S.Benoit和Y.Zech等通過物理模型試驗(yàn)，研究了潰壩水流在動(dòng)床上的傳播、沖刷和淤積過程[2-3]；田治宗等學(xué)者利用物理模型試驗(yàn)對(duì)黃河堤防在不同潰口條件下的潰口區(qū)流速、沖淤變化進(jìn)行了研究[4]；陸靈威等通過不同沙粒粒徑和流量條件下的模型試驗(yàn)，研究了下游沖坑的形成機(jī)理與影響因素[5]。鑒于堤防潰決后的沖坑特征是判斷洪水危害程度的重要指標(biāo)，本文在借鑒上述學(xué)者研究方法和成果的基礎(chǔ)上，采用物理模型試驗(yàn)的方法，對(duì)不同水頭高度下堤防潰決沖刷坑變化特性進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)布置

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾檬疽鈭D

該研究以遼寧省太子河本溪市石門溝河段堤防工程為背景，設(shè)計(jì)了4m×4m的動(dòng)床試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，平面布置見圖1。其中，進(jìn)口水流流量通過電磁流量計(jì)控制，進(jìn)口水位利用自動(dòng)水位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為便于水頭高度的控制，將蓄水池的尾門設(shè)計(jì)為翻板式；在潰口部位的河道一側(cè)布置一個(gè)自動(dòng)水位計(jì)，保證試驗(yàn)過程中河道水位穩(wěn)定；在下游沖刷區(qū)布置4個(gè)自動(dòng)水位計(jì)，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中上述部位的水位變化，同時(shí)在該區(qū)域布置1臺(tái)地形儀，用于對(duì)沖坑變化情況進(jìn)行測(cè)量。從潰口處開始以0.20m間距選取20個(gè)測(cè)量斷面，考慮研究河段的實(shí)際情況，選擇粒徑為0.25mm的天然砂。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)相關(guān)研究成果，河流堤防潰決之后的沖刷作用主要有兩個(gè)影響因素，一是潰堤水頭，二是潰口寬度[6]，因此，此次研究結(jié)合研究河段的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了5cm、10cm和15cm三種不同的潰堤水頭以及10cm、30cm和50cm三種不同的潰口寬度。表1為試驗(yàn)工況和試驗(yàn)組次。

表1 試驗(yàn)工況和組次設(shè)計(jì)

為了模擬更接近天然情況的潰決過程，該研究根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選用雙木板抽拉式潰口設(shè)計(jì)方案，潰決方式設(shè)定為瞬時(shí)潰決[7]。為了使試驗(yàn)過程中水流不沖刷至底板，同時(shí)盡量減小厚度以降低試驗(yàn)成本，需要對(duì)最不利工況下的最大沖坑深度進(jìn)行計(jì)算，以便對(duì)模擬堤壩潰決條件下的動(dòng)床厚度進(jìn)行確定。本次研究中根據(jù)相關(guān)研究成果和模型試驗(yàn)推導(dǎo)的公式進(jìn)行計(jì)算，獲得工況1下的最大沖坑深度為0.36m，為了保證試驗(yàn)的有效性，將鋪設(shè)厚度設(shè)定為0.40m[8]。

2.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)開始之前的動(dòng)床模型的填埋過程中，要進(jìn)行充分拍壓，以保證模型本身的密實(shí)性，使每組試驗(yàn)過程中的動(dòng)床密實(shí)性相同，保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確有效；試驗(yàn)開始后，首先調(diào)節(jié)蓄水池尾門高度，保證蓄水池內(nèi)的水位與試驗(yàn)工況所確定的水位高度保持一致，待水位高度穩(wěn)定后，抽出模擬決口部位的木板；在潰決開始后，要視蓄水池內(nèi)水位下降情況加大進(jìn)水口流量，以保持池內(nèi)的水位穩(wěn)定。當(dāng)沖刷坑變化趨于穩(wěn)定后關(guān)閘停水，待試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械摹昂樗毕送戤吅鬁y(cè)量地形數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 沖坑形態(tài)等值線分析

對(duì)三種不同工況的9組試驗(yàn)結(jié)果中的沖刷區(qū)高程測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得沖刷區(qū)域內(nèi)沖坑形態(tài)的等值線圖(見圖2～圖10)。其中，潰口中心點(diǎn)坐標(biāo)為x=0，y=2，z=40，為動(dòng)床的原始高程。由不同工況、不同組次的沖坑等值線圖可知，如果不考慮水頭高度之外的其他因素，沖刷區(qū)內(nèi)的沖坑深度會(huì)隨著水頭高度的增加而增大，同時(shí)沖刷范圍也不斷擴(kuò)大，上述發(fā)展過程的變化趨勢(shì)比較接近。

圖2 組次1沖坑形態(tài)的等值線圖

圖3 組次2沖坑形態(tài)的等值線圖

圖4 組次3沖坑形態(tài)的等值線圖

圖5 組次4沖坑形態(tài)的等值線圖

圖6 組次5沖坑形態(tài)的等值線圖

圖7 組次6沖坑形態(tài)的等值線圖

圖8 組次7沖坑形態(tài)的等值線圖

圖9 組次8沖坑形態(tài)的等值線圖

圖10 組次9沖坑形態(tài)的等值線圖

3.2 典型斷面分析

為了進(jìn)一步研究堤壩潰決時(shí)的水頭高度對(duì)下游沖坑特征的影響規(guī)律，在20個(gè)預(yù)設(shè)斷面中選取兩個(gè)典型斷面進(jìn)行深入分析。這兩個(gè)斷面分別為潰口終點(diǎn)部位垂直于河道方向的縱斷面以及與河道平行的1號(hào)斷面。通過對(duì)上述斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整理，獲得不同斷面和工況條件下的沖坑縱剖面圖(見圖11～圖16)。其中，圖11～圖13分別為不同潰口寬度和水頭高度條件下的沖坑典型縱斷面圖。圖中的縱坐標(biāo)為動(dòng)床高程，原始高程為y=40；橫坐標(biāo)是與潰口的垂直距離。由圖11～圖13可知，在潰口寬度相同的條件下，沖刷坑的深度和范圍均隨著水頭高度的增加而增大。沖刷坑的縱剖面并不具有左右對(duì)稱特點(diǎn)，在靠近堤壩潰口部位存在一個(gè)明顯的突降，在達(dá)到最低點(diǎn)之后再逐漸平緩上升。圖14～圖16分別為不同潰口寬度和水頭高度條件下的沖坑典型橫斷面圖。圖中的縱坐標(biāo)為動(dòng)床高程，原始高程為y=40；橫坐標(biāo)是與平行于河道方向的斷面起點(diǎn)距離。由圖14～圖16可以進(jìn)一步證實(shí)上述結(jié)論：在其他條件相同時(shí)，沖刷坑的深度和范圍隨著水頭高度的增加而增大，特別是沖刷坑在與河道平行方向上的寬度隨著水頭高度的增加而增大。

圖11 工況1條件下沖刷坑縱斷面

圖12 工況2條件下沖刷坑縱斷面

圖13 工況3條件下沖刷坑縱斷面

圖14 工況1條件下沖刷坑橫斷面

圖15 工況2條件下沖刷坑橫斷面

圖16 工況3條件下沖刷坑橫斷面

為了進(jìn)一步表達(dá)沖刷坑深度和水頭高度之間的關(guān)系，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得不同潰口寬度下沖刷坑深度與水頭高度之間的關(guān)系曲線(見圖17)。由圖中的曲線可知，在其他條件相同時(shí)，沖刷坑的深度和范圍隨著水頭高度的增加而增大，另一方面，曲線的斜率并不會(huì)隨著潰口寬度的增加而明顯改變，說明沖刷坑最大深度會(huì)隨著水頭高度的增加而保持基本恒定的變化率。

圖17 水頭高度與沖刷坑的最大深度關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

洪水極具破壞性，對(duì)潰堤洪水造成的堤后沖刷現(xiàn)象進(jìn)行深入研究和內(nèi)在規(guī)律探討具有重要的理論和實(shí)踐意義。本文以太子河本溪段河道為工程背景，利用概化模型試驗(yàn)的方法，對(duì)不同潰決水頭高度下的沖坑形態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得如下結(jié)論：如果不考慮水頭高度之外的其他因素，沖刷區(qū)內(nèi)的沖坑深度會(huì)隨著水頭高度的增加而增大，同時(shí)沖刷范圍也不斷擴(kuò)大；隨著潰口寬度的增加，水頭高度與沖刷坑的最大深度曲線的斜率基本不變，說明水頭高度與沖刷坑變化速率之間的關(guān)系并不明顯。